变压器绝缘老化检测

1、 本科毕业论文（设计）本科毕业论文（设计）论文（设计）题目：论文（设计）题目：变压器绝缘老化检测学学 院：院：电气工程电气工程 专专 业：业：电子信息工程电子信息工程 班班 级：级：电信电信 061 学学 号：号：062002110169 学生姓名：学生姓名：熊福辉熊福辉 指导教师：指导教师：张张 均均 2010 年 5 月 15 日贵州大学本科毕业论文（设计）贵州大学本科毕业论文（设计）诚信责任书诚信责任书本人郑重声明：本人所呈交的毕业论文（设计），是在导师的指导下独立进行研究所完成。毕业论文（设计）中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。特此声明。论文（设计）作

2、者签名： 日 期： 贵州大学本科毕业论文(设计) 第 I 页目 录摘要.IVABSTRCT.V前言.1第一章 传感器的基础知识.22.1 传感器的定义.22.2 传感器的分类.22.2.1 按输入量分类.22.2.2 按测量原理分类.22.2.3 按结构型和物理型分类.22.3 传感器的基本组成.22.4 传感器的选择.32.5 传感器的发展方向.32.5.1 传感器的固态化.32.5.2 传感器的集成化和多功能化.42.5.3 传感器的图象化.42.5.4 传感器的智能化.4第二章 酒精浓度测试仪总体方案设计.52.1 酒精浓度测试仪实现功能.52.2 测试原理与电路原理方框图.52.2.1

3、 酒精浓度测试原理.52.2.2 原理方框图.6第三章 酒精浓度测试仪的硬件设计.73.1 主控制电路的硬件设计.73.1.1 AT89S52 简介.73.1.2 酒精传感器信号采样及处理电路.123.1.3 阈值保存及温度测试.163.1.4 矩阵键盘和 LCD1602 显示电路.163.2 语音播报及报警电路的硬件设计.19贵州大学本科毕业论文(设计) 第 II 页3.2.1 APR9600 简介.193.2.2 语音播报电路.233.2.3 音频放大电路.243.3 电源供电电路的硬件设计.253.3.1 电池或交直流电供电电路.253.3.2 电源自动关闭开关电路.263.3.3 电源

4、欠压报警电路.27第四章 酒精浓度测试仪的软件设计.284.1 软件系统各子程序.284.1.1 液晶显示程序设计.284.1.2 A/D 转换程序设计.284.1.3 报警程序设计.294.1.4 语音播报程序设计.304.1.5 矩阵键盘识别程序设计.304.2 系统总程序设计.32第五章 测试仪的 PCB 板设计制作.335.1 电路图的绘制.335.2 手工 PCB 板的制作.335.2.1 打印.335.2.2 转印.345.2.3 蚀刻.345.2.4 钻孔.34第六章 测试仪的元件安装与系统调试.366.1 元件的识辩与测试.366.2 元器件安装的基本要求与原则.366.2.1

5、 元器件的安装要求.366.2.2 元器件的安装原则.376.3 元器件的焊接.376.3.1 对焊点的基本要求.37贵州大学本科毕业论文(设计) 第 III 页6.3.2 焊接前的准备.376.3.3 焊接操作.386.4 系统调试与分析.386.4.1 硬件调试.396.4.2 软件调试.396.4.3 软、硬件联调.396.4.4 调试故障及原因分析.39结论及进一步设想.40参考文献.41致谢.42附录.43附录一 测试仪部分程序清单.43附录二 酒精测试仪总原理图.58附录三 酒精测试仪的 PCB 图.59附录四 元器件安装图.61贵州大学本科毕业论文(设计) 第 IV 页变压器绝缘

6、老化检测摘要变压器作为输变电技术中最为关键与昂贵的电力设备，其安全可靠性对于整个电力系统的稳定运行至关重要。但在不同负荷和实际运行条件下，电力变压器的绝缘会出现各种老化现象，导致其实际寿命并不等于铭牌寿命。研究变压器绝缘老化的监测与分析方法，以准确评估变压器的运行寿命，对发展电力设备的状态维修策略以及保证电力系统的安全、可靠与稳定运行，具有非常重要的应用价值和现实意义。本文详细分析了变压器固体绝缘和油老化的主要机理，结合绝缘纸聚合度测定、油中糠醛浓度分析和极化去极化电流分析等技术，提出对变压器运行寿命进行综合评估的分析方法。通过分析纤维素分解的物理过程与作用机制，建立了基于固体绝缘聚合度评估变

7、压器寿命的数学模型；通过分析纤维素分解生成糠醛溶于油的物理化学过程，建立糠醛生成量与聚合度值之间的函数关系，获得了应用油中糠醛浓度评估变压器运行寿命的分析方法。分别采用粘度法和高性能液相色谱分析法来测定固体绝缘聚合度和油中糠醛浓度，开展了大量的变压器绝缘检测试验研究，对试验中的技术细节问题提出了解决方案，并验证了所建分析模型的有效性。关键词：电力变压器，寿命评估，聚合度，糠醛浓度，极化去极化电流贵州大学本科毕业论文(设计) 第 V 页Detection of transformer insulation agingAbstractAs the most important and expens

8、ive facility in power transmission and distribution systems，power transformerS operational conditions render tremendous significance for reliability and stability of the power gridsHowever，under complicated loading and operating conditions，the actual life expectancy of a power transformer is not equ

9、al to the rated longevity shown in the nameplate due to insulation aging of multiple mechanismsHence，extensive investigation on the monitoringand analyzing technology as to accurately evaluate life expectancy of the power transformers，will present unique importance in developing condition-oriented m

