（电机与电器专业论文）变压器绝缘老化与寿命评估.pdf

山东大学硕士学位论文 模型参数的计算输出，以及其他相关电气绝缘参数的计算，并以直观的绘图方式输出。 极化去极化电流理论并不是一个新的理论方法，它的提出已经有很长的一段时间了， 但将其用到变压器固体绝缘诊断上却是一个新的突破。目前我国还没有一种可靠的无损 方法用于判断变压器剩余寿命，因此p d c 方法有着其潜在的优势和广阔的应用前景。 关键词：变压器极化去极化电流绝缘等效电路寿命 - - 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t l a r g en u m b e r so fp o w e rt r a n s f o r m e r sa r o u n dt h ew o r l da g ea p p r o a c h i n gt o w a r d st h ee n do f t h e i rd e s i g nl i f e t h e ya r ev e r ye x p e n s i v et or e p l a c e ；h o w e v e r , s o m eo ft h e s et r a n s f o r m e r sa r e s t i l li ng o o dc o n d i t i o na n dc o u l db eu s e df o rm a n ym o r ey e a r s c l e a r l yd e t e r m i n i n gt h e i r c o n d i t i o nw o u l db eo f t r e m e n d o u si m p o r t a n c et ot h ed e c t r i c i t yi n d u s t r y t h ea i mo ft h i sw o r ki st oa s s e s st h eq u a l i t yo fo i l - p a p e ri n s u l a t i o ni nt r a n s f o r m e r s p a r t i c u l a r l yt h em o i s t u r ec o n t e n ta n da g e i n gs t a t eo fi t s s o l i dc o m p o n e n tb a s e do nt h e m e a s u r e m e n to fp o l a r i z a t i o na n dd e p o l a r i z a t i o nc u r r e n tt h e o r y t h eb a s i cw a yt op e r f o r mt h e m e a s u r e m e n ti st oa p p l yad c v o l t a g eo nt h em a i ni n s u l a t i o nb e t w e e nt h eh i g ha n d l o wv o l t a g e a n dt h ec u r r e n ti sa l s or e c o r d e da tt h es a m et i m e as i m p l ee q u i v a l e n tc i r c u i ti sb u i l tt os i m u l a t e t h ep r o p e r t i e so ft h et r a n s f o r m e r sm a i ni n s u l a t i o ns y s t e mb ym e a l l qo fl e a s ts q u a r em e t h o d w h i c hw a s p r o v e dt ob ea ne x c e l l e n tt o o lt of u l f i l lt h ec a l c u l a t i o n t h es i m p l ee q u i v a l e n tc i r c u i t d e t e r m i n e df r o mm e a s u r e dr e l a x a t i o nc u r r e n t sc a i nb eu s e dt oc a l c u l a t ea l lo t h e rd i e l e c t r i c r e s p o n s e ss u c h 勰t h ec a p a c i t a n c e , p o l a r i z a t i o ni n d e x , a n dd i s s i p a t i o nf a c t o ri nt h et i m eo r f r e q u e n c yd o m a i n t h er e s u l t ss h o wt h a ts o m ef a c t o r sl i k ec h a r g