电力变压器内绝缘老化水平的状态评估及分析

刘 翀,汪柏松

(国网安徽省电力有限公司安庆供电公司,安徽 安庆 246000)

0 引言

油浸式电力变压器的工作稳定性对电能的输送、传递作用重大。 变压器内部绝缘油、绝缘纸组成的绝缘系统老化能力下降,促使其寿命也逐渐缩短[1]。 对变压器内绝缘结构的绝缘能力展开定量评估,研究影响因素在老化过程中的作用,对保证变压器的平稳工作意义重大[2]。

为明确分析出反映老化程度的物理量,制备油纸样品,进行热老化、烘干等处理,开展聚合度(degree of polymerization,DP)值、水分试验,得出它们与老化时间的对应关系;研究Davidson-Cole 模型参数、DP 值、水分之间的相互关系,进一步明确变压器老化程度的评估指标[3]。

1 绝缘纸板聚合度测试

聚合度可直观反映纸样品中大分子化合物的数量,能有针对性地对样品绝缘水平进行区分[4]。 纸样品内部的主要组成分子是纤维素,而DP 值则可以直观表征该大分子中单体葡萄糖分子的数目,从而反映纸样品的绝缘水平。 国内外试验分析得出新生产出的纸样DP 值范围是1 200～1 500。 但随着变压器长时间工作,并受到外界温度、含水量等因素的影响,DP 值不断下降,直至被击穿[5]。 因此,就变压器内绝缘老化水平开展定量分析,对延长变压器使用年限有极其重要的作用。

2 聚合度测量过程

2.1 所需的试验仪器与试剂

①乌氏粘度计。

②索氏提取器:对油浸纸板进行脱脂处理。

③铜乙二胺溶剂:1 mol/L。

④正己烷:有机溶剂。

⑤蒸馏水和去离子水。

2.2 试验步骤

①绝缘纸板样品获取。

首先对新出厂的油浸纸板进行老化处理,并将其裁剪成小份,放入真空容器中。

②脱脂处理。

将真空容器中的小份样品取出并放置于事先经过处理的有机溶剂(正己烷)中;之后使用索氏提取器多次提取,保证所得的试样脱脂彻底。

③烘干、称量。

将样品进行脱脂处理后,置于去除水分后的烧杯里,并把烧杯置于温度设定为90 ℃的干燥箱中5 h,保证样品被完全烘干。 取出样品后,对样品进行称重处理。

④样品溶解。

把试验所需溶剂铜乙二胺均分为2 份,分别放入经过干燥处理且同规格的A、B 2 只烧杯里面。 将称重质量为M克的纸板样品放在A 烧杯中,并均匀搅拌直至溶解。 对B 烧杯内的试剂进行操作,其作用是对比测量烧杯中试剂流出的时间。

⑤测量流出时间。

在室温为20 ℃时,对烧杯内样品的流出时间进行测量。ts为纸溶液彻底流出所需要的时间,t0为溶剂彻底流出所需要的时间。

⑥DP 值计算。

溶液的浓度计算:

式中:c为溶液的浓度,g/dL;M为样品质量,g;VH2O为溶液中水的体积,dL;Vc为溶液中样品的体积,dL。

比黏度计算:

使用马丁经验方程对样品的黏度[Vs]展开分析:

式中:k为马丁常数,k=0.14。

则纸板样品的DP 值计算公式为:

式中:K、α为马克-霍温克常数,K=0.007 5、α=1;YDP为纸板样品的聚合度。

3 聚合度测试结果分析

设定测试温度有3 组,分别为90 ℃、120 ℃、140 ℃。 在3 个测试温度下开展纸板样品DP 值试验。通过对多组样品的试验,计算多组结果的平均值,得出最后的纸板样品DP 值测试结果[6],如表1 所示。

表1 纸板样品DP 值测试结果Tab.1 Test result of paper sample DP value

表1 中,老化时间为0 天,即刚出厂纸板的DP 值是1 399。 伴随老化温度的升高,样品内绝缘能力不断下降,老化程度严重,样品内部纤维素分子裂解为小分子,数目不断减少,与此同时DP 值也在不断变小[7]。在老化温度为90 ℃时,经过40 天老化,样品的DP 值已经由1 399 下降至1 153,为轻微老化状态;随着试验老化天数的增加,在80 天时,DP 值为965,为中度老化水平。 老化温度由90 ℃上升至140 ℃时,DP 值在80 天的时候则由965 降至488,达到严重老化状态[8];对不同老化天数作用时样品的DP 值开展函数拟合。 老化天数和聚合度拟合曲线如图1 所示。

图1 老化天数和聚合度拟合曲线Fig.1 Fitting curves of aging days and DP values

老化天数和聚合度的拟合函数如表2 所示。 表2中:T为老化天数,YDP为DP 值。 老化天数越长,DP值降低得越快。 这是由于绝缘纸内部的纤维素随着老化温度和时间的加大,发生裂解反应的程度越大,使纤维素大分子裂解为水分、糠醛和小分子酸等物质。 这会造成DP 值变小,使纤维素等大分子数量随之降低[9]。

表2 老化天数和聚合度的拟合函数Tab.2 Fitting function of aging days and DP values

4 绝缘纸板含水量测试

含水量是决定变压器内部绝缘水平高低的主要因子,同时它也是样品内裂解反应产物。 随着运行年限的变长,变压器内部老化过程不断加快,纤维素等大分子不断裂解成为小分子,水的含量也在逐步上升,加之在变压器内部不易更换绝缘纸板,系统内部环境的老化过程不可逆[10]。 因此,开展系统内绝缘复合系统水分含量研究和判断,对判断电力变压器寿命意义重大。