10、aintenance strategy for power equipments as well as guaranteeing secure，reliable and stable operation of the power systemsWith detailed analysis on the physical degradation mechanisms of both solid insulation and oil，an integrated analyzing and evaluating scheme has been proposed by comprehensive ut

11、ilization of three effective methodo1ogies based on Measurement of the Degree of Polymerization，the Furfural Concentration Analysis as well as the Polarization and Depolarization Current AnalysisBased on elucidation of the physical process of cellulose decomposing，furfural producing and dissolving i

12、n oil，mathematical models to assess theremnant lifetime of a power transformer were established respectively through solid insulation degree of polymerization and furfural concentration in oilA lot of site tests were carried out with viscosimetry for the degree of polymerization measurement and high

13、 performance liquid chromatograph for the furfural concentration analysis，and some concrete measures were presented for test improvementsAlso，the effectiveness of above proposed mathematical models were in part verified by the test resultsKey words：Power transformer，Life assessment，Degree of polymer

14、ization，Furfural concentration，Polarization and depolarization current贵州大学本科毕业论文(设计) 第 1 页前言随着我国电网的不断发展壮大，其中较多变压器使用时间超过二十年，面临着日益严重的绝缘老化问题，也增加了发生事故的概率。因此，对固体绝缘老化特征产物和方法进行研究，对电网运行安全性有着重大意义。本文通过分析纤维素分解的物理过程与作用机制，建立了基于固体绝缘聚合度评估变压器寿命的数学模型；通过分析纤维素分解生成糠醛溶于油的物理化学过程，建立糠醛生成量与聚合度值之间的函数关系，获得了应用油中糠醛浓度评估变压器运行寿命的分

15、析方法。分别采用粘度法和高性能液相色谱分析法来测定固体绝缘聚合度和油中糠醛浓度，开展了大量的变压器绝缘检测试验研究，对试验中的技术细节问题提出了解决方案，并验证了所建分析模型的有效性。基于电介质极化理论，对极化去极化电流分析法中的公式进行了重新推导与修正，提出将电介质极化产生的瞬时位移极化电流作为重要的组成部分，从而使极化去极化电流的数学描述公式更全面地反映电介质极化的物理过程。开展了大量的极化去极化电流测量试验，分析了极化去极化电流曲线受温度及含水量等影响的变化规律。采用电介质响应函数来表征电介质的极化，将时域的极化过程变换到频域去计算；同时，采用最小二乘法对变压器主绝缘的等效模型参数进行计

16、算，实现了以等效电路模型对极化去极化电流曲线的数值模拟，并用此模型计算了变压器绝缘的介质损耗因数。针对不同负荷运行条件下的主变聚合度、油中糠醛浓度和极化去极化电流数据，采用相关性分析、方差分析、非参数假设验证等数理统计分析方法，获得变压器绝缘纸聚合度、油中糠醛浓度和固体绝缘直流电导率随运行年限变化的一般数值规律，以及各自随负荷变化的区域分布特性，并通过数学分析得到了绝缘纸聚合度与油中糠醛浓度之间的线性关系及其区域分布规律。综合上述几种变压器寿命评估方法之间的数量关系和应用特性，建立了变压器绝缘老化寿命的综合评估决策树，可提高寿命预测的准确性，并提出将寿命评估与故障率分析相结合以保证变压器运行可

17、靠性的新观点。贵州大学本科毕业论文(设计) 第 2 页第一章 绪论1.1 变压器老化寿命评估的意义近年来由于经济的快速增长，我国的电力需求也在迅速增长，2004 年至 2009年全社会用电量的增长率始终保持在 l 5左右。由于社会需求的不断增加，我国电力工业也保持着飞快的发展速度。据国家统计局报告显示，2009 年我国发电量总计36506 亿千瓦时，较上年增长 70；其中去年 l 2 月份发电 3498 亿千瓦时，较上年同期增长 259。随着电力工业的发展，对电力系统的安全运行和供电可靠性提出了更高的要求。电力变压器是电力系统最重要的设备，它的运行状况直接关系到系统的安全运行；它是电网中能量转

18、换、传输的核心，在电力系统中处于极其重要的地位。然而国内的变压器损坏事故却屡有发生，如 2005 年度国家电网公司系统的 11 0kV 及以上电压等级变压器共发生损坏事故 1 8 台次、事故容量为 1 8841 2MVAlll。单以电力变压器本身价格计算，进口的 250MVA500kV 变压器平均约为 l 33 万美元台，国产同规格的也达到 l 000 万元台左右 12。如果一台大型电力变压器在系统中运行时发生事故，可能会导致大面积停电，其检修期一般也需要半年左右。因此，由于电力变压器自身的昂贵造价以及其在电力系统中的重要地位，其发生事故所带来的直接间接损失将是非常巨大的。根据国内外的运行经验

19、，电压等级越高、容量越大，电力变压器的故障率一般也就越高，并且修复时间也就越长。所以，保证变压器的安全运行，对电力系统具有非常重大的意义。目前使用最广泛的电力变压器分为油浸式变压器和干式树脂变压器两种，其中油浸式变压器占电力系统中运行的变压器大多数。电力变压器的绝缘系统的安全可靠，是变压器正常工作和运行的基本条件，绝缘材料的寿命对变压器的使用寿命起决定作用。大量资料表明，大多变压器故障都是由于其绝缘性能劣化而引起的。变压器绝缘老化将导致变压器承受线路短路电流、过电压的能力下降，极易在线路遭受雷击等因素触发下发生内部放电，甚至造成绝缘击穿而发生故障，从而影响变压器的 J 下常运行。据统计，由于各