i n gv o l t a g e , c h a r g i n gt i m e g e o m e t r yl a y o u t a n dt h eo i la n dp r e s s b o a r dc o n d i t i o nm a yh a v et o m ei m p a c to nt h ep o l a r i z a t i o na n d d e p o l a r i z a t i o nc u r r e n t w i t ht i m el e s st h a n1 0 0s e c o n dt h eo i lp r o p e r t i e sw i l lg i v ead o m i n a t e a f f e c t i o no nt h ec u r r e n tc i n v ea n da t l o n gt i m e st h ea m p l i t u d eo ft i m ed e p e n d e n c eo ft h e s e c u r r a n t sa r ei n f l u e n c e dm a i n l yb yt h er e s p o n s eo fp r e s s b o a r d w h i l et h eg e o m e t r yl a y o u tw i l l a f f e c tt h em i d d l ep a r t i ti sa l s os h o w nt h a tf o rah o m o g e n e o u sd i e l e c t r i cm a t e r i a li th a sav e r yl i n e a rp r o p e r t yw i t h i n c r e a s eo ft h ea p p l i e dv o l t a g e m o r ea g e i n gi n f o r m a t i o na b o u tt h ei n s u l a t i o nc o u l db eg o ta n d t h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h ep o l a r i z a t i o na n dd e p o l a r i z a t i o nw i l lb em i n i m i z e dw i t h l o n g e r c h a r g i n gt i m e a l lo f t h e s ea b o v ea r ed e m o n s t r a t e do nt h et r a n s f o r m e rs a m p l e s i nt h i sw o r kw eh a v em e a s u r e da n dc o l l e c tal o to fd a t aa b o u tt h ec o n d u c t i v i t ya n dr e l a t i v e p e r m i t t i v i t yo ft o m ep r e s s b o a r dw i t hd i f f e r e n tm o i s t u r ec o n t e n ta td i f f e r e n tt e m p e r a t u r e t h e o i la n dp a p e rc o n d u c t i v i t yc a nb ec a l c u l a t e db ym e a n so ft h em e a s u r e dp o l a r i z a t i o na n d d e p o l a r i z a t i o ns oa st oc o m p a r ei tw i t had a t a b a s et og e ta no v e r a l le v a l u a t i o no f t h ea g i n gs t a t e i 皇鼻_ i ll i 置i i 皇皇i i i 暑_ i i i 山东大学硕士学位论文 曩皇量毫皇皇量量皇_ i i o ft h et r a n s f o r m e r ap r o g r a md e b u g g e di n 、，bi sf i n i s h e dt op e r f o r mt h ew h o l ec a l c u l a t i o n p r o c e s sa n do t h e rf u n c t i o ns u c ha st h ed a t a ss a v i n ga n di n p u ta n dt h eg r a p ho u t p u t t h ep d c t h e o r yi sn o tan e wt h e o r yt h a th a sb e e nk n o w