油浸式電力變壓器固體絕緣剩余壽命探討

顧春陽(yáng)

(上海電機(jī)學(xué)院,上海 201306)

油浸式電力變壓器固體絕緣剩余壽命探討

顧春陽(yáng)

(上海電機(jī)學(xué)院,上海 201306)

變壓器是電力系統(tǒng)的重要組成部分,其運(yùn)行效果在很大程度上決定了系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性與可靠性,但是基于變壓器持續(xù)不間斷的運(yùn)行特點(diǎn),必須要做好對(duì)其服務(wù)壽命的研究,尤其是固體絕緣剩余壽命的管理,爭(zhēng)取有效提高變壓器綜合服務(wù)效果。本文對(duì)油浸式電力變壓器固體絕緣老化機(jī)理進(jìn)行了分析,并對(duì)其絕緣剩余壽命管理措施進(jìn)行了簡(jiǎn)要探討。

油浸式變壓器 固體絕緣 剩余壽命

電力變壓器是電網(wǎng)進(jìn)行與運(yùn)行的重要保障，關(guān)系著整個(gè)電力系統(tǒng)運(yùn)行安全性與穩(wěn)定性。電力變壓器在應(yīng)用時(shí)具有持續(xù)不間斷的運(yùn)行特點(diǎn)，固體絕緣受損比較嚴(yán)重，尤其是針對(duì)部分投入早期的設(shè)備，基本上已經(jīng)超出設(shè)計(jì)壽命。這樣為提高設(shè)備運(yùn)行效率，就需要從固體絕緣老化機(jī)理出發(fā)進(jìn)行研究，并選擇有效的措施來適當(dāng)?shù)难娱L(zhǎng)構(gòu)件服務(wù)年限，延長(zhǎng)其剩余壽命，提高電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性與經(jīng)濟(jì)性。

1 電力變壓器老化機(jī)理分析

對(duì)于油浸式電力變壓器來說，其運(yùn)行時(shí)主要是利用油-紙絕緣結(jié)構(gòu)，由絕緣油、紙板以及絕緣紙等組成，在運(yùn)行時(shí)絕緣油通過脫氣、過濾以及換油等方式來對(duì)絕緣性進(jìn)行優(yōu)化，這樣在變壓器運(yùn)行過程中，就可以對(duì)絕緣油進(jìn)行再生與更換，最終由固體絕緣決定了變壓器的剩余壽命。從實(shí)際情況來看，變壓器基本上均處于高壓環(huán)境下長(zhǎng)期不間斷運(yùn)行，勢(shì)必會(huì)造成固體絕緣的逐漸老化，進(jìn)而會(huì)影響到設(shè)備運(yùn)行效率。油浸式電力變壓器固體絕緣老化即纖維素降解的過程，包括熱解降解、水解降解以及氧化降解等方式[1]。為延長(zhǎng)變壓器使用壽命，在實(shí)驗(yàn)室通過加速老化試驗(yàn)來對(duì)多種因素下絕緣材料老化過程進(jìn)行研究，并由此來推出正常電壓與環(huán)境作用下老化壽命，有針對(duì)性的采取措施來延長(zhǎng)固體絕緣服務(wù)時(shí)間。

2 影響油浸式電力變壓器固體絕緣剩余壽命因素分析

2.1 溫濕度

變壓器運(yùn)行環(huán)境比較特殊，溫濕度均會(huì)對(duì)固體絕緣老化速度造成影響，對(duì)于油浸式變壓器來說，基本上都是采用的A級(jí)絕緣，在常規(guī)運(yùn)行環(huán)境中允許運(yùn)行溫度為65℃，當(dāng)溫度超過80℃后每升高6℃，將會(huì)加倍固體絕緣的老化，縮短變壓器剩余壽命[2]。而對(duì)于濕度來說，水分越多使得紙纖維講解速度越快，急速降低機(jī)械強(qiáng)度，對(duì)紙絕緣構(gòu)件影響比較大。為降低濕度對(duì)紙絕緣的影響，需要提前對(duì)其進(jìn)行干燥與浸油處理，并且要保持密封狀態(tài)，以免潮氣進(jìn)入破壞機(jī)械內(nèi)部干燥環(huán)境。因此，要做好對(duì)變壓器運(yùn)行環(huán)境的控制，將溫濕度均控制在允許的范圍內(nèi)，以免溫濕度過高加快固體絕緣的老化。

2.2 負(fù)載

變壓器運(yùn)行散熱與負(fù)載能力如何，在根本上決定了變壓器的工作溫度，如果此環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，將會(huì)導(dǎo)致設(shè)備運(yùn)行溫度升高，進(jìn)而會(huì)加速固體絕緣的老化。目前社會(huì)發(fā)展對(duì)電力需求不斷增大，使得很多變壓器長(zhǎng)期處于過負(fù)載運(yùn)行狀態(tài)，同樣會(huì)加快固體絕緣老化速度，縮短設(shè)備剩余壽命。因此，為延長(zhǎng)電力變壓器剩余壽命，必須要適當(dāng)控制其運(yùn)行負(fù)載，避免長(zhǎng)期超負(fù)荷運(yùn)行，降低此因素對(duì)設(shè)備服務(wù)壽命的影響。

