(高清版)GBT 1094.14-2022 电力变压器 第14部分：采用高温绝缘材料的液浸式电力变压器

电力变压器第14部分：采用高温(IEC60076-14:2013国家市场监督管理总局国家标准化管理委员会I Ⅲ V 1 1 2 45温升限值 96部件和材料 7设计时的特殊考虑 8需要的信息 9铭牌及补充信息 附录A(资料性)绝缘材料 附录B(资料性)温度的快速上升与气泡生成 26附录C(资料性)酯类绝缘液体和纤维素 29附录D(规范性)绝缘系统代码编制 45 图1半混合绝缘绕组示例 6 7 8图4高温绝缘绕组示例 9 图A.1耐热试验图例 图B.1气泡生成的温度曲线 27图C.1热改性纸在矿物油和天然酯液体中的老化后抗拉强度结果 图C.2热改性纸在矿物油和天然酯绝缘液体中热老化后抗拉强度复合结果 图C.3热改性纸在矿物油和天然酯绝缘液体中热老化后聚合度结果 图C.4热改性纸在矿物油和天然酯绝缘液体中热老化后聚合度复合结果 图C.5牛皮纸在矿物油和天然酯绝缘液体中热老化后抗拉强度结果 图C.6牛皮纸在矿物油和天然酯绝缘液体中热老化后抗拉强度复合结果 Ⅱ图C.7牛皮纸在矿物油和天然酯绝缘液体中热老化后聚合度结果 图C.8牛皮纸在矿物油和天然酯绝缘液体中热老化后聚合度复合结果 图C.9牛皮纸在110℃的液体中老化175天的红外光谱图 图C.10热改性纸的热老化单位寿命曲线(最小二乘法拟合) 40图C.11牛皮纸的热老化单位寿命曲线(最小二乘法拟合) 41表1绝缘系统首选耐热等级 4表2不同绝缘系统(绕组)的比较 5 表5混合绝缘系统变压器最大过载温度建议值 表6高温绝缘系统变压器最大过载温度建议值 表A.1固体绝缘材料的典型性能参数 23 24表C.1水溶解度极限对纤维素水分含量减少的影响 表C.2热老化结果对比 40表C.3酯/纤维素纸绝缘系统的最大温升 41表C.4酯/纤维素纸绝缘系统的最高过载温度限值建议值 41Ⅲ 第1部分：总则： 第2部分：液浸式变压器的温升 第10部分：声级测定： 第11部分：干式变压器 第14部分：采用高温绝缘材料的液浸式电力变压器 第16部分：风力发电用变压器； 第18部分：频率响应测量 第23部分：直流偏磁抑制装置。 章和第6章); 将均匀高温绝缘系统改为了高温绝缘系统(见第4章和第5章，2011年版的第5章和第6 对绝缘系统示例图进行了修改(见第4章，2011年版的第5章) 年版的第6章和第8章)。 MIEC60076-2、GB/T1094.5代替了IEC60076-5、GB/T1094.16代替了IEC60076-16、GB2536代替了IEC60296、GB/T4109代替了IEC60137、GB/T10230.1代替了IEC60214-1、GB/T18494.1代替了IEC61378-1、GB/T18494.2代替了IEC61378-2、●增加引用了NB/T10199; ——删除了3.6中的注2;——将图A.1说明中的R₂=0.9835更正为R²=0.9835; 将表A.2的数据用GB/Z1094. 删除了A.5第2段第1句话“IEC61100提供了按照燃点和热值对绝缘液体进行分类的规 ——对参考文献进行了调整，删除了在正文未被引用的文件，将IEC 本次为第一次修订。V选择、产品设计、产品生产、产品检验、产品选用及运行维护等方面所需的注意事项提供指导。 V本文件对采用高温绝缘材料的液浸式变压器进行了标准化规定。作为一个系统，固体绝缘包括广1 GB/T1094.1电力变压器第1部分：总则(GB/T1094.1—2013,IEC60076-1:2011,MOD)GB/T1094.2电力变压器第2部分：液浸式变压器的温升(GB/T1094.2—2013,IEC60076-2:GB/T1094.5电力变压器第5部分：承受短路的能力(GB/T1094.5—2008,IEC60076-5:GB/T1094.16电力变压器第16部分：风力发电用变压器(GB/T1094.16—2013,IECGB2536电工流体变压器和开关用的未使用过的矿物绝缘油(GB2536—2011,IEC60296:GB/T4109交流电压高于1000V的绝缘GB/T10230.1分接开关第1部分：性能要求和试验方法(GB/T10230.1—2019,IEC60241-1:GB/T18494.1变流变压器第1部分：工业用变流变压器(GB/T18494.1—2014,IEC61378-1:GB/T18494.2变流变压器第2部分：高压直流输电用换流变压器(GB/T18494.2—2022,IEC/IEEE60076-572NB/T10199电工流体变压器及类似电气设备用未使用过的天然酯(NB/T10199—2019,IEC62770:2013,MOD)34耐受在其预计寿命期间所出现的电气、机械和热应力。