20、种类型的绝缘故障造成的事故约占全部变压器事故的 85以上。目前，我国电网中运行的部分变压器已接近或超过 30 年，其绝缘寿命己进入晚期，有的运转情况良好，有的已出现过很多事故。因此，如果能在电力变压器的运行过程中通过必要的监测和试验手段有效地确定其所处的绝缘寿命阶段，则可以在保证运行可贵州大学本科毕业论文(设计) 第 3 页靠性的前提下最大限度的利用其使用寿命，不仅能保证电力系统的安全稳定运行，同时还能节省开支。总而言之，研究变压器油纸绝缘老化，对其进行状态评估及剩余寿命预测是电力研究领域中的重要内容，它将成为进行合理运行维护的科学依据，是电力系统运行安全可靠性的重要保障，具有重要现实意义和学

21、术价值。1.2 变压器绝缘老化机理的研究 变压器的绝缘分为内绝缘和外绝缘：外绝缘指油箱以外的空气绝缘，内绝缘则包括套管绝缘、绕组绝缘、引线及分接线开关绝缘。内绝缘从结构上又分为纵绝缘和主绝缘。纵绝缘是指同一绕组的不同匝间、层间、段间、引线间、分接开关各部分间的绝缘，其主要绝缘材料为导线上的纸包带，匝间、段间的垫块及油道等。主绝缘则使用一种油纸屏障结构，由作为覆盖层缠在导线上的绝缘纸带、油道以及放在导体和接地体间油道中的绝缘纸板所构成。可见变压器中主要绝缘材料为油和纸，它们在长时间运行中由于受到电场、水分、温度、机械力等因素的作用会逐渐劣化，最后引起故障并导致变压器寿命的终结。由于变压器在运行中

22、其内绝缘受电、热、氧、湿度、振动等多因素的影响，其老化机理非常复杂，因此充分了解油纸绝缘的降解模式。及老化相关信息，对变压器的寿命评估及预测具有重大意义。1.2.1 固体绝缘结构及其老化原理固体纸绝缘是油浸变压器绝缘系统的最主要的组成部分，它包括：绝缘纸，绝缘垫，绝缘板，绝缘板和绝缘捆扎带等。变压器的固体纸绝缘属于纤维素绝缘材料，它是由大约 90的 -纤维素，1 0的半纤维素及极少量的木质素等构成。-纤维素是由约 2000 个葡萄糖单体（C6HI006）组成的长链状高聚物，其中约有 70的结晶部分和 30的无定型部分。半纤维素是葡萄糖单体少于 200 的聚合物(戊聚糖)，它是由一系列通过氢键与

23、纤维素纤维相结合的多糖构成，这种成分的少量存在会对机械强度有不利影响。木质素是一种复杂的酚类聚合物，分子量约为 1 1 000 左右，由肉桂醇立体聚合而成，其具体结构因来源不同而各异。绝缘纸的主要成分 a纤维素化学表达式为(C6Hl 005)。，式中 n 为聚合度。一般新纸的聚合度约为 l 300 左右；当 n 下降至 250 左右时，其机械强度已下降了一半以上；当葡萄糖单体聚合物的聚合度小于 200 时，就难以达到需要的机械及电气绝缘强度要求，因此极度老化贵州大学本科毕业论文(设计) 第 4 页导致绝缘纸寿命终止的聚合度应约为 150200。绝缘纸在老化过程中，其聚合度和抗拉强度将逐渐降低，

24、并生成水分、CO、C02、氢气等特征气体，以及糠醛(呋喃甲醛)等特征老化产物。这些老化产物大都对电气设备有害，会使绝缘纸的击穿场强和体积电阻率降低、抗拉强度下降、介损增大，它们有的甚至能够腐蚀设备中的金属材料。固体纸绝缘具有不可逆转的老化特性，由于老化造成的其机械和电气强度的降低都是不可恢复的。变压器的使用寿命主要取决于绝缘材料的寿命，因此油浸变压器的固体绝缘材料，既应该具有良好的电气绝缘性能和机械强度，并且应该在长时间运行过程中，这些性能保持较慢的下降速度，即具有良好的老化特性。(1)纸纤维材料的性能及老化降解过程。绝缘纸纤维材料是油浸变压器中最主要的绝缘材料，纸纤维是植物的基本固体组织成分

25、，材料中几乎没有自由电子，介质中极小的电导电流主要来自于离子电导。纤维素的分子结构式如图 11 所示。 图 11 纤维素的分子结构式式中环与环之间由苷键一 O连接，而在每六节环上均有一个氧原子，三个羟基，而且是不对称的，因此纤维素的极性比较强，很高，分子问力大，机械强度高。由于三个羟基的存在，使纤维素大分子内部和大分子间都可以生成氢键，使许多纤维素大分子链聚集成纤维束，从而形成了薄壁中空的管状结构，所以纤维材料易吸水和易被其他物质填充，同时容易受到破坏。在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

26、能。极性的纤维素不但易于吸潮(水分是强极性介质)，而且当纸纤维吸水后，使羟基之间的相互作用力变弱，在纤维结构不稳定的条件下其机械强度将加速下降。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浸绝缘漆后才能使用。为了降低纤维素纸的吸水性，可用冰醋酸或乙酸酐将纤维素乙酰化，即将纤维素中的羟基酯化成乙酸酯，从而使吸水性强的羟基可达 50被乙酰化，大大降低了吸水量。贵州大学本科毕业论文(设计) 第 5 页变压器的纸绝缘在热的作用下，将会发生分子裂解反应，即热降解反应。温度升高时反应加速，加之水解和氧化的作用，使绝缘材料加剧分解。运行中的变压器纸绝缘的热解降解、水解降解和氧化降解三种反应是同时存在

