油浸式變壓器中油浸紙的老化及其評(píng)估技術(shù)

  一、油浸紙老化狀態(tài)評(píng)估的意義 

      在油浸式變壓器內(nèi)部，作為固體絕緣的油浸紙、油浸紙板（后文統(tǒng)稱 “油浸紙” ），老化狀態(tài)隨變壓器內(nèi) 部電場(chǎng)、溫度等的不均勻分布而呈現(xiàn)空間分布性，且存在取樣困難、難以替換的問(wèn)題，一旦劣化，其在絕緣、機(jī)械等方面性能的下降無(wú)法逆轉(zhuǎn)。因此，油浸紙是油浸式電力變壓器內(nèi)絕緣的薄弱環(huán)節(jié)，其絕緣狀態(tài)決定了變 壓器的運(yùn)行壽命。

      據(jù)統(tǒng)計(jì)，一般變壓器的平均壽命在約 30 年 [1]。但由于實(shí)際所處的運(yùn)行環(huán)境、所承擔(dān)的負(fù)荷等方面的差異， 不同變壓器內(nèi)部絕緣材料的老化速率也可能會(huì)存在較大差異。單純憑借其服役時(shí)間來(lái)決定變壓器是否需要維護(hù)或者替換勢(shì)必存在一定的安全隱患，也會(huì)在一定程度上造成資源浪費(fèi)。因此有必要對(duì)變壓器的油浸紙的老化狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)估，并以此為依據(jù)來(lái)制定合理的運(yùn)行、維護(hù)計(jì)劃，保證電網(wǎng)運(yùn)行的安全性、經(jīng)濟(jì)性。

       二、油浸紙老化原因分析 

      在油浸紙的老化，其實(shí)質(zhì)是在各因素作用下，油浸紙材料發(fā)生一系列復(fù)雜的物理和化學(xué)變化，導(dǎo)致材料的絕緣、機(jī)械等方面性能下降。 

      引起老化的主要原因總體上可以歸結(jié)為：電、熱、 機(jī)械震動(dòng)和化學(xué)因素四個(gè)方面。 

   （一）電老化 

      電老化是指在電場(chǎng)的長(zhǎng)期作用下，油浸紙經(jīng)過(guò)一系列的物理和化學(xué)反應(yīng)，逐步發(fā)生老化的過(guò)程。油浸紙?jiān)趶?qiáng)電場(chǎng)作用下的老化機(jī)理包括帶電質(zhì)點(diǎn)對(duì)材料分子的轟擊、局部放電引起的熱效應(yīng)、放電過(guò)程中產(chǎn)生的輻射、 活性物質(zhì)對(duì)材料分子結(jié)構(gòu)的破壞等。

    （二）熱老化 

      熱老化是變壓器內(nèi)部油浸紙老化的主要形式。其實(shí)質(zhì)是在高溫的作用下，油浸紙發(fā)生熱降解以及其他一系列復(fù)雜的反應(yīng)，導(dǎo)致其絕緣、機(jī)械等方面性能的下降。熱老化的速率主要取決于變壓器內(nèi)部的運(yùn)行溫度， IEC60354《油浸式電力變壓器負(fù)載導(dǎo)則》中指出：A 級(jí)絕緣的變壓器，當(dāng)溫度在 80~140℃的范圍內(nèi)時(shí)，溫度每增加 6℃，變壓器油浸紙的老化速度就會(huì)增加一倍。 

    （三）機(jī)械老化 

      機(jī)械老化是指在變壓器振動(dòng)、短路電動(dòng)力等機(jī)械應(yīng)力作用下，油浸紙中分子級(jí)別的缺陷逐步發(fā)展，形成微小的裂縫并逐漸擴(kuò)大的過(guò)程。機(jī)械老化的同時(shí)，在強(qiáng)電場(chǎng)作用下，材料裂縫可能會(huì)引發(fā)局部放電，進(jìn)一步加快材料的老化進(jìn)程。與此同時(shí)，溫度升高，由于熱膨脹系數(shù)的差異，還會(huì)對(duì)絕緣材料產(chǎn)生額外的機(jī)械應(yīng)力，同樣會(huì)促進(jìn)機(jī)械老化進(jìn)程。 

    （四）化學(xué)老化 

      加速油浸紙老化的化學(xué)因素包括水、氧氣、酸等。其中，水分對(duì)變壓器油浸紙的影響最大，一方面，絕緣紙的分子結(jié)構(gòu)決定了其具有較強(qiáng)的親水性；另一方面， 水和酸既是造成油浸紙老化的原因，又是老化的產(chǎn)物， 它們對(duì)油浸紙的老化起 “正反饋” 。此外，水分的增加還會(huì)引起泄漏電流的增大和介質(zhì)損耗的增加，導(dǎo)致發(fā)熱量增加，溫度升高，進(jìn)一步加速絕緣老化。 

      三、油浸紙老化狀態(tài)評(píng)估技術(shù) 

      現(xiàn)有變壓器中油浸紙老化狀態(tài)的評(píng)估方法，從檢測(cè)對(duì)象及檢測(cè)手段的角度可分直接檢測(cè)方法和間接檢測(cè)方法。 