在空气中开展的试验程序所决定的固体绝缘和描述了固体和液体组合绝缘的评定方法，根据该方法求出热指数以确定耐热等级。经制造方与用户一致同意，允许通过运行经验或其他合适的试验程序验证耐热等级。绝缘系统首选的耐热等级和相关热点温度见表1。更多的耐热评定方法详见GB/T11021。由于绝缘系统的老化和寿命时间与温度有很大关联，因此在一个单元内将各种具有不同耐热能力缘材料的含量定义了三种不同的绝缘系统。常规绝缘系统是参考依据，其不包含高温绝缘材料。此系虽然采用带有绕组幅向垫块的芯式电力变压器为典型示例说明不同绝缘系统，但应用范围不局限于此类型的变压器。所描述的每类绝缘系统均作为定义的例证，但此描述适用于任何其他种类的具有与高压绕组的绕组类型。表2总结并对比了不同绕组/绝缘系统类型。当设计恰当的冷却通道将材料与绕组本身分离时，应将各绕组间的绝缘隔板视为独立的个体。在5绝缘应与绕组导线绝缘的布置方式一致。应进行充分的测试以验证温度分布。在原型测试和单元测试时应在关键(临表2总结了区分不同类型绕组的关键属性。这些相似属性也定义了相应的绝缘系统。高温绝缘系统绝缘部件的类型常规(C)或高温(H)HCHHHCCHHCCCCH常规(C)或高温(H)CCCCHCHCHHCHHHH·本表仅列出变压器基础部件，其他部件的温度取决于温度分布的结由于所有变压器内均存在温度梯度，因此在一些维持常规温度的部位使用常规绝缘是允许的。半混合绝缘绕组是指仅在绕组导线上采用高温绝缘材料，层式绕组6铁芯图1半混合绝缘绕组示例局部混合绝缘绕组是指某些绝缘部件或部分绕组采用高温绝缘材料，如绕组导线热点温度高于常规限值的区域。但多数固体绝缘采用了常规绝缘材料。当绕组局部热点温度超过常规热点温度时，其绕组平均温度为常规温度。此类型绕组的示例见图2。具体情况如下：——绕组所采用的材料类型：高温材料用于绕组局部，其目的是为了防止关键位置过度老化； 绝缘隔板所采用的材料类型：常规材料； 绕组温升限值：绕组平均温升与常规相同，绕组热点温升高于常规。7图2局部混合绝缘绕组示例全混合绝缘绕组是指绕组各个部分均采用高温材料，以使其在高于常规的温度下工作。导线绝缘以及轴向撑条、幅向垫块应采用高温绝缘材料。在高于常规温度区域内的其他绝缘部件也应采用高温绝缘材料。可在所有其他区域采用常规纤维素基绝缘材料，如工作在常规温度下的绝缘筒和角环等。此类绕组的示例见图3。具体情况如下：绕组所采用的材料类型：工作在高于常规温度下的所有绝缘均采用高温材料；绕组温升限值：绕组平均温升和绕组热点温升均高于常规。8图3全混合绝缘绕组示例高温绝缘绕组是指绕组各部分均采用高温绝缘材料。高温绝缘材料可能包括不同温度等级的绝缘材料，但均高于常规温度。此类绕组的示例见图4。具体情况如下：——绕组所采用的材料类型：高温材料； 绕组温升限值：绕组平均温升和绕组热点温升均高于常规。9图4高温绝缘绕组示例限值低于最高温升限值，则以5K为减量变化。应按照要求使用以充足的试验数据验证的热力学模型，的是，本文件未规定其他绝缘液体不可用，故应根据绝缘液体的热性能要求，恰当地规定其温升限值。 表3混合绝缘系统变压器最高连续温升限值固体高温绝缘耐热固体绝缘的热点温升/K注2:混合绝缘系统的温升限值不受冷却方式影注3:所示的温升限值均建立在GB/T1094.1规定的正常冷却介质温度基础上。对于·所包含的常规绝缘系统仅供参考。液体保护系统能有效防止空气进入油箱的无氧应表4高温绝缘系统变压器最高连续温升限值硅油高温固体绝缘耐热注1:液体保护系统能有效防止空气进入油箱的无氧应注2:所示的温升限值均建立在GB/T1094.1规定的正常冷却介质温度基础上。对于注3:高温绝缘通常包括多种不同温度等级的绝缘材料，但所有材料均高于常规限值。注4:纤维素基/酯绝缘系统见5.3。