27、的，这三种降解反应的机理如下：(a)水解降解：纤维素是由许多葡萄糖基(C6Hl 005)借 1-4 苷键连接起来的大分子，1-4 苷键受到酸性水溶液和高温、水的作用而不稳定，容易断裂从而发生水解反应；即水分子透过纤维素的长分子之间，与相邻的两个葡萄糖环的氧发生反应，形成两个一 OH 基，使聚合物分离为两部分。每次分裂都要消耗一个水分子。油纸氧化所产生的酸是水解作用的催化剂。因此绝缘纤维材料中所含水分越多，纤维素的水解速度就越快。而且由于纤维素的羟基存在，其对水的亲和力远大于油，有试验证明，纤维素的老化速度和初始水含量成正比。纤维素水解反应可表示如图 12 所示。图 12 纤维素水解反应（2）热

28、解降解：热解反应使纤维素分子链发生坏或断裂，而开环或断裂都可以在纤维素的任何部位发生反应。热解也可能只发生在分子链的尾端，把最后一个环链解开，从而产生 CO 和 C02 等气体及糠醛及其他呋喃衍生物等液体，甚至产生固态碳。相关实验证明，纤维素的水解反应，至少在温度接近 200C 时仍然不会产生大量烃类气体，但 CO 和 C02 的量增加较快，这就是有些变压器在低温过热故障时总烃变化不大的原因。（C）氧化降解：由于纤维素纸的葡萄糖环碳原子上含有伯醇基，它的化学性质非常活跃，氧可能侵袭第六位 C 原子变成醛基，其反应式如图 1.3 所示。 贵州大学本科毕业论文(设计) 第 6 页（a）氧化反应式

29、（b）纤维素链断裂位位置图图 1.3 纤维素氧化降解反应式醛基再氧化而成羧基，由于其同分异构化，在葡萄糖苷碳上产生双键。于是葡萄糖苷碳键就会变得很不牢固，容易发生水解。羧基发生水解时纤维素链在 a-b 处断裂，如图 13(b)所示，因此伯醇基的氧化归根到底是纤维素链发生水解。(2)纸绝缘材料机械强度及老化影响因素。油浸变压器选择纸绝缘材料最重要的原因，除了纸的纤维成分、密度、渗透性和均匀性以外；还包括机械强度的要求：耐张强度、冲压强度、撕裂强度和坚韧性。纤维素除了水解、受热分解和氧化外，电场强度、酸度以及机械应力对纤维素也有很大的破坏作用。有研究表明，电场作用会是绝缘内部微小缺陷产生局部放电积

30、累，产生大量电子及氧的等离子体，攻击CH、C=C 或 C-C 致使其打开从而破坏高分子链。另外，电场作用可加速油降解产生酸性物质沉积在绝缘纸表面，进一步加速绝缘纸破坏。由于水的强极性，易于高场强区聚集，形成导电通道，导致变压器发生故障的概率大大增加。另外，固体绝缘含水量增加，会增加损耗和漏电流，使变压器运行温度升高，加速绝缘老化 f20。纸纤维材料在运行及维护过程中，应注意控制变压器负荷，并注意运行在空气流通、散热条件好、干燥的环境中，以及防止变压器温升超标和箱体缺油。还需要防止油质污染、劣化等造成纤维的老化加速，造成对变压器绝缘性能、使用寿命和安全运行的损害。(3)纸纤维材料机械性能下降的物

31、理过程。以下三个过程同时发生，相互影响，共同造成绝缘材料机械性能下降直至产生故障。1)纤维脆裂：除老化外，当由于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。由于纸材料的脆化剥落，它在机械振动、电动应力、操作波等冲击力的影响下可能会产生绝缘故障而造成电气事故。2)纤维材料机械强度的下降：纤维材料的机械强度随受热时间的增加而逐渐下降。当过度受热造成绝缘材料中水分再次排出时，绝缘电阻值可能会有所增加，但更重要的是其机械强度将会大大下降，短路电流或冲击负荷等机械力将会对绝缘结构造成更大破坏。贵州大学本科毕业论文(设计) 第 7 页3)纤维材料本身的收缩：纸纤维材料在脆化后收缩，使绕组之间的夹

32、紧力下降，并可能造成收缩移动，使变压器绕组在电磁振动或冲击电压下移位摩擦而造成绝缘损伤。1.2.2 2 液体绝缘老化特性油浸变压器于 l 887 年由美国人汤姆逊发明，1 892 年被通用电气公司等推广使用作为电力变压器，这里所用的液体绝缘即变压器绝缘油。采用液体油绝缘的变压器具有以下优点：1)大大提高了绝缘强度，缩短了绝缘距离，减小了设备体积；2)大大提高了变压器散热效果，提高了导线的电流密度上限，减轻了设备重量。3)油浸对变压器内部某些零部件和组件起到了保护作用，减缓了其氧化速度，延长了使用寿命。变压器油主要是由许多不同分子量的碳氢化合物组成的混合物，基本以烷烃、环烷烃以及少量芳香烃为主，

33、其中环烷烃占总量的 80左右。环烷烃由于其封闭的环状结构而具有稳定的化学性质和介电性能，凝固点低、介损小且介电强度高，但抗氧化性较差。烷烃虽然介电稳定性和化学性能较好，但在电场作用下易析出气体，且低温时易凝固，所以只能保持少量比例。相反，芳香烃不但化学和介电稳定性良好，而且具有抗析气性，可以和烷烃配合使用；不过由于其高含碳量，使芳香烃在电弧作用下易产生碳粒，且流动性较差、介损较大，不能过多使用。变压器在正常运行温度下，油不会产生热分解。油的老化虽与温度有关，但主要是由于氧化导致，并以铜作为催化剂。实际上，对于无法与氧气完全隔离的油纸绝缘设备，即使长期不运行，也同样存在老化问题。油吸收氧气，在水