n f o ral o n gt i m eb u tp u ti to nt h e d i a g n o s i sa f e ai sa c t u a l l yab r e a k t h r o u g h t h e r ei s s t i l ln 0ar e l i a b l ea n dn o d e s t r u c t i v e d i a g n o s i sm e t h o dt od e t e r m i n et h er e m a i nl i f eo fa na g e dt r a n s f o r m e r t h ep d ch a sah u g e p o t e n t i a la d v a n t a g ea n db r i g h ta p p l i c a t i o nf u t u r ei no u rc o u n t r y k e yw o r d s ：t r a n s f o r m e r , i n s u l a t i o n , p o l a r i z a t i o na n dd e p o l a r i z a t i o nc u r r e n t ，e q u i v a l e n tc i r c u i t ， h f e t i m e 山东大学硕士学位论文 。 主要符号说明 p d c ：极化去极化电流 l d ( t ) ：电位移 e ( t ) ：电场强度 0 ：真空介电常数 即介质相对介电常数 m ) ：介质相应函数 j ) ：电流密度 f ：时间常数 a o ：介质材料的电导率 o p a l m r 、o o i i ：纸板、油的电导率 舀词、岛曲：油、纸板的相对介电常数 ) c ( ) ：频域中的介质极化率 t a n f t g s ：介质损耗系数 轴、i d c p m ：极化、去极化电流 u c 、u o ：直流充电电压 t c ：充电时间极化时间 c o ：被测物的几何或真空电容 c ( ) 、c ”( ) ：频域中介质复合电容实部、虚部 、c i ：等效模型中的支路电阻、电容 r n 、r 啊、凡：模拟油、纸板、油隙的电阻 c d 、c s 、c s ：模拟油、纸板、油隙的电容 r 1 5 、r 6 0 变压器绝缘1 5 秒。6 0 秒电阻值 x ：复合介质中纸所占比例 y ：复合介质中油所占比例 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外。本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：盥 日期：垄堕：! f 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：艘导师签名：论文作者签名：墨巨边导师签名： 日期： 2 0 0 5 3 s 、。8 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 开展变压器老化诊断与寿命评估的意义 1 9 8 1 年至2 0 0 0 年，我国电力工业发展迅速，取得举世公认的伟大成就。到2 0 0 0 年， 发电量由3 0 0 6 t w h 增加到1 3 0 0 t w h ，年均增长7 6 ；发电装机容量由6 8 7 0 m w 增加 到3 1 0 g w ，年均增长8 0 5 ，年发电量和装机容量都居世界第二位，基本扭转了2 0 年 来长期缺电的局面，实现了全国电力供需基本平衡。由于我国经济将继续保持6 7 的快速增长，电力工业也将继续保持较快发展速度，才能保证经济发展和居民生活用电 增长的需求。预测2 0 0 5 年发电量将达到1 6 8 0 t w h ，发电装机容量将达到3 8 0 g w ：2 0 1 0 年发电量2 1 8 0 t w h ，发电装机容量4 9 0 g w ；2 0 2 0 年发电量3 4 0 0 t w h ，发电装机容量 7 5 0 g w t 1 。随着电网容量的增大，对电力系统的安全运行和供电可靠性提出了更高的要 求。 一 在电力系统的各种设备中，变压器是比较昂贵且很重要的设备之一，其安全运行对 于保证电网安全意义重大。单以其本身价格计算，进口的2 5 0 m v a 5 0 0 k v 变压器平均约 1 3 3 万美元台，国产同规格的也达到1 0 0 0 万元台左右【2 1 。如果一台大型电力变压器在系 统中运行时发生事故，则可能导致大面积停电，其检修期一般要半年以上【3 1 ，不但花费 很大，而且影响面很广。 目前应用最广泛的电力变压器是油浸变压器和干式树脂变压器两种，电力变压器的 绝缘即是变压器绝缘材料组成的绝缘系统，它是变压器正常工作和运行的基本条件，变 压器的使用寿命是由绝缘材料( a 0 油纸或树脂等) 的寿命所决定的。实践证明、大多变压器 的损坏和故障都是因绝缘系统的损坏而造成。据统计，因各种类型的绝缘故障形成的事 故约占全部变压器事故的8 5 以上。对正常运行及注意进行维修管理的变压器，其绝缘 材料具有很长的使用寿命。