5.2热改性纸(TUP)经化学工艺处理的纤维素纸，即热改性纸，可作为120级材料应用于矿物油中。如果制造方与用户一致认同热改性纸(TUP)为120级绝缘材料，则可将其视为高温绝缘材料，按照表3定义的温度限值除非另经同意或规定，变压器中使用的所有部据表3和表4中所示的绝缘耐热等级来确定，通常取决于绝缘液体的温度。引线绝缘材料的选择与变压器选用的绕组绝缘系统无关。但是根据3.9和4.2.4中对导线绝缘的个绕组是常规绝缘的，其引线出口或整个引线仍然可以设计成在高于常规绝缘绕组的机械结构和支撑结构的设计应考虑到因较大的温度范围而导致变压器绕组可能膨胀或收变压器耐受短路能力的设计应符合GB/T1094.5的规定，各绕组平均温度最高值应按该标准计算应充分分析高温绝缘系统的介电性能，以防止变压器内部绝缘材料在较宽不可接受的介电性能下降。7.3温度要求变压器内部有温度梯度，应选择与各位置对应耐热等级的绝缘材料，这和任何变压器一样，是由特定设计决定的，因此需要一个足够的绕组温度分布模型。绕组的温度分布模型应通过样机、模型和/或全尺寸变压器试验进行验证，以验证设计或系列设计的正确性。在规定的高温绝缘系统中，将有几个热点(每种类型一个),所有这些都需要仔细考虑。有关其他信息，参见图5和图6。需要特别注意的是，在许多情况下，绕组冷却油道中的液体温度可高于油箱顶层液体温度。这一点需要考虑，因为绕组附近液体的温度决定了热点温度。图5导线对液体的温度梯度图5导线对液体的温度梯度(续)GB/T1094.7中所述的油浸式变压器负载导则的一般原则和计算公式仍适用，但过负荷限值除外，因为不同绝缘系统的温度和时间常数会有所不同。表5和表6列出了建议的最大过负荷温度。任何其他过负荷要求应在询价中说明或在合同阶段商定。表5混合绝缘系统变压器最大过载温度建议值固体高温绝缘耐热正常周期性负载下的顶层液体温度/℃长期急救负载下的顶层液体温度/℃表5混合绝缘系统变压器最大过载温度建议值(续)短期急救负载下的顶层液体温度/℃正常周期性负载下的绝缘热点温度/℃长期急救负载下的绝缘热点温度/℃短期急救负载下的绝缘热点温度/℃·包含的常规绝缘系统仅供参考。更多信息详见GB/T1094.7.液体保护系统能有效防止空气进入油箱的无氧应用。高温固体绝缘耐热正常周期性负载下的顶层液体温度/℃长期急救负载下的顶层液体温度/℃短期急救负载下的顶层液体温度/℃正常周期性负载下的热点温度/℃长期急救负载下的热点温度/℃短期急救负载下的绝缘热点温度/℃注：液体保护系统能有效防止空气进入油箱的无氧应用。冷却介质温度应符合GB/T1094.1中的正常工作条件。按照GB/T1094.2修改表3和表4所列的温度限值。用户应提供所有特定的负载周期信息。所有其他特殊使用条件应符合GB/T109考虑本文件中定义的绝缘系统在整个工业领域较为陌生，其应用条件与制 绝缘系统类型(即混合式或高温式)及本文件编号 高温固体绝缘材料耐热等级和通用名称(如果不同绕组采 每个绕组的额定绕组平均温升 包括温升的型式试验数据和承受短路能力(如果适用)如果有规定，则应保证参考温度下的负载损耗及短路阻抗值。温升载损耗。保证值的偏差应满足GB/T1094.1的规定。顶层液体温升、绕组平均温升和绕组热点温升应不超过表3和表4所列出的温升限值。提供保证值时，参考温度应为额定绕组平均温升加20℃,或额定绕组平均温升加外部冷却介质年当变压器有多个对应于相同容量的不同绕组 0。——油箱内底部液体温度。为估算在两种不同绕组部件边界处冷却油道内的液体温度(图6中的点C),总温度梯度被分为两部分：第1部分按式(2)估算： (2)式中：△θLwi——绕组上部液体的轴向温升；△θLw——油箱内液体的轴向温升；l₁——采用高温绝缘的绕组上部长度；l₂——采用常规绝缘的绕组下部长度。第2部分按式(3)估算：式中：△θLw₂——绕组下部液体的轴向温升；△θLw——油箱内液体的轴向温升；△θLw₁——绕组上部液体的轴向温升。