34、分、温度的作用下使老化加速，生成醇、醛、酮等氧化物及酸性化合物，最终析出油泥。油氧化反应后形成少量的 CO 和 C02，随着气体的积累，CO 和 C02 将成为油中气体的主要成分，还有少量 H2 和一些低分子的烃类气体。烃类气体的迅速增加是在非 J 下常的油温(有故障)下产生的。电或热故障可以使某些 CH 键和 CC 键断裂，伴随生成少量活泼的氢原子和不稳定的碳氢化合物自由基，这些氢原子或自由基通过复杂的化学反应迅速重新化合，形成氢气和低分子烃类气体(如甲烷、乙烷、乙烯、乙炔等)，随着不同故障能量和时间的作用也可能生成碳氢聚合物(X蜡)及固体炭粒。变压器油质劣化主要指油质变坏，按其轻重程度可分

35、为污染和劣化两个阶段。污染是油中混入水分和杂质，这些不是变压器油的氧化产物，污染使油的绝缘性能贵州大学本科毕业论文(设计) 第 8 页变坏：击穿场强降低，介损增大。劣化则是变压器油氧化后的结果，这种氧化不仅指纯净油中烃类的氧化，并且油中的杂质(铜、铁、铝金属粉屑等)将加速氧化。氧气的主要来源是变压器内的空气，即使全密封的变压器内部仍会存在容积为025左右的氧，氧气在油中的溶解度较高，占油中溶解气体的较大比例。变压器油在氧化过程中，水分作为催化剂、热量作为加速剂，使变压器油生成油泥，其影响主要表现在：由于电场作用大的沉淀物粒子将会集中在电场最强的区域，在变压器内部形成导电“桥”：沉淀物由于电场作

36、用形成细长条状，并按电力线方向排列，这样既阻碍了散热，加速了绝缘材料的老化，也导致绝缘水平的下降。油的氧化主要有两个反应条件，其一是变压器油呈酸性。其二是油中溶解的氧化物反应生成不溶于油的化合物。不同条件的老化反应生成不同的特征故障气体成分，现在的变压器故障诊断主要以此为判据。根据试验经验，目前研究的变压器油主要故障类型及对应故障气体如表 11。表 11 不同故障主要特征气体成分表综上所述，掌握电力变压器的绝缘老化机理及进行合理的运行维护，直接影响到变压器的安全运行、使用寿命和供电可靠性。作为研究人员必须了解和掌握电力变压器的绝缘结构、材料性能、工艺质量及老化反应过程，并搜寻其老化特征和变化规

37、律，才能对变压器绝缘寿命进行科学准确的评估。1.3 变压器绝缘寿命评估的研究现状目前用于变压器的老化寿命评估与故障诊断方法有很多种，从国内外的研究现状来看主要分为两大类：油的化学电气检测和固体绝缘的结构及电气检测。油的化贵州大学本科毕业论文(设计) 第 9 页学电气检测主要包括液相色谱法(HPLC)、溶解气体分析(DGA)、油的相关特性的检测等；固体绝缘的检测包括恢复电压(RVM)、极化去极化电流检测(PDC)和聚合度(DP)分析等。1.3.1 液体绝缘的化学及电气检测方法前文已论述过，油纸绝缘具有良好的电气性能，以及稳定的化学和物理特性，但这种油纸绝缘系统在运行过程中会逐渐老化分解。其中所含

38、的水分加速纸的老化，而老化产物中又包含水分，反过来继续加速纸的老化：同时由于不同程度的局部放电以及机械应力产生的振动进一步破坏绝缘纸机械性能。在实际运行中，以上过程都是同时进行的。变压器油的老化分析主要针对以下几方面的特性进行分析：颜色外观、微水含量、溶解气体、击穿电压、介质损耗系数、酸值和界面张力。一般情况下，通过观察油的外观明暗度就可以判断出其氧化(老化)程度。将油的外观颜色与一组标准颜色表进行对照，便可以简单判断油老化程度IS02049，1 996。油中微水含量由 Karl Fischer 滴定法来进行检测，参照标准IEC6081 4，1 997。油的工频击穿电压和介质损耗因数 tan8

39、 两个参数可用来判断油质好坏，但无法用来预测其老化趋势。油的酸值测量可通过酸碱中和滴定试验来实现，即确定用于中和 1 g 油样所需KOH 的重量(单位为 mg KOHg)。该方法可以测出油样中无机酸的含量，并由此来推断油的氧化程度，关于新油和运行中油所需的中和量参照IEC 60296，1982；IEC 60247，1978。界面张力对早期的老化非常敏感，但是会随着其它绝缘性能的不断劣化而逐渐减小。以上几种试验方法用于检测和判断正常情况下的满负荷运行的变压器中的油质的老化情况，跟固体绝缘的老化情况联系不够直接，容易受多种因素的影响，用于变压器寿命的评估不够准确。溶解气体分析(DGA)主要通过确定