4.1 含水量测试过程

利用萃取法对纸板样品水分含量进行测量,其步骤如下。

①测试所需用到的的器皿、工具使用酒精擦拭整洁后,放在烘干箱中烘干。

②从烘干箱中取出烧杯2 只,各自倒入40 ml 无水甲醇,并标号为A、B。

③向A 烧杯中放入称量好的约5 g 的纸板样品,B烧杯中不放。

④将A、B 2 只烧杯使用相同速度进行搅拌,时间为2 h。

⑤吸取250 μL 萃取后的样品、纯甲醇,放置于微水测试仪里测量其水分含量,多次测量取平均值。

⑥取出烧杯里面的纸板样品并放置到擦拭整洁后的烧杯中,向烧杯里倒入30 mL 三氯乙烷后静置2 h,保证试样中的变压器油被萃取干净。 经过烘干、冷却、称重,得出此时纸样的质量,记为m。 所得样品中的水分含量为:式中:W为水分含量,%;A为250 μL 含有试样的萃取液水分含量,μg;B为250 μL 纯甲醇的含水量,μg;m为干纸质量,g;V为萃取溶剂体积,mL。

根据以上步骤,由式(4)、式(5)可测出在90 ℃、120 ℃、140 ℃下,纸板样品老化测试0 天、20 天、40 天、60 天、80 天的水分含量。

4.2 含水量测试结果分析

在测试温度分别为90 ℃、120 ℃、140 ℃时,对纸板样品开展含水量试验。 样品取用测试周期为20 天,并将多次试验的平均值作为测试结果。 老化温度不同时样品含水量测试统计如表3 所示。

表3 老化温度不同时样品含水量测试统计Tab.3 Test statistics of paper sample moisture contents under different aging temperatures %

从表3 可知,样品测定水分含量为0.993%,随着测试温度的增大,样品内部纤维素大分子裂解反应加剧,会生成裂解产物——水。 故裂解反应进行得越彻底,生成的水分也会越多。

拟合不同试验天数样品含水量的函数,发现试验天数和含水量成正对应关系,说明测试温度的不断提升、测试天数的不断增加,都会导致含水量变大,从而加剧老化反应。 老化天数和含水量拟合曲线如图2所示。

图2 老化天数和含水量拟合曲线Fig.2 Fitting curves of aging days and moisture contents

老化天数和含水量的拟合函数如表4 所示。

表4 老化天数和含水量的拟合函数Tab.4 Fitting function of aging days and moisture contents

4.3 介电特征参数受DP 值、含水量的影响情况

DP 值、含水量是表征绝缘系统好坏的典型指标,但其操作复杂,且易受环境影响。 利用介质响应参数可间接反映样品的DP 值和含水量,且不受环境影响。通过复介电常数的实、虚部获得Davidson-Cole 模型参数β、Δε、τ,对3 个参数和DP 值、含水量之间的作用情况开展分析[11]。 老化温度为90 ℃、120 ℃、140 ℃时,特征参数分别如表5、表6、表7 所示。

表5 老化温度为90 ℃时的特征参数Tab.5 Characteristic parameters at 90 ℃ aging temperature

表6 老化温度为120 ℃时的特征参数Tab.6 Characteristic parameters at 120 ℃ aging temperature

表7 老化温度为140 ℃时的特征参数Tab.7 Characteristic parameters at 140 ℃ aging temperature

通过对比3 个参数的变化情况,构建出特征参量β、Δε、τ和老化时间的相互作用情况。 特征参数与DP值关系变化曲线如图3 所示。 由图3 中的特征参量和试验天数变化曲线可知:伴随试验天数的不断增加,样品内部纤维素裂解反应越剧烈,其DP 值随之变小,含水量不断增加,特征参数Δε逐渐上升,特征参数β和τ以不同速度下降;随着温度升高,3 个参数都表现出相反的对应关系。

图3 特征参数与DP 值关系变化曲线Fig.3 Relationship between characteristic parameters and DP value

以老化时间为中间量,对特征参数β、Δε、τ和DP值、含水率之间的变化情况开展研究,特征参数和DP值、含水量的拟合函数如表8 所示。

表8 特征参数和DP 值、含水量的拟合函数Tab.8 Fitting function of characteristic parameters,DP values and moisture contents

5 结论

为开展变压器绝缘系统中老化水平的评估和分析,本文制备样品,在试验温度为90 ℃、120 ℃、140 ℃时进行热老化试验,并对纸板样品DP 值和水分含量进行测量,构建出老化时间与DP 值、含水量之间的关系,提取特征量,构建特征参数与DP 值、含水量之间的拟合函数。 所得结论如下。

①随老化天数的增加和测试温度的上升,纸板样品内部纤维素裂解反应加剧,DP 值均表现出下降趋势,拟合得出DP 值和老化天数的负指数关系。 ②含水量随老化温度的上升和老化天数的延长不断升高,拟合得出含水量与两者之间的正相关关系。 ③特征参数Δε逐渐上升,特征参数β和τ以不同速度下降;以老化时间为中间量,得出特征参数β、Δε、τ与DP 值、含水量之间的函数关系。