国外根据理论计算及实验研究表明，当小型油浸配电变压器 的实际温度持续在9 5 c 时，理论寿命将可达4 0 0 年设计和现场运行的经验说明，维护 得好的变压器，实际寿命能达到5 0 7 0 年；而按制造厂的设计要求和技术指标，一般把 变压器的预期寿命定为2 0 4 0 年4 1 。【 。因此，保护变压器的正常运行和加强对绝缘系统 的合理维护，很大程度上可以保证变压器具有相对较长的使用寿命，而预防性和预知性 维护是提高变压器使用寿命和提高供电可靠性的关键。 目前国内许多变电站中变压器已经“服役”了相当长的一段时间，有的运转情况良 1 山东大学硕士学位论文 好，有的已出现过很多事故，究竟一台老变压器目前的老化状态如何，是否可以继续运 行或者需要吊芯干燥处理，是我们电力系统管理者迫切需要解决的问题。但目前对其进 行老化评估的可靠方法只有打开油箱吊芯取固体绝缘件样品检测，这和进行一次大修没 什么区别，费时费力。并且有可能对变压器本身固体的绝缘造成损害。 为了能够对变压器老化程度进行现场无损的检测判断，进而对变压器预期寿命进行 评估成为目前变压器领域研究的一个重点，因此刀：展变压器老化评估对变压器安全经济 的运行有着重要的意义。 1 2 变压器老化成因及表现 1 2 1 固体纸绝缘故障 固体纸绝缘是油浸变压器绝缘的主要部分之一，包括：绝缘纸、绝缘扳、绝缘垫、 绝缘卷、绝缘绑扎带等，其主要成分是纤维素，化学表达式为( c 6 h l 0 0 6 ) n e 8 1 ，式中n 为聚 合度。一般新纸的聚合度为1 3 0 0 左右，当下降至2 5 0 左右，其机械强度已下降了一半以 上，极度老化致使寿命终止的聚合度为1 5 0 - - - 2 0 0 1 9 1 。绝缘纸老化后，其聚合度和抗张强度 将逐渐降低，并生成水、c o 、c 0 2 ，其次还有糠醛( 呋喃甲醛) 。这些老化产物大都对电 气设备有害会使绝缘纸的击穿电压和体积电阻率降低、介损增大、抗拉强度下降，甚 至腐蚀设备中的金属材料。 固体绝缘具有不可逆转的老化特性，其机械和电气强度的老化降低都是不能恢复的。 变压器的寿命主要取决于绝缘材料的寿命，因此油浸变压器固体绝缘材料，应既具有良 好的电绝缘性能和机械特性，而且长年累月的运行后，其性能下降较慢，即老化特性好。 ( 1 ) 纸纤维材料的性能。绝缘纸纤维材料是油浸变压器中最主要的绝缘组件材料，纸 纤维是植物的基本固体组织成分，组成物质分子的原子中有带正电的原子核和围绕原子 核运行的带负电的电子，与金属导体不同的是绝缘材料中几乎没有自由电子，绝缘体中 极小的电导电流主要来自离子电导。纤维素由碳、氢和氧组成，这样由于纤维家分子结 构中存在氢氧根，便存在形成水的潜在可能，使纸纤维有含水的特性。此外，这些氢氧 根可认为是被各种极性分子( 如酸和水) 包围着的中心，它们以氢键相结合，使得纤维易受 破坏，同时纤维中往往含有一定比例( 约7 左右) 的杂质，这些杂质中包括一定量的水分， 因纤维呈胶体性质，使这些水分尚不能完全除去。这样也就影响了纸纤维的性能。极性 的纤维素不但易于吸潮( 水分是强极性介质) ，而且当纸纤维吸水时，使氢氧根之间的相互 作用力变弱在纤维结构不稳定的条件下机械强度急剧变坏，因此，纸绝缘部件一般要 经过干燥或真空干燥处理和浸油或绝缘漆后才能使用 山东大学硕士学位论文 ( 2 ) 纸绝缘材料的机械强度。油浸变压器选择纸绝缘材料最重要的因素除纸的纤维成 分、密度、渗透性和均匀性以外，还包括机械强度的要求，包括耐张强度、冲压强度、 撕裂强度和坚韧性。判断固体绝缘性能可以设法取样测量纸或纸板的聚合度或利用高 效液相色谱分析技术测量油中糠醛含量、以便于分析变压器内部存在故障时，是否涉及 固体绝缘或是否存在引起线圈绝缘局部老化的低温过热，或判断固体绝缘的老化程度。 对纸纤维绝缘材料在运行及维护中，应注意控制变压器额定负荷，要求运行环境空气流 通、散热条件好，防止变压器温升超标和箱体缺油。还要防止油质污染、劣化等造成纤 维的加速老化，而损害变压器的绝缘性能、使用寿命和安全运行。 ( 3 ) 纸纤维材料的劣化。主要包括三个方面： 1 ) 纤维脆裂。当过度受热使水分从纤维材料中脱离，更会加速纤维材料脆化。由于 纸材脆化剥落，在机械振动、电动应力、操作波等冲击力的影响下可能产生绝缘故障而 形成电气事故。 2 ) 纤维材料机械强度下降。纤维材料的机械强度随受热时间的延长而下降，当变压 器发热造成绝缘材料水分再次排出时，绝缘电阻的数值可能会变高。但其机械强度将会 大大下降，绝缘纸材将不能抵御短路电流或冲击负荷等机械力的影响。 3 ) 纤维材料本身的收缩。纤维材料在脆化后收缩，使夹紧力降低，可能造成收缩移 动，使变压器绕组在电磁振动或冲击电压下移位摩擦面损伤绝缘。 1 2 2 液体油绝缘故障 液体绝缘的油浸变压器是1 8 8 7 年由美国科学家汤姆逊发明的，1 8 9 2 年被美国通用电 气公司等推广市用于电力变压器，这里所指的液体绝缘即是变压器油绝缘。