图6局部混合绝缘系统绕组的温度修正曲线标引符号说明：Y轴——沿变压器高度的轴向位置；A——油箱出口平均温度(顶层液体温度);B——绕组顶部油箱内液体温度(假设与A相同);C——两种不同绝缘材料边界处绕组内的液体温度；D油箱内平均液体温度；g,——在额定电流下绕组平均温度对液体平均温度的梯度；E——进入绕组的底部液体温度；H₁采用高温绝缘的绕组部分的热点系数；H₂——采用常规绝缘的绕组部分的热点系数；l₁采用高温绝缘的绕组上部长度；l₂——采用常温绝缘的绕组下部长度；P₁与高温绝缘材料接触处的热点温度；P₂与常规绝缘材料接触处的热点温度；Q由电阻法测得的绕组平均温度；△θLw₂——绕组下部液体的轴向温升；图6局部混合绝缘系统绕组的温度修正曲线(续)当有要求时，应证明绝缘系统的介电性能满足高温下运行要求。注：一种好的常规诊断方法详见IEEE62。由于矿物油的温度限制，在以纤维素材料为主的绝缘系统中，高温固体绝缘材料用量少，通常只占在采用混合绝缘系统的变压器中，产生气体的来源最可能是矿物油。当出现过热、热故障、局部放电或电弧放电时，有可能使高温固体绝缘分解，从而产生气体和其他衍生物(如：水分、微粒、呋喃、金属(资料性)绝缘材料A.1概述本附录列举了几种高温电气绝缘材料(EIM)以供参考。并不意味着，任何这些材料的特定组合均表A.1列出了常见的固体绝缘材料及其典型的参数和特性，这些参数和特性可用于对该材料的绝耐热等级%吸潮性%纸热改性纸 纸 聚苯硫醚 聚酯玻璃*不适用聚酯玻璃不适用不适用不适用聚酰亚胺芳香聚酰胺纸芳香聚酰胺注2:相对介电常数和介质损耗因数均为50Hz或60Hz下的值。·由于在制造过程中可能会存在气体残留，因此通常只在低电压等级液浸式应用中使尽管在空气中测试时纤维素纸板被归类为105耐热等级的绝缘材料，但其在包括酯类绝缘液中被当作热改性材料使用。在过去的50年间，非热改性纤维素绝缘纸板在“热改性”A.2绝缘材料老化和寿命给原子充足的能量使分子分解。这种能量主要由变压器损耗提供。供给的能量越多，分子的裂解率越寿命通常符合式(A.1):L=a×er……a——以小时为单位的常数；在进行耐热试验前，要先确定终点寿命的准则。它可以是表征绝缘材料性能相对原始值的百分数，在绝缘材料重要性能指标中首选表征劣化速度最快的一项。对于采用纤维素绝yy0.002550.002450.00235图A.1耐热试验图例在图A.1中，在回归线延长线和纵坐标20000h的交叉点处画一条垂直线，该垂直线与横坐标轴相交的点对应的温度为143℃,这表明该绝缘材料的温度指数TI为143℃。在回归线延长线和纵坐标10000h的交叉点处画另一条垂直线，此垂直线与横坐标轴相交的点对应的温度为148℃。半差HIC就是148与143之差，等于5℃。通常认为，温度指数TI对应的寿命20000h(稍大于2年)作为设备的可接受寿命太短了，要得到可接受的寿命，选定的耐热等级应低于T1。低多少取决于用户对材料寿命的要求。寿命和温度的关系可以从图中的回归线得到，也可以通过回归公式计算。例如：如果要求寿命为20年(175200h),则根据回归线外推的温度为128℃。如果寿命要求为30年(262800h),则根据回归线外推的温度为126℃。另一种选择是，耐热试验的外推结果可以选择大于20000h。在一些地区，65000h和180000h使用寿命已被应用于液浸式绝缘系统中。绝缘材料的耐热等级等于最高运行温度，是由变压器制造方根据将要使用该材料的变压器寿命要求而确定的。变压器的负载类型和变压器运行现场的实际环境温度也宜加以考虑。在许多情况下，变压器可能长时间在低于额定负载下运行，这将降低老化率并延长变压器寿命。在某些已进行的试验中，当抗拉强度降为初始抗拉强度的50%时，被认为是寿命终点。但是，不能单纯地从字面理解这个限值或其他寿命终点所对应限值。当达到规定的寿命后，变压器还可以正常运行多年。绝缘材料的降解是缓慢进行的，没有明显的拐点。规定的寿命终点，更多是起到警示作用，即：提示变压器承受应力的能力(如承受大短路电流的能力)与新变压器相比已经很低了。此外，变压器从一个场地运输至另一个场地可能会产生更大的风险。A.3固体绝缘表A.1中列出了常见材料名称及其典型性能参数值。需要注意的是，这些材料的成部分制作成独立的试验样品、单个在空气中试验取得的。当一个绝缘系统固体绝缘材料的耐热等级，宜根据其浸没在适用绝缘液体中的运行经验和功能试验来确定。例如以作为热改性材料在包含酯类绝缘液体在内的大多数绝缘液体中应用。其主要原因是，过去50年里，默认系统耐热等级必然由该系统中各部件的温度等级最低者来确定也是不合适的。