变压器绝缘老化检测教材Word下载.docx
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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。
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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
Detectionoftransformerinsulationaging
Abstract
Asthemostimportantandexpensivefacilityinpowertransmissionanddistributionsystems,powertransformer’Soperationalconditionsrendertremendoussignificanceforreliabilityandstabilityofthepowergrids.However,undercomplicatedloadingandoperatingconditions,theactuallifeexpectancyofapowertransformerisnotequaltotheratedlongevityshowninthenameplateduetoinsulationagingofmultiplemechanisms.Hence,extensiveinvestigationonthemonitoring’andanalyzingtechnologyastoaccuratelyevaluatelifeexpectancyofthepowertransformers,willpresentuniqueimportanceindevelopingcondition-orientedmaintenancestrategyforpowerequipmentsaswellasguaranteeingsecure,reliableandstableoperationofthepowersystems.
Withdetailedanalysisonthephysicaldegradationmechanismsofbothsolidinsulationandoil,anintegratedanalyzingandevaluatingschemehasbeenproposedbycomprehensiveutilizationofthreeeffectivemethodo1ogiesbasedonMeasurementoftheDegreeofPolymerization,theFurfuralConcentrationAnalysisaswellasthePolarizationandDepolarizationCurrentAnalysis.
Basedonelucidationofthephysicalprocessofcellulosedecomposing,furfuralproducinganddissolvinginoil,mathematicalmodelstoassesstheremnantlifetimeofapowertransformerwereestablishedrespectivelythroughsolidinsulationdegreeofpolymerizationandfurfuralconcentrationinoil.Alotofsitetestswerecarriedoutwithviscosimetryforthedegreeofpolymerizationmeasurementandhighperformanceliquidchromatographforthefurfuralconcentrationanalysis,andsomeconcretemeasureswerepresentedfortestimprovements.Also,theeffectivenessofaboveproposedmathematicalmodelswereinpartverifiedbythetestresults.
Keywords:
Powertransformer,Lifeassessment,Degreeofpolymerization,Furfuralconcentration,Polarizationanddepolarizationcurrent
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;
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靠性的新观点。
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l5%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7.0%;
其中去年l2月份发电3498亿千瓦时,较上年同期增长25.9%。
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110kV及以上电压等级变压器共发生损坏事故18台次、事故容量为188412MVAlll。
单以电力变压器本身价格计算,进口的250MVA/500kV变压器平均约为l33万美元/台,国产同规格的也达到l000万元/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,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α-纤维素,10%的半纤维素及极少量的木质素等构成。
α-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11000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(C6Hl005)。
,式中n为聚合度。
一般新纸的聚合度约为l300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,因此极度老化导致绝缘纸寿命终止的聚合度应约为150~200。
绝缘纸在老化过程中,其聚合度和抗拉强度将逐渐降低,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,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1.1所示。
图1.1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。
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(C6Hl005)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1.2所示。
图1.2纤维素水解反应
(2)热解降解:
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200°
C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。
(a)氧化反应式(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1.3(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累,产生大量电子及氧的等离子体,攻击C.H、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。
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。
1.2.22液体绝缘老化特性
油浸变压器于l887年由美国人汤姆逊发明,1892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,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C.H键和C.C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0.25%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1.1。
表1.1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[IS02049,1996]。
油中微
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