采用液体油 作绝缘的变压器具有以下特点：1 ) 大大提高了电气绝缘强度，缩短了绝缘距离，减小了 设备的体积；2 ) 大大提高了变压器的有效热传递和散热效果，提高了导线中允许的电流 密度，减轻了设备重量它是将运行变压器器身的热量通过变压器油的热循环，传递到 变压器外壳和散热器进行散热，从而提高了有效的冷却降温水平；3 ) 出于油浸密封而降 低了变压器内部某些零部件和组件的氧化程度，延长了使用寿命。 变压器油劣化的原因指变压器油质变坏，按轻重程度可分为污染和劣化两个阶段。 污染是油中混入水分和杂质，这些不是油氧化的产物，污染油的绝缘性能会变坏击穿 电场强度降低，介质损失角增大。劣化是油氧化后的结果，当然这种氧化并不仅指纯净 油中烃类的氧化，而是存在于油中杂质将加速氧化过程，特别是铜、铁、铝金属粉屑等。 氧来源于变压器内的空气，即使在全密封的变压器内部仍有容积为o 2 5 左右的氧存在， 3 山东大学硕士学位论文 氧的溶解度较高，因此在油中溶解的气体中占有较高的比率。 变压器油氧化时，作为催化剂的水分及加速剂的热量，使变压器油生成油泥，其影 响主要表现在 在电场的作用下沉淀物粒子大：杂质沉淀集中在电场最强的区域，对变 压器的绝缘形成导电的“桥”：沉淀物并不均匀而是形成分离的细长条，同时可能按电力 线方向排列，这样无疑妨碍了散热，加速了绝缘材料老化，并导致绝缘电阻降低和绝缘 水平下降。 油的氧化过程是由两个主要反应条件构成的。其一是变压器中酸值过高油呈酸性。 其二是溶于油中的氧化物转变成不溶于油的化合物，从而逐步使变压器油质劣化。不同 的老化裂化导致不同的故障气体成分，这对于变压器的故障诊断相当重要，目前根据经 验总结的变压器油故障类型及其对应故障气体如表1 1 。 表1 1 不同故障气体产生的气体成分 故障类型主要气体成分次要气体成分 油过热 c h 4 c 2 h 2h 2 ，c 2 h 2 油和纸过热 c h 4 ，c 2 h 4 ，c o ，c 0 2 ，h 2 ，c 2 h 6 油纸绝缘中局部放电h 2 ，c 2 h 4 c 2 h 2 ，c oc 2 h 4 ，c 0 2 油中火花放电c 2 h 2 ，h 2 油和纸中电弧 h 2 ，c 2 h 2 ，c o ，c 0 2c h 4 ，c 2 h 4 ，c 2 h 6 进水受潮或油中起泡h 2 1 3 影响变压器绝缘故障的主要因素 影响变压器绝缘性能的主要因素有：温度、湿度、油保护方式和过电压影响等。 ( 1 ) 温度的影响。电力变压器为油、纸绝缘，在不同温度下油、纸中含水量有着不同 的平衡关系曲线l 。一般情况下，温度升高，纸内水分要向油中析出；反之，则纸要 吸收油中水分。因此，当温度较高时，变压器内绝缘油的微水含量较大；反之，微水含 量就小。变压器的寿命取决于绝缘的老化程度，而绝缘的老化又取决于运行的温度。如 油浸变压器在额定负载下，绕组平均温升为6 5 。c ：，最热点温升为7 8 。c ，若平均环境温 度为2 0 。c ，则最热点温度为9 8 。c ；在这个温度下，变压器可运行2 0 3 0 年苦变压器超 载运行，温度升高促使寿命缩短。 国际电工委员会( i e c ) 认为a 级绝缘的变压器在8 0 1 4 0 温度范围内，温度每增加 6 c ，变压器绝缘有效寿命降低的速度就会增加一倍，这就是6 法则，说明对热的限制 山东大学硕士学位论文 已比过去认可的8 法则更为严格。 ( 2 ) 湿度的影响。水分的存在将加速纸纤维素降解。绝缘油中的微量水分是影响绝缘 特性的重要因素之一。绝缘油中微量水分的存在，对绝缘介质的电气性能与理化性能都 有极大的危害，水分可导致绝缘油的火花放电电压降低。介质损耗因数t 9 8 增大促进绝 缘油老化，绝缘性能劣化。而设备受潮，不仅导致电力设备的运行可靠性和寿命降低， 更可能导致设备损坏甚至危及人身安全。 ( 3 ) 油保护方式的影响。变压器油中氧的作用也会加速绝缘分解反应，而含氧量与油 保护方式有关。另外，油保护方式不同，使c o 和c 0 2 在油中溶解和扩散状况不同。如 c o 的溶解度小，使开放式变压器c o 易扩散至油面空间，因此，开放式变压器一般情况 c o 的体积分数不大于3 0 0 x l o 击。密封式变压器，由于油面与空气绝缘，使c o 和c 0 2 不易挥发，所以其含量较高。 ( 4 ) 过电压的影响。 1 1 暂态过电压的影响。三相变压器正常运行产生的相、地问电压是相间电压的5 8 ， 但发生单相故障时主绝缘的电压对中性点接地系统将增加3 0 ，对中性点不接地系统将 增加7 3 ，因而可能损伤绝缘。 2 ) 雷电过电压的影响。雷电过电压由于波头陡，引起纵绝缘( 匝间、并间、绝缘) 上电 压分布很不均匀，可能在绝缘上留下放电痕迹，从而使固体绝缘受到破坏。 3 ) 操作过电压的影响。由于操作过电压的波头相当平缓，所以电压分布近似线性， 操作过电压波由一个绕组转移到另一个绕组上时，约与这两个绕组间的匝散成正比，从 而容易造成主绝缘或相问绝缘的劣化和损坏。 ( 5 ) 短路电动力的影响。出口短路时的电动力可能会使变压器绕组变形、引线移位， 从而改变了原有的绝缘距离，使绝缘发热，加速老化或受到损伤造成放电、拉弧及短路 故障。 