40、油中分解产生的不同气体如氢气、CO、C02、甲烷及其它碳氢化合物的浓度及速率，进行分析以诊断变压器中故障点和异常现象点如热点、不良接触点、电弧和局部放电等，即故障特征气体法。但特征气体组分含量只反应了故障点引起的变压器油、纸绝缘的热分解本质，并没有反应出气体组分的相对浓度与温度之间存在的相互依赖关系。因此，经过不断总结和改良，IEC贵州大学本科毕业论文(设计) 第 10 页相继推出三比值法及改良的三比值法；并且，许多研究人员还提出了四比值法、TD图法、无编码比值法等方法。近年来，神经网络、模糊数学、专家系统等先进的数学方法也相继被引入到了油中溶解气体分析中。油中溶解气体分析，在变压器故障检测领

41、域，其应用将会越来广泛。油中糠醛分析用于测量油中纤维素分解产生的呋喃化合物。油中糠醛分析的主要方法有高性能液相色谱法(HPLC)和分光光度计法，其中 HPLC 法具有更高的精确度和灵敏度。油中糠醛含量分析，其最大的优势就是它是变压器固体绝缘老化的直接产物，由纤维素热分解产生；与其他产物相比，它的来源最为单一，与老化的对应关系最为直接，受其他产物的影响小，最容易最直接反映了固体绝缘的老化程度，因此其对于变压器寿命评估最为直接准确。油中微水含量也是判断油性能的重要指标，因为水的极性很强，对变压器的绝缘性能影响很大，被称为变压器绝缘的“头号杀手”，因此对变压器内水含量的分析也需格外重视。水分分布于空

42、气、油和绝缘纸之间，当达到溶解平衡时，在每种介质中的相对饱和程度是相同的。水在油中的溶解度随油的类型变化，油中芳香烃含量越高，水的溶解度就越高。温度对溶解度的影响也非常明显：在 20时，单位体积的油可吸收 401 0-6mm3 水分；而在 80时，则可吸收 400 x l 0 一。因此，在抽取油样时一定要记录变压器油温。有研究证明，水分按照每种介质的相对饱和值分布在空气、油和纸中，但绝缘纸比油具有更强的吸水能力。测量油中微水含量除了 Karl Fischer 滴定法外，Oomen 利用薄片电容湿度传感器直接获取变压器油中的微水含量，利用近红外光谱对油浸绝缘纸中的微水含量进行了研究，还有许多通过

43、极化的方法也可以用于油纸绝缘系统的微水分析。1.3.2 固体绝缘检测方法目前用于直接对变压器固体绝缘进行检测并判断其绝缘状态的试验方法，主要是一些离线及在线电气量的测量，测量的量包括：直流电阻、极化指数、介质损耗因数、局部放电等；还有需要取样的就是聚合度检测法。通过绝缘纸聚合度判断变压器老化，主要利用纸纤维的聚合度与抗拉强度的对应关系，被公认为是判断变压器绝缘老化的直接指标。利用绝缘纸聚合度判断变压器老化，判断准确度最高最直接，同时也可以反映出其他检测方法的优劣，因此将它与其他检测方法综合，不可缺少。贵州大学本科毕业论文(设计) 第 11 页通过测量直流电阻来评估电力器件绝缘状态是比较古老的一

44、种方法，但确定其真实的直流电阻值却比较困难，因为当对绝缘器件施加直流电压后产生的直流电流由一系列非线性衰减的电流叠加而成，如图 14 所示。流过绝缘介质的电流随着时间的增加而逐渐减小，并逐渐趋于一个稳定值；此电流是由位移电流、吸收电流及泄漏电流 h(t)三种电流共同叠加而成。绝缘性能良好的变压器，其直流电阻值只有在几个小时之后才能准确测出。因此在实际应用中通常采用一定时间的电阻值来作为判断的依据，如 1 分钟或 1 O 分钟时的电阻值。极化指数是 1 分钟与 1 0 分钟的极化电流的比值，它的倒数即 l 0 分钟与 1 分钟的极化电流比值即为绝缘直流电阻，其值会随着变压器绝缘材料的老化而变化。

45、如果去除变压器结构的影响，可以使用直流电阻(电导)率来建立与变压器绝缘材料老化性能的联系。直流电阻(电导)率的值会随变压器运行时间的增大而减小(增大)，可以直接反映出变压器绝缘的老化程度。 图 1-4 绝缘介质直流电阻电流综上所述，使用绝缘纸聚合度判断变压器老化，其效果最为直接和准确，但是它受到采样的影响很大，不同的采样点得出的结果都不一样，因此需要和其他检测方法综合进行检测。油中糠醛含量作为纤维素分解的直接产物，与绝缘纸聚合度有着最为直接的关系，且生成的糠醛溶于油在油中均匀分布，只需对油采样就可以推算变压器寿命。因此，将油中糠醛含量测定和聚合度测定接合起来进行寿命评估效果最佳。同时，极化去极

46、化电流法具有无损耗、不需要采样、试验简单易行等优点，贵州大学本科毕业论文(设计) 第 12 页通过极化去极化电流曲线可以计算出变压器固体绝缘直流电导率，从而建立了极化去极化电流和变压器老化寿命的联系，是一种非常理想的快速评估寿命方法。将这三种方法结合，可以各取所长，以适应不同的变压器条件。同时，含水量分析、油中溶解气体分析和局部放电检测法，也从不同角度反映了变压器寿命，并在变压器故障诊断研究中有着广泛应用。将故障诊断与寿命评估有机的结合起来，在保证可靠性的基础上评估变压器寿命，使其更加科学全面。2.5.1 传感器的固态化物理型传感器亦称为固态传感器，目前发展很快。它包括半导体，电介质和强磁性体