相反地，系统表A.2中给出了两种适用于高温绝缘液体中圆形和扁形铜、铝绕组的典型关补充资料可参见IEC60317系列标准中的特定部耐热等级IEC60317的适用部分聚乙烯醇缩醛聚乙烯醇缩醛聚氨酯聚氨酯聚酯聚酯聚酰亚胺酯聚酰亚胺酯聚酯·聚酰胺酰亚胺聚酯·聚酰胺酰亚胺表A.2导线绝缘的典型包敷材料(续)耐热等级IEC60317的适用部分覆有聚酰胺酰亚胺涂层的聚酰亚胺酯聚酰亚胺酯聚酰胺涂层聚酰亚胺酯芳香族聚酰胺酰亚胺芳香族聚酰胺酰亚胺芳香族聚酰亚胺芳香族聚酰亚胺以下为标准未规定的绕组线绝缘不适用聚苯醚砜不适用聚苯酚砜聚芳基砜不适用聚芳基砜聚苯醚-醚酮不适用聚苯醚-醚酮注：在空气中的耐热等级见IEC603表A.3列出了适用于液浸式变压器的绝缘液体典型性能参数。表A.3中也列出了变压器最常用闪点℃燃点℃量电常数介质损%导率比热矿物油~130NB/SH/T0945~130~155天然酯~130⁶9表A.3未用过的绝缘液体典型性能参数(续)℃燃点℃量电常数介质损%导率比热下列绝缘液体虽已用于某些变压器中，但尚无标准对其进行规范合成PAO碳不适用~130不适用~155注：本表所列数据仅供不同绝缘液体对比用的一般指导。对于具体特定的物理参数的可接体的标准。对于没有标准的绝缘液体，建议与绝缘液体制造方确·耐热等级等于推荐的最高运行温度，此温度下可得到绝缘液体的可接受寿命。·由于这些绝缘液体的抗氧化性，估计的温度限值仅适用于可基本消除空气浸入的密封式变压器或有充氮保护系统的变压器。克利夫兰开口杯试验依据的是GB/T3536。闪点测定依据的是GB/T261中的宾测得的数据一般低于本表列出值。4相对介电常数和介质损耗因数的数值均为50Hz/60Hz下的值。根据GB/T3536,绝缘液体燃点大于300℃则归类为K级。但是闪点和燃点都无法决定绝缘液体的耐高温能力。沉淀物的出现、受潮和氧化程度都能够影响绝缘液体的热性能。宜与绝缘液(资料性)B.1概述尽管以往的大量研究涉及的是采用纤维素绝缘的矿物绝缘油变压器的过载条件，但对于设计成在个决定性因素，而非温度。本附录是以Oommen(详见参考文献)的相关研究为基础编制的，并被选作B.2基本假定a——表面张力；B.3试验验证采用两个线圈模型进行试验研究。其中一个线圈模型用光纤温度传感器代替热电偶传感器来测量纸含水量和矿物绝缘油中气体含量变化较大。含水量范围从0.5%～8.0%(干燥/无油的基础上),气体含量从不含气体到氮气完全饱和。快速升温可以模拟变压器绕组在过载条件下的状态。除了对完全脱气和气体完全饱和的绝缘系统进行试验外，也用不完全脱气的矿物绝缘油系统进行了若干试验。共计进行了22组线圈模型试验。测试结果如图B.1所示。上部曲线对应脱气的矿物绝缘油，下部曲线对应含气量饱和的矿物绝缘含水量为2%时(此值大致与一台老化的纤维素绝缘变压器相对应),气泡生成温度略高于140℃。而当含水量为0.5%时，气泡生成温度估计高于200℃。 图B.1气泡生成的温度曲线B.4气泡生成的数学公式可将热点温度看作是含水量、含气量和外施压力(等于大气压与油位差之成温度的经验公式见式(B.2):Wwp绝缘纸中含水量(按干燥、无油的干纸质量分数),%V绝缘液体中气体含量的体积分数，%方程的第一部分(括号内)是脱气的矿物绝缘油，由著名的Piper蒸汽压力与水分含量关系图推导而来。第二部分调整矿物绝缘油的气体含量。实测温度和计算温度吻合良好差小于2℃,三饼线圈模型的温差小于4℃(肉眼观察气泡难度加大，未采用PD检测)。纸中的干基含干燥、无油估计的含水量(%),因为绝缘纸的重量中包括了油和水。 图C.1热改性纸在矿物油和天然酯液体中的老化后抗拉强度结果例如：从图C.1a)来看，160℃热老化试验时，估计天然酯抗拉强度剩余50%时对应的时间是大约6280h₀IEEEC57.91—1995的矿物油/热改性纸单位寿命公式中，160℃的单位寿命是0.011。因此剩余50%抗拉强度寿命的小时数是寿命结束点(65000h)乘以(单位寿命0.011),即706h。天然酯单位寿命是6280h除以706h,即8.89。复合结果在图C.2中显示。因为IEEEC57.91一1995中给出两个寿命终结点是基于剩余抗拉强度(原始抗拉强度剩余50%和25%),因此图C.2和图C.6中，抗拉强度单位寿命图要有两个单位寿命X轴。