综上所述，掌握电力变压器的绝缘性能及合理的运行维护，直接影响到变压器的安 全运行、使用寿命和供电可靠性，电力变压器是电力系统中重要而关键的主设备作为 变压器的运行维护人员和管理者必须了解和掌握电力变压器的绝缘结构、材料性能、工 艺质量、维护方法及科学的诊断技术，并进行优化合理的运行管理。才能保证电力变压 器的使用效率、寿命和供电可靠性。 1 4 电力变压器绝缘诊断方法 目前变压器的老化故障诊断方法有很多种，大多数方法采用的是与油中气体分析相 5 电流检测( p d c ) 和聚合度( d p ) 分析【1 们”。 4 1 4 1 油的化学电气检测方法与应用 从上世纪初，将纸板( 纤维素) 浸入矿物油中用做变压器中的标准绝缘件，并且已 被证明具有良好的电气，化学和物理特性。但是，这种油纸绝缘系统随着时间会降解， 特别是在高温运行环境中产生氧和水分( 热老化) 。水分的产生加速纸的老化，而老化产 物中又包括水分反过来继续加速纸的老化，与此同时由于不同程度的局部放电和机械应 力产生的振动进一步使绝缘纸老化加速。在实际运行中，以上进程都是同时进行共同造 成了绝缘系统的老化使整个变压器绝缘系统的电气，化学和机械性能受到影响。 变压器油主要采用矿物油，它来自是油原油，是一种自然存在的混合物，主要由碳 氢化合物组成。变压器油的分析主要包括以下几方面特性的分析：颜色外观、微水含量、 击穿电压、介质损耗系数( t g a ) 、酸值和界面张力。 大体来说，通过油的外观颜色即明暗度就可以用来判断油氧化( 老化) 程度。将油 的外观颜色与一组标准颜色表格相对照是一个最简单的用于判断油老化程度的方法 i s o 2 0 4 9 ，1 9 9 6 】1 2 2 1 。油中微水含量由k a r lf i s c h e r 设备来进行检测，参照标准 i e c 6 0 8 1 4 ，1 9 9 7 t 2 3 1 。5 0 h z 工频击穿电压和介质损耗系数t 妒两个参数是用于来判断一种油是 否好坏的重要特性 c a r o de ta l ，1 9 9 3 】 2 4 1 。据此可以判断油的真实情况，但不能用来预测 其老化的趋势。该项参数的的精确测量方法以及判断其特性的依据参照i e c 6 0 2 4 7 ，1 9 7 8 ；i e c6 0 1 5 6 ，1 9 9 5 1 2 5 1 2 6 1 。 油的酸值测量通过滴定中和试验来实现，即确定用于滴定中和1 9 油样所需氢氧化钙 的重量( 单位为m gk o h g ) 。该方法可以测出油样中无机酸的含量以此来确定油样的 氧化程度。推荐的一些对于新油和运行中的油所需的中和量参照i e c6 0 2 9 6 ，1 9 8 2 ；i e c 6 0 t 2 7 1 t 2 吼。界面张力是种更准确的特性，它对于早期的老化非常敏感，而随着其它绝 缘特性的不断恶化而逐渐减d x c a r o de ta l ，1 9 9 3 ；k n a b ，1 9 9 6 1 2 4 1 1 2 9 1 。上述试验方法对于检 测和判断正常情况下的满负荷运行的变压器中的油纸绝缘系统中的老化情况。 溶解气体分析( d g a ) 用来确定油中分解产生的不同气体如氢，甲烷和其它碳氢化 6 山东大学硕士学位论文 合物的浓度和产生速率，这对分析油纸绝缘系统中的故障和不规则现象如热点，不良接 触点，电弧和局部放电【k n a be ta l ，1 9 9 3 ；k n a b1 9 9 6 t 2 9 i i 划有很大帮助，详细的分析步骤和方 法参照 i e c6 0 5 6 7 ，1 9 9 2 t 北1 ，试验结果标准见 i e c6 0 5 9 9 ，1 9 7 8 ! ”l 。经验表明尽管有现 行的标准规定，但由于分解气体含量受不同变压器的运行条件以及内部结构的影响，正 确判断一台变压器的故障仍然是件很困难的事。根据最新的研究1 3 4 1 。溶解气体的产生速 率相对来说比测量其绝对含量更能说明问题。 高性能液相色谱法( h p l c ) 用于测量油中纤维素分解产物( 呋喃化合物) ，它是绝 缘由于受热点和局部放电引起热老化的直接产物。h p l c 并不是一项例行试验，但如果 采用d g a 检测到纤维素降解才有的碳氧化物出现时就应该建议进行h p l c 试验。 油中微水含量也是影响油性能的重要指标，事实上，如果水一点也不存在最为理想， 但这是不可能的，因为水是始终存在于油中的主要非烃化合物。只要油中存在的水溶解 在油中，它并不会明显影响油的电气强度。水分布于空气、油和绝缘纸之间，因此当溶 解达到平衡时，每种介质的相对饱和程度是相同的。水在油中的溶解度随油的类型而变 化，在2 0 时近似为3 0 1 0 - 6 - 8 0 1 0 6 。油中芳香烃含量越高，水的溶解度越高。水的 溶解度还随油的老化( 氧化作用) 而增大。温度对溶解度的影响很明显。在2 0 ( 2 时，油 中可吸收4 0 1 0 - 6 水，在8 0 c 时，可吸收4 0 0 1 0 - 6 的水。由此可以证明，抽取油样时， 记录变压器油温的重要性。如果新注油变压器在2 0 ( 2 时的含水量为5 0 x 1 0 ，则应当引 起注意。