47、三类。其中半导体传感器的发展最引人注目。它不仅灵敏度高，响应速度快，小型轻量，而且便于实现传感器的集成化和多能化。如目前最先进的固态传感器，在一块芯片上可同时集成差压，静压，温度三个传感器，使差压传感器具有温度和压力补偿功能。2.5.2 传感器的集成化和多功能化随着传感器的应用领域不断扩大，借助半导体的蒸镀技术，扩散技术，光刻技术，精密细微加工及组装技术等，使传感器从单个元件，单一功能向集成化，就是将敏感元件，信息处理或转换单元以及电源等部分利用半导体技术将其制作在同一芯片，如集成压力传感器，集成温度传感器，集成磁敏传感器等。多功能化则意味着传感器具有多种参数的测试功能，如半导体温度湿敏传感器

48、，多功能气体传感器等。1.4 本文主要研究内容针对现有变压器绝缘老化诊断方法的特点，本文主要完成如下工作：l、分别针对绝缘纸聚合度检测法(DP)、油中糠醛含量的高性能液相色谱分析法(HPLC)以及极化去极化电流法(PDC)，分析其测量原理，并对其中的缺陷进行相应修正：增加极化去极化电流形成过程中的瞬时位移极化电流分量等，以及提出试验中技术细节问题的解决方案，以保证检测的正确性与所得结果的准确性。2、研究绝缘纸纤维老化并生成糠醛溶于油的反应机理，分别针对绝缘纸聚合度、油中糠醛浓度以及固体绝缘直流电导率与变压器运行时间的关系进行分析，建立变压器寿命评估的数学模型及分析其受温度、水分等因素影响的变化

49、规律。贵州大学本科毕业论文(设计) 第 13 页3、分析极化去极化电流曲线，建立等效电路模型以实现对极化去极化电流曲线的模拟，并使用此模型计算表征变压器绝缘特性的介质损耗系数、复合电容值等参数。4、根据聚合度检测法(DP)、高性能液相色谱分析法(HPLC)以及极化去极化电流法(PDC)相关实验数据，对结果进行数学分析，得出相关参数随运行年限变化的数值规律以及各自随负荷变化的区域分布规律，从而得到变压器寿命的判断公式，为综合三种方法对变压器寿命进行全面评估奠定基础。5、分析聚合度检测法(DP)、高性能液相色谱分析法(HPLC)以及极化去极化电流法(PDC)三种方法之间的关系并对其进行综合，结合含

50、水量分析、油中溶解气体分析等其他寿命评估和故障诊断方法，提出一套变压器寿命多参数综合评估的方案。贵州大学本科毕业论文(设计) 第 14 页第二章 缘纸聚合度检测试验研究与变压器寿命分析变压器绝缘纸聚合度，作为变压器绝缘老化性能的最直接反映，与变压器绝缘的老化进程有着明显的对应关系；并且由于变压器老化产生的最显著影响在于绝缘机械性能的下降，而绝缘纸聚合度对其也有着明显的对应关系，因此将绝缘纸聚合度作为变压器表征老化的特征量最为理想。本章基于绝缘纸老化的机理，研究聚合度随变压器运行时间变化的数学模型，并进行大量的聚合度测定试验，通过分析试验结果来研究其与变压器老化的相互关系。2.1 绝缘纸老化主要

51、因素分析从可靠性角度看，绝缘纸和绝缘油是变压器主要部件中比较脆弱的部分。根据国内外研究表明，绝缘纸是可靠性最差的部件；因此对进行变压器寿命评估，主要是要对绝缘纸的老化寿命进行研究。绝缘纸的主要成分是 a纤维素，一条纤维素聚合链中所包含的葡萄糖单体的平均个数称为绝缘纸的聚合度(degree of polymerization，DP)，绝缘纸的老化过程就是纤维素分子链由长链变短的过程，也就是 DP 值下降的过程，水、氧气、温度 3 个因素在这一过程中起到了关键作用，在上一章中已作过介绍。a水的作用。如前所述，纸的老化速率与纸中初始水含量直接成 J 下比。油中的水含量和绝缘纸中的水含量在达到平衡时基

52、本成正比，其比值与温度有关。由于纸中水含量测量比较困难，而油中水含量则易于测量，因此可通过油中水含量来推算纸中水含量。b氧化作用。氧与绝缘纸的反应最终结果是将纤维素水解，因此可以归入水含量的影响中来考虑。c温度效果。Dakin 发现，在化学反应机理不变时，任何化学量乃至某些物理量的改变和温度的关系都服从化学反应速率的 Arrhenius 公式：Ko=A exp（BT）。式中：Ko 为化学反应速率；T 为绝对温度；A，B 为常数。在变压器绝缘材料老化的过程中 B 基本保持不变，研究人员根据实验测定，B 的值为 1 5000 左右。2.2绝缘纸聚合度的测定方法研究2.2.1DP 值测定原理贵州大学

53、本科毕业论文(设计) 第 15 页乙二胺分子式为 NH2 一 CH2 一 CH2 一 NH2，如图 21 所示，它易与 Cu2+配位生成铜乙二胺螯合物。该螯合物为+2 价，具有氧化性，可以打断高分子链(R)。中基团之间的链；分解后生成的小分子可溶于铜乙二胺溶液，使其粘度增加。研究人员对溶液的粘度与纸纤维的聚合度 DP 值之间的关系做了大量的研究工作，得出了经验公式并绘制了表格。因此只需要测出溶液的粘度，便可以利用表格计算出纸样的 DP 值来。 图 21 NH2 一 CH2 一 CH2 一 NH2 结构2.2.2 DP 值测定实验方法溶液在流动时，某一液层与相邻层发生相对运动而产生内摩擦，阻碍了