针对每个温度及其对应的终点寿命，开展矿物油和天然酯绝缘液体绝缘系统数据测试，图C.1和图C.2表示热改性纸的抗拉强度，图C.3和图C图C.2热改性纸在矿物油和天然酯绝缘液体中热老化后抗拉强度复合结果YXY公0aXX图C.3热改性纸在矿物油和天然酯绝缘液体中热老化后聚合度结果Y轴聚合度；A矿物油(90℃、110℃、130℃)];△天然酯(90℃、110℃、130℃)0];0矿物油(130℃、150℃、170℃)];O天然酯(130℃、150℃、170℃);矿物油(140℃、160℃、180℃)[8];O天然酯(140℃、160℃、180℃)0;y矿物油(160℃、170℃);又天然酯(160℃、170℃)];矿物油(160℃、170℃)2];口天然酯(160℃、170℃)0.图C.5牛皮纸在矿物油和天然酯绝缘液体中热老化后抗拉强度结果X₁轴——单位寿命(到剩余25%抗拉强度时间为1);X,轴单位寿命(到剩余50%抗拉强度时间为1);Y轴抗拉强度(与未热老化比),%;0—矿物油/牛皮纸(150℃); 图C.6牛皮纸在矿物油和天然酯绝缘液体中热老化后抗拉强度复合结果Y△△△00XX0XX0图C.7牛皮纸在矿物油和天然酯绝缘液体中热老化后聚合度结果图C.8牛皮纸在矿物油和天然酯绝缘液体中热老化后聚合度复合结果C.4理解矿物油和酯绝缘液体中的纤维素热老化差异当天然酯绝缘液体中的纤维素热老化时，有三个现象可以解释为什么它的寿命延长了。这三个现象都跟水有关系。第一个现象与纤维素和绝缘液体之间的水分平衡有关。水在纤维素和绝缘液体之间移动，试图实现均匀的相对饱和度。水在天然酯绝缘液体中的溶解极限(饱和点)比在矿物油中的饱和点要高得多。在室温下大约为在矿物油中的16倍，在100℃时为4倍。对于合成酯绝缘液体也是如此，水溶解极限在室温下比在矿物油中高40倍，100℃时高10倍。因此，为了能够实现均匀的相对饱和度，大量的水会从绝缘纸中移动到绝缘液体中去，绝缘纸中的水含量就会变少[19]。绝缘纸和绝缘液体之间水分布的计算证实了这种效果，以及酯绝缘液体中纤维素纸有干燥化的潜力。第二个现象与水和绝缘液体之间的化学相互作用有关系。纤维素热老化过程的一个产物是水，因此可以预见，随着纤维素的热老化水含量增加，导致水从绝缘纸上迁移到绝缘液中来维持相对饱和度的平衡。这正是矿物油绝缘系统中发生的情况[12]。由于酯绝缘体具有更高的饱和极限，更多的水迁移到酯绝缘液体中。然而，水可以和天然酯发生化学反应(水解反应),消耗水而产生自由脂肪酸。结果是随物油绝缘系统相比较，酸值增加更快。尽管密封管实验显示纤维素热老化速度降低是在高温下发生的，第三个现象表明纤维素与水解产生的游离脂肪酸发生化学反应，导致纤维根据本附录参考文献[5,6,19,29],对在封闭容器开始时迅速上升至峰值，随后在剩余的热老化过程中显著下降。酯绝缘液体中老化测试结束时也比开始时低。在温度恒定时，绝缘液体中水含量的增相匹配，以维持平衡。绝缘液体中水含量减少也会导致纤维素中水含量的减少在对充满天然酯绝缘液的配电变压器做使用寿命配电变压器进行一系列使用寿命测试时，在每次功能性寿命结束时4,都对绝水分应随着纤维素的不断分解而产生。水分运动的物理现象排除了高温下纤维素重新吸收水分的可能。C.4.4中有对这种现象的一种可能解释。然而C.4.3水分溶解度本条介绍了一种典型的138kV、50MVA电力变压器的液体/纸绝缘系统中水分迁移和水分平衡计算[13]。假设最初变压器绝缘系统中含有2%的水，变压器在室温下填充干燥的天然酯(含水量为达到平衡。本试验中研究了在两种温度(80℃和100℃)下，用Oommen水分平衡方法计算每种情况表C.1显示了天然酯和矿物油在80℃平衡温度下的所有计算结果。计算结果显示，固体绝缘材料绝缘油类型天然酯矿物油天然酯矿物油天然酯矿物油绝缘液体中水初始含量/(mg/kg)333绝缘液体中水最终含量/(mg/kg)C.4.4酯基转移作用酯绝缘液体中热老化175天的红外光谱图，见图C.9。资料显示两张热老化纸的红外光谱波峰大部分重合。然而，天然酯绝缘液体中热老化纸的光谱图中在1746cm-¹波长处有一个波峰在矿物油热老化纸光谱中是没有的。作者指出峰值随着热老化时间的延长而增加。波峰的位置是酯基所属的羰基键产YYxE图C.9牛皮纸在110℃的液体中老化175天的红外光谱图之后长链脂肪酸通过所谓的酯基转移过程与纤维素结构连接，本附录参考文C.1～图C.8的结束点得来的。