但老变压器在8 0 c 时的含水量达5 0 1 0 4 时则表明状态很好，因为这一数值的确 代表了很低的饱和度。 已经证明，水按照每种介质的相对饱和值分布在空气、油和纸中，但绝缘纸比油有 更大的吸水能力。纸的饱和水平按照重量计算可以为5 或者以上，这取决于温度和油的 酸度。一台6 0 0 m v a 发电机变压器有1 0 t 纤维绝缘，如果按照2 含水量计算，绝缘材料 中的含水量将是2 0 0 l 。由此可以解释为什么现场油循环和干燥变压器的进展非常缓慢并 且繁重。多年来，人们已经知道固体绝缘的水分会加速老化，但是只有今年来才清楚地 认识到水的破坏程度，这大概是在超高压变压器多次出现早期失效后，人们努力研究所 得到的结果。在1 2 0 ( 2 时，如果绝缘纸中的含水量从o 1 增到l ，则绝缘纸的寿命会降 低1 1 0 。几年| j i ，认为1 的含水量是合理并且是可以接受地，它表示纸的饱和度低于2 0 。 因此，可以明显看出，理想情况是油中的含水量要尽量可能低于饱和度，认为在8 0 c 时， 油中的含水量为3 0 1 0 - 6 4 0 x 1 0 “是合理的目标值 1 4 2 固体绝缘诊断方法 1 山东大学硕士学位论文 i 目j i f 存在着常规和非常规的用于直接对变压器绝缘进行检测并判断其绝缘状态的试 验方法，主要是一些离线电气无损测量，测量的量包括：直流电阻、极化指数、介质损 耗系数、局部放电。 直流电阻测量是用来评估电力器件绝缘状态的比较老的方法之一，但真j 下确定其真 实的直流电阻值却比较困难，因为当对绝缘件施加一直流电压后产生的直流电流是由一 些非线形衰减的吸收电流叠加而成，如图l - l 所示。在对绝缘施加直流电压时，流过绝 缘介质的电流是随着时间的增加而逐渐减小，并逐渐趋于稳定值。这个电流是三种电流 之和。它们分别是位移电流i d ( t ) 、吸收电流厶( t ) 及泄漏电流( t ) 。绝缘特性好的绝缘比 如说一台新变压器，其直流电阻值只有在几个小时之后才能准确测出。因此在实际通常 采用一定时间的电阻值来作判断，比如说1 分钟、1 0 分钟时的电阻值。对于两台具有同 样结构的变压器，在运行过程中可以通过比较其绝缘电阻值来判断其绝缘的好坏。 f 流，r 图1 1 绝缘介质极化电流 极化指数被定义为1 分钟与1 0 分钟的极化电流的比值，它的倒数即1 0 分钟与一分 钟的极化电流比值为绝缘直流电阻。对于油纸绝缘结构，如一些常用于仪表变压器或者 电缆的浸溃纸，由于其宏观非线形特性上述值得测量计算就显得格外重要。例如一台多 层绝缘( 一系列纸板与油道结构) 变压器，宏观的界面极化以及绝缘几何结构( 油与纸 的体积比) 对上述值都有较大的影响【3 5 】。 工频下( 5 0 h z ) 介质损耗系数( t g ，2 占“，界面积聚正电荷；若n 占，2 y 2 l ，界面积聚负电荷；若y - 占2 = t 2 9 l ，界 面就不积聚电荷，电压刚加上立刻进入稳态，界面极化消失。 双层介质界面上的全电流是连续的，即： f ：u l + c d u _ _ l ：生+ c 丝 2 1 4 r 1 d t r ， d t r = 雨u + 意rr 将c 羔r 魄 2 - 1 5 r i + r 2i2 ( c l + 2 ) 2 【r i + 2 ) = 焉鬻熹与螂0 2 - 1 6 g = 意编；矗筹揣d z 加 2 2 介质响应的理论基础 2 2 1 时域中的基本关系 真空中的电位移d ( t ) 与其施加的电场e ( t ) h 茂j e ，其相互关系可以由下式来表示： d ( f ) = 占o e ( f ) 2 - 1 8 岛= 8 ，8 5 4 x 1 0 “a s v m 为真空中的介电常数【4 1 1 可以通过加直流阶跃电压来获得响应函数 p ( f ) = 岛陋) 厂e ) 2 - 2 0 f i t ) 为单调递减函数代表介质材料的脉冲响应。 对于任意电场强度e ( t ) ，极化作用p ( t ) 与介质响应函数的关系可以以卷积的形式表示出来 p ( t ) = e oi f ( t - r ) ( f ) 出= 。j ( f ) e ( t - r ) d f 2 - 2 1 槲0 在t = 0 时刻施加一阶跃恒定电场e 。的情况下，极化作用p ( t ) 可以表示为 p ( f ) = 8 0 e ei f ( t ) d t = z o e 。 ( f ) 2 - 2 2 o 介质响应函数h ( t ) 代表了介质材料的阶跃响应如图2 - 2 所示。时间趋于无穷大t 寸o o 时h ( 0 的值为一定值，其值与频率为零时的介质极化率成正比z = 0 ) 见式2 2 6 0 t 图2 - 2 阶越直流电压下介质的极化响应 根据 m a 】【w e l i ，1 8 9 1 毛et = - 0 时刻在介质材料施加一电场e ( t ) 将会产生电流密度为j ( t ) ， 其可以表示为传导电流和位移电流的和： ( f ) ：c r o e ( f ) + r i d _ ( t ) 2 - 2 3 d f 式中o o 为介质材料的直流电导率。 - 1 4 山东大学硕士学位论文 结合式2 1 9 ，2 2 l 电流密度可以表示为： 儿却删+ 岛掣+ 岛丢弦栅渺 砜盼岛掣吲( 0 ) 靴岛弊净d r 对于特殊情况阶跃电场为一常数e c ，上式转化为： _ ，o ) = 盯。e 。+ 氏e p o ) + 厂( f ) 】 2 - 2 5 式中艿( f ) 为一三角函数 2 2 2 频域中的基本关系 频域中的极化率z ( c o ) 被定义为介质响应函数的傅立叶变换形式： z ( 甜) = z ( c o ) 一i x 。( c o ) = i f ( t ) e x p ( - i c o o d t 2 - 2 6 i 因此在频域下的极化作用p ( ( 1 ) ) 可以写为 p ( ) = 岛z ( ) e ( 珊) 2 - 2 7 根据傅立叶变换式2 2 5 可以转化为在频域下的方程： j ( c o ) = a o e ( w ) + i m d ( c o ) 2 - 2 8 结合式2 1 9 ，2 2 6 电流密度可以表示为： 鬟：篙! 裟裂警 。z ， 篁 盯o + 岛嗍。( ) + f l l + z ( ) 且e ( ) 。 介质材料的相对介电常数占，( c o ) 可以通过下式来定义 d ( c o ) = 岛( ) e ( ) = e o 1 + x ( 缈) 一拓。( ) 忙( ) 2 - 3 0 占，( ) 因此可以表示为： ( 力) = e ；( c o ) 一f 群( 珊) = l + z ( 0 2 ) - z ( c o ) 2 - 3 1 在实际应用中确定式2 2 9 中的介质响应函数，用电桥或者其他测量设备是很难区分直流 电导电流和介质损耗电流，这意味着实际测量的有效的相对介电常数至，劬) 与式2 - 3 0 、 2 3 l 定义的e , ( c o ) 有所不同。 实际测量的有效相对介电常数至，( c o ) 可以同过下式来计算： j ( c o ) = f 傩。至，( 0 2 ) e ( c o ) 2 - 3 2 广1 互= 4 一4 辱( c o ) + c r o e 0 0 2 1 = 1 + 2 ( c o ) 一枕+ 岛刊 2 - 3 3 - i ，一 山东大学硕士学位论文 介质损耗系数t a n 8 可以通过上式定义为 t a n 占( ) ：c , ( c o ) t + o o l e d o 2 - 3 4 6 ，) 2 2 3 实际应用中考虑的因素 在实际测量过程中，对于一个阶跃响应来说，其初始极化电流非常大并且变化的速 率很快频率高，这是我们仪器所测量不到的。为了能够将这一初始多变的电流考虑进来， 将式( 2 1 9 ) 中的第一项乘以相对介电常数的实部占，其在高频时将其主要作用。这样 公式2 1 9 被改写为： d ( f ) = 6 0 e e ( t ) + p ( f ) 2 - 3 5 为了方便起见下文中的公式把，简单记为g ，可以简称为相对介电常数。需要说明的是， 是一个与频率和温度都有关系的量，其不应被理解成真正的“常数”。对于各向同性介质 材料，电场强度e ( t ) 可以被看作是外施电压u ( t ) 作用产生的，由公式2 2 4 产生的电流i ( t ) 可以表示为： 砸m 融心警+ 珈叫m ，叫 ：琊 = c o 陋le om ，业a t 堋，+ 产孚m 胁 式中c o 为被测物的几何或者真空电容。 该式同样适用于由一系列绝缘介质材料串联或者并联组成的一个所谓的“黑匣子”的结 构。在这种情况下盯。、s ，和f ( t ) 代表的是整个被测系统的总的直流电导率，相对介电常 数和介质响应函数。 2 3 松弛电流 介质材料里面的极化作用过程不可能被直接测量，但是可以通过简单的方法来揭示 其内部随时间而变化的极化过程，即测量在施加一直流电压u c 后产生的松弛电流( 极化 去极化电流，充电放电电流，吸收释放电流) 4 6 1 4 7 】【4 8 】，如图2 3 所示。由式2 3 6 可推 导出在施加电压后从t - - o 时刻起的极化电流i 训的表达式为： “f ) = v , c o l 岛+ ，j 2 。7 根据叠加定理，将介质短路放电产生的去极化电流i d 。l 可以表示为： “( f ) = - u , c o l f ( t ) 一p + 互) 】 2 - 3 8 山东大学硕士学位论文 式中t c 为施加直流电压的充电时日j 。因为介质响应函数f ( t ) 为单调衰减函数，当充电时 日j t 。很大时式2 3 8 的第二项就可以被忽略。这样去极化电流与介质响应函数成币比关系。 u j i ，g t ) 、，- ， !丁 t c ，一 r 7i 卸d ( t ) 图2 3 松弛电流波形原理图 1 ) 复合电容 复合电容c ( a ) 作为表征介质电气性能的一项参数可以通过普通的测量电容仪器测量，它 与电流( ) 测量值与电压型( ) 测量值的关系可以表示为： i ( c o ) = i m c ( c o ) u ( c o ) 2 - 3 9 根据式2 3 2 它与相对介电常数之间的关系为： c o ) = c ) 一z c 。o ) = c o o ) 一 ”o ) + c r o e o c