54、彼此之间的相对运动，这种与内摩擦流速有关的比例系数就称为粘度。纸纤维是由长管状的纤维素构成，纤维素是一种天然高分子化合物，而纸是由各种聚合度不同的纤维素所构成的混合物；因而通过试验所测定的聚合度只可能是平均聚合度。用搅拌粉碎器将具有一定老化程度的待测纸纤维样品粉碎制成纸浆，风干后成为纸屑，装入干净的玻璃瓶中。风干后的纸屑仍含有一定的水分，绝干率用来表示固体含水量的多少；利用电子分析天平称取纸屑的质量，然后放入烘箱内干燥 24h，重新称其质量，并计算绝干率。需要注意的是，在干燥过程中，需要对烘箱抽真空使其真空度达到O085MP，然后通入高纯度氮气保护，这样确保了纤维素不会在烘箱的高温下发生氧化断

55、链，保证试验结果的严密性。本文对济南局朱庄站的 1 号主变采样，经测量计算得进行氮气保护的样品聚合度为 488；未经保护的为 485，部分纤维素发生断链，因此需要在试验过程中加以注意。然后根据待测纸屑粘度的估计值，查表后取定量纸屑并称质量；将纸屑放入溶解瓶中。用移液管取一定量的铜乙二胺和等量蒸馏水溶液，排除残留气体，反复振荡，使纸屑完全溶解，形成纸浆铜乙二胺溶液。贵州大学本科毕业论文(设计) 第 16 页由于变压器在运行中空气可以通过纸与导体的间隙进入内层，使内层的氧化程度加大，老化严重，而中间层则与氧气接触机会较少，老化程度较低；所以使用多层纸取样求其平均值比使用单层纸取样更一具科学性和全面

56、性。2.3 研究的深入方向本章所建立的老化模型是以假定纤维素均匀断链为前提的，而实际运行的变压器绝缘由于温度、杂质等的影响，纤维素的断链速度应该是一个不断加速的过程；在运行年限较长、老化程度深的变压器上表现得尤为明显。Emsley 等发现，当绝缘纸 DP 降低到 200 以下时，其对数值与老化时间会偏离线性关系。因此，应当对其加上一个适用范围，并补充在深度老化情况下的寿命评估模型使其更完善。其次，对一台变压器而言，取纸样部位不同，其聚合度的数值也不同。正因为聚合度具有一定的分散性，所以要求在变压器上、下部多个点分别取样，以获得平均聚合度。而这些点的绝缘效果对变压器总体绝缘的影响也各不相同，因此

57、所得的平均聚合度应当是一个加权平均聚合度。而由于使用的是热老化模型，则变压器各个部位发热的不均匀，是导致这些点聚合度各不相同的主要原因，因此所得的平均聚合度应是一个温度加权平均聚合度。对此，可以常年监测变压器某些特定点的温度情况，结合阿仑尼乌斯公式(2-2 1)，给出合适的权，对所得聚合度结果进行加权平均。ln(KA)=一 ERT (2-21)式中 T 为温度，K 为反应速率，E 为反应的活化能，A 为指前因子，R 是摩尔气体常数。由于目前取得的变压器样本有限，以上结论尚需进一步取样以给出实验结果支持。进一步研究所需要做的工作有：找到大量深度老化变压器样本进行试验，可对公式(21 2)在深度老

58、化情况下进行修订。o 同时利用一台有代表性的变压器，监测其特定部位的温度，为对结果进行加权平均奠定基础。2.4 小结本章通过分析纤维素分解的详细过程，借鉴绝缘材料的热老化模型，建立了使用固体绝缘聚合度评估变压器寿命的数学模型：In=lnln(DpoF)1nA1nCo+BT，该模型不但反映了变压器固体绝缘的老化寿命，而且得出了温度及初始水含量对变压器寿命的影响规律。贵州大学本科毕业论文(设计) 第 17 页在此基础上，开展了大量聚合度测定试验工作，即使用粘度测定法测定绝缘纸的聚合度。本章详细阐述了试验过程中的注意事项，尤其是容易被人们忽视的在干燥过程中的氮气保护；然后对试验所得数据与变压器运行年

59、限的关系进行了数学分析，得出了变压器绝缘材料聚合度与运行年限之间的数值关系：lnDp=62729670036l 9T，以及其随变压器负荷变化的区域分布关系，划分了正常老化区、非正常老化区以及缓和老化区，为提出准确、有效的变压器绝缘寿命综合评估方案奠定了理论基础和技术依据。在本章最后提出了对聚合度分析方法需要进一步研究的方向。实际运行经验与分析表明，绝缘纸聚合度与变压器绝缘老化性能的对应关系最为直接，用其进行寿命评估最为准确；并且可以发挥采样法的优势，寻找变压器绝缘的老化薄弱点，得出变压器的最低剩余使用寿命。但由于在对固体绝缘取样时为了尽量避免破坏绝缘层，只能取其外层纸样，而内外层的受热及氧化程

60、度不同导致聚合度并不完全一致；且采样只能得到点的老化数据，对变压器整体老化程度的反映不一定完全准确，所以单靠聚合度判别是不能全面反映绝缘寿命的。如果将其与油中糠醛浓度检测法相结合，即可以发挥糠醛含量检测法反映整体绝缘寿命的优点；又可以发挥聚合度检测法采样的优势，这样分析所得的变压器寿命更加科学全面。贵州大学本科毕业论文(设计) 第 18 页第三章 化去极化电流模型优化及变压器寿命分布研究极化去极化电流分析法是通过对变压器绝缘施加直流电压，由于绝缘材料的介电性能，产生逐渐衰减的极化去极化电流，这条电流曲线可以反映出许多绝缘内部信息。通过对极化去极化电流曲线进行计算可以得出变压器固体绝缘直流电导率