关于热老化曲线及推导温度指数的更多信息见A.2。表C.2中列出了T——摄氏温度；e——自然对数的底(2.718…);a——以小时为单位的常数。表C.2热老化结果对比C耐热等级天然酯绝缘液体/热改性纸天然酯绝缘液体/牛皮纸根据曲线可得，天然酯绝缘液体/牛皮纸绝缘系统的温度指数是110℃,耐热等级是120。天然酯绝缘液体/热改性纸绝缘系统的温度指数是130℃,对应的耐热等级是140。通过这些有效耐热等级可以推导出表4和表6的温度极限值，如表C.3和表C.4所示。YY△1△80→X8图C.10热改性纸的热老化单位寿命曲线(最小二乘法拟合)牛皮纸热改性纸有效绝缘耐热等级注1:液体保护系统能有效防止空气进入油箱注2:本表显示的温升限值是基于GB/T1094.1中的常用冷却介质温度。对于不同牛皮纸热改性纸正常负载周期下的顶层液体温度/℃长期急救负载下的顶层液体温度/℃短期急救负载下的顶层液体温度/℃正常负载周期下的绝缘材料热点温度/℃牛皮纸热改性纸长期急救负载下的绝缘材料热点温度/℃短期急救负载下的绝缘材料热点温度/℃注：液体保护系统能有效防止空气进入油箱的无氧应用。[1]R.Berti,F.Barberis,Experimentalcharacterizationofesterbasedoilsforthetransformerinsulation,19thIntl.Conf.ElectricityDistribution,May21-24,2007,Vienna,Austria,Paper0555.[2]R.AsanoJr.,L.Cheim,D.B.Cherry,C.C.Claiborne,L.C.Bates,J.C.Duart,Key,ThermalevaluationofcellulosicboardIntl.Conf.ofDobleClients,March27-31,2011,Boston,USA,PaperIM-01.[3]M.S.Shim,Comparativeevaluationofageingofinsulatingmaterialinnaturalesterandmin-eraloil,IEEE/DEISandCSEEIntl.Conf.onHighVoltageEngineeri2010,NewOrleans,USA,pp.393-396.[4]C.P.McShane,K.J.Rapp,J.L.Corkran,G.A.Gauger,J.Luksich,Ageingofpaperin-sulationinnaturalesterdielectricfluid,IEEE/PESTransmisstion,Vol.2,Oct.28-Nov.2,2001,Atlanta,USA,pp.675-679.[5]C.P.McShane,K.J.Rapp,J.L.Corkran,G.A.Gauger,J.Luksich,AgeingofKraftperinnaturalesterdielectricfluid,[6]R.J.Liao,S.W.Liang,L.J.Yang,C.X.Sun,H.G.Sun,TheimprovementofresistingonElectricalInsulationandDielectricPhenomena,October26-29,2008,QuébecCity,Can[7]S.Tenbohlen,M.Koch,Ageingperformanceandmoisturesolubilityofvegetablepowertransformers,IEEETrans.onPowerDelivery,Vol.25,No.2,April2010,pp.825-830.[8]T.V.Oommen,H.D.Le,C.C.Claiborne,E.J.Walsh,J.P.Baker,Enhancedcellulosicinsulationlifeinahigh[9]R.Liao,B.Xiang,L.Yang,C.Tan,Studyonthethermalageingcharacteristbreakingprocessofoil-paperinsulationinpowertransformer,IEEEInttion,June9-12,2008,Vancouver,Canada,pp.291-296.