    （一）直接檢測(cè)方法 

      直接檢測(cè)方法以油浸紙為對(duì)象進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的測(cè)量， 基于這些油浸紙自身的材料參數(shù)評(píng)估其老化狀態(tài)。在直接檢測(cè)方法中，最有代表性的特征量是聚合度，它直接反映了油浸紙分子結(jié)構(gòu)的狀態(tài)，是目前公認(rèn)最可靠的特征量。許多其他的評(píng)估方法以及壽命預(yù)測(cè)模型都是以聚合度為基礎(chǔ)建立起來(lái)的。 

      直接檢測(cè)方法雖然可靠性高，但是存在以下兩方面的問(wèn)題：

      ①檢測(cè)得到的僅是局部區(qū)域油浸紙的老化狀態(tài)，未必能反映變壓器整體的絕緣狀態(tài)。

      ②油浸紙封閉于變壓器內(nèi)部，檢測(cè)時(shí)需對(duì)變壓器進(jìn)行吊芯（罩）。操作上存在諸多不便，且還可能會(huì)造成絕緣受潮、受損，引起二次劣化。 

    （二）間接檢測(cè)方法 

      間接檢測(cè)方法選擇變壓器油、變壓器端口等便于檢測(cè)的對(duì)象，通過(guò)對(duì)其進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的測(cè)量，提取與油浸紙老化狀態(tài)相關(guān)的間接特征量，實(shí)現(xiàn)變壓器內(nèi)部油浸紙老化狀態(tài)的評(píng)估。間接檢測(cè)方法避免了直接對(duì)油浸紙進(jìn)行相關(guān)參數(shù)測(cè)量存在的諸多不便。目前的間接檢測(cè)方法可分為化學(xué)特征量檢測(cè)方法、電氣特征量檢測(cè)方法兩大類。

     1．化學(xué)特征量檢測(cè)方法 

      化學(xué)特征量檢測(cè)方法主要是通過(guò)對(duì)溶解于變壓器油中的，油浸紙的老化產(chǎn)物濃度進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)合這些老化產(chǎn)物濃度于油浸紙老化狀態(tài)之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)油浸紙老化狀態(tài)的間接評(píng)估。目前常用于評(píng)估油浸紙老化狀態(tài)的化學(xué)特征量主要有糠醛濃度、CO 和 CO2 的濃度及其比值等，標(biāo)準(zhǔn)中也給出了相應(yīng)的參考值。 

      通過(guò)油中老化生成物的含量來(lái)評(píng)估油浸紙的老化狀態(tài)，取樣過(guò)程對(duì)變壓器運(yùn)行影響較小，還可進(jìn)一步通過(guò)內(nèi)置傳感器實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)，具有很好的應(yīng)用前景。但仍存在以下幾方面的問(wèn)題需要完善： 

      ①變壓器的換油、補(bǔ)油操作將直接改變老化生成物的濃度，導(dǎo)致評(píng)估結(jié)果可靠性下降。 

      ②糠醛等老化生成物會(huì)與油中抗氧化劑等物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，致使測(cè)量得到的濃度偏低。 

      ③水分、CO 和 CO2 等物質(zhì)不僅來(lái)自于油浸紙的老化， 變壓器油的分解、外部氣體的侵入也會(huì)改變油中相應(yīng)成分的濃度。 

      ④變壓器的絕緣結(jié)構(gòu)、油紙比例、溫度、水分等因素也會(huì)顯著影響運(yùn)行過(guò)程中相關(guān)化學(xué)成分的生成速率、 生成量以及擴(kuò)散情況。

     2．電氣特征量檢測(cè)方法 

      電氣特征量檢測(cè)方法是測(cè)量并分析變壓器整體絕緣結(jié)構(gòu)在各類型激勵(lì)下的響應(yīng)信號(hào)，通過(guò)從相應(yīng)信號(hào)中提取相關(guān)特征量，對(duì)變壓器內(nèi)部油浸紙的老化狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，主要方法包括局部放電信號(hào)檢測(cè)、介電響應(yīng)檢測(cè)等。

      基于局部放電信息進(jìn)行油浸紙老化狀態(tài)評(píng)估，可以有效避免變壓器補(bǔ)油、換油等操作的影響，實(shí)現(xiàn)無(wú)損在線檢測(cè)，且可進(jìn)行老化定位。但是其實(shí)際應(yīng)用目前受制于以下兩方面的問(wèn)題： 

      ①局部放電信號(hào)的檢測(cè)技術(shù)尚不成熟?？垢蓴_能力， 精度尚難以滿足要求。 

      ②局部放電特征量與老化的關(guān)系尚不完善，無(wú)法實(shí)現(xiàn)老化狀態(tài)的量化評(píng)估。 

      介電響應(yīng)特性檢測(cè)方法操作簡(jiǎn)單，便于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量， 是目前油浸紙老化狀態(tài)評(píng)估領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。目前常用的介電響應(yīng)測(cè)量方法有：極化 / 去極化電流法、回復(fù)電壓法以及頻域介電譜法。 

      變壓器端口的介電響應(yīng)特性由油浸紙、變壓器油的狀態(tài)，以及變壓器的絕緣結(jié)構(gòu)等諸多因素綜合決定。單純根據(jù)介電響應(yīng)信號(hào)提取的各種特征量，雖然與油浸紙的老化狀態(tài)有較強(qiáng)的相關(guān)性，但一定程度上仍然受到變壓器油、變壓器絕緣結(jié)構(gòu)的影響。

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