[10]S.W.Liang,R.J.Liao,L.J.Yang,H.G.Sun,B.Xiang,Studyontheageingofnatureester-paperinsulationandmineraloil-paperinSept.5,2008,pp.20-24.[11]L.J.Yang,R.J.Liao,H.G.Sun,C.X.Sun,J.Li,Contrastinganalysisandonpropertiesandproductsofoil-paperduringthermalageingproAug.5,2008,pp.53-58.[12]H.Yoshida,Y.Ishioka,T.Suzuki,T.T.Yanari,T.Teranishi,Degradationofinsulatingmaterialsoftransformers,IEEETrans.ElectricalInsulation,Vol.EI-22,No.6,1987,pp.795-800.[13]G.K.Frimpong,T.V.Oommen,R.Asano,Asurveyofageingchacelluloseinsulationinnaturalesterandmineraloil,IEEEEleNo.5,Sept/Oct2011.[14]T.V.Oommen,MoistureequilibriuminpaperElectrical/ElectronicsInsulationConf.,October,1983,Chicago,USA,pp.1[15]T.E.Thorpe,ADictionaryofAppliedChemistry,Vol.IV,1913,Longmans,GreeCo.,London,p.637.acid,J.AppliedPolymerScience,Vol.74,No.8,Nov.1999,pp.1933-1940.[17]C.P.McShane,K.J.Rapp,J.L.Corkran,J.Luksich,Ageingofcotton/Kraftblendin-sulationpaperinnaturalesterdielectricfluid,TechConAsia-Pacific,May7-9,2003,Sy[18]C.P.McShane,J.L.Corkran,K.J.Rapp,J.Luksich,Ageingofpaperinsulatiofilledwithnaturalesterdielectricfluid,Conf.ElectricalInsulationandDielectricP22,2003,Albuquerque,USA,pp.124-127.[19]K.J.Rapp,C.P.MeShane,J.Luksich,InteractionmechanismsofnatfluidandKrafttugal,pp.393-396.[20]M.A.G.Martins,Éo6leovegetal,umaalternativaaooleomimadores?EstudodadegradacāotermicaKraft,XIIERIAC-EncontroRegion[21]R.J.Liao,F.M.Sang,G.Liu,L.J.YanfordifferenttypesofoilpaperinsulationcompositionsoftransfProc.CSEE,Vol.30,No.4,Feb.5,2010,pp.125-131.[22]L.Yang,R.Liao,C.Sun,J.Yin,M.Zhu,InfluenceofvegetablingrateofKraftpaperanditsmeneeringandApplication,Oct.11-14,2010,NewOrleans,USA,pp.[23]R.J.Liao,J.Hao,L.J.Yang,S.W.Liang,J.G.Yin,Improvementontheanti-apropertiesofpowertransformer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