2.3 短路電流

如果變壓器在運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)短路故障，則短路電流沖擊作用會(huì)造成變壓器引線位移，或者繞組變形，使得絕緣距離發(fā)生變化。如果處理不及時(shí)，還會(huì)造成繞組與絕緣機(jī)構(gòu)機(jī)械性能降低，對(duì)固體絕緣造成損傷，降低繞組承受短路電流的能力。因此，在變壓器運(yùn)行時(shí)要不定期進(jìn)行巡邏檢修，檢查各線路的完整性與運(yùn)行穩(wěn)定性，減小短路故障的發(fā)生概率。并且在巡檢過程中一旦發(fā)現(xiàn)短路故障，要及時(shí)進(jìn)行處理，并對(duì)損壞的固體絕緣構(gòu)件進(jìn)行更換，保證變壓器能夠正常運(yùn)行。

2.4 過電壓

大氣過電壓具有幅值高、波頭陡等特點(diǎn)，會(huì)對(duì)變壓器主絕緣與縱絕緣產(chǎn)生較大的影響，尤其是對(duì)于首端繞組電位來說，梯度大會(huì)受到大于沖擊電壓的高電壓，不但會(huì)造成固體絕緣損壞，甚至還會(huì)出現(xiàn)放電問題。另外，操作過電壓波頭相對(duì)平緩，在絕緣上的電壓分布相對(duì)均勻，很有可能會(huì)導(dǎo)致主絕緣與相間絕緣劣化。而對(duì)于暫時(shí)過電壓來說，其持續(xù)的時(shí)間比較長(zhǎng)，會(huì)致使絕緣構(gòu)件溫度升高，在油紙絕緣內(nèi)部出現(xiàn)電離故障。過電壓是影響油浸式電力變壓器固體結(jié)緣構(gòu)件老化的主要因素，同時(shí)在控制上難度也比較大，在電網(wǎng)運(yùn)行過程中必須要加強(qiáng)對(duì)此方面因素的重視，針對(duì)不同的過電壓影響特點(diǎn)，來選擇相對(duì)應(yīng)的處理措施，降低其對(duì)設(shè)備運(yùn)行造成的影響，延長(zhǎng)變壓器剩余壽命。

3 油浸式電力變壓器剩余壽命評(píng)估技術(shù)分析

3.1 紙絕緣聚合度檢測(cè)法

紙絕緣是油浸式電力變壓器固體絕緣重要組成部分，所謂的聚合度即一個(gè)纖維素大分子包含的重讀結(jié)構(gòu)單元數(shù)量，即D-吡喃型葡萄糖基數(shù)量。當(dāng)纖維素分子聚合度降低后，分子鏈長(zhǎng)度會(huì)縮短，分子之間作用力降低，紙絕緣機(jī)械強(qiáng)度減小。一般情況下新的紙絕緣聚合度為1000～1200范圍，當(dāng)聚合度降低到500時(shí)，絕緣為壽命中期階段，當(dāng)降低到250時(shí)則會(huì)導(dǎo)致機(jī)械強(qiáng)度大幅度降低，降低到150左右時(shí)，紙絕緣將喪失全部機(jī)械強(qiáng)度[3]。經(jīng)過試驗(yàn)分析可得，紙絕緣聚合度會(huì)隨著溫度的增加減小，在確定變壓器剩余壽命時(shí)，就可以根據(jù)紙絕緣聚合度老化與裂解參數(shù)來判斷，一般可以直接選取紙樣故障部位老化程度進(jìn)行分析。

3.2 糠醛含量檢測(cè)法

在油浸式變壓器紙絕緣老化時(shí)，會(huì)將纖維素降解來生成部分D-葡萄糖單糖，但是因?yàn)槠浞€(wěn)定性低，極容易分解成氧化雜環(huán)化合物，糠醛為其中一種，并且只有由紙絕緣或者紙板等纖維素材料降解產(chǎn)生。因此，在判斷變壓器剩余壽命時(shí)，可以通過對(duì)油中糠醛含量變化的測(cè)定分析，來確定當(dāng)前變壓器固體絕緣老化狀態(tài)與運(yùn)行趨勢(shì)。一般情況下，當(dāng)油中糠醛濃度達(dá)到0.5mg/L時(shí)，就需要采取一定的措施進(jìn)行處理，對(duì)紙絕緣聚合度做更進(jìn)一步的檢測(cè)分析，通過多方面的綜合分析診斷，來確定變壓器的剩余壽命與運(yùn)行狀態(tài)。

3.3 介質(zhì)響應(yīng)分析檢測(cè)法

3.3.1 恢復(fù)電壓法

如下圖1所示，將開關(guān)S1閉合后，直流電壓Uc將會(huì)作用于絕緣系統(tǒng)，經(jīng)過充電時(shí)間tc后，將開關(guān)S1打開，并閉合開關(guān)S2，在較短短時(shí)間td內(nèi)進(jìn)行短路放電操作，其中td＜tc。然后將開關(guān)S1打開，則剩余的被極化電荷將會(huì)逐漸返回到自由狀態(tài)，造成絕緣系統(tǒng)兩端電壓升高，升高達(dá)到峰值狀態(tài)后持續(xù)下降到零值，整個(gè)過程即為恢復(fù)電壓。對(duì)于油浸式電力變壓器固體絕緣剩余壽命的分析，就可以采取此種形式，將恢復(fù)電壓峰值Umax、恢復(fù)電壓峰值時(shí)間tmax以及起始斜率S作為判斷油紙絕緣系統(tǒng)老化與受潮狀態(tài)的分析依據(jù)。

恢復(fù)電壓峰值與電介質(zhì)極化率之間成正比例關(guān)系，恢復(fù)電壓起始斜率與電介質(zhì)電導(dǎo)率成正比例關(guān)系，對(duì)于電力變壓器來說，隨著絕緣紙中含水量的不斷升高，將會(huì)在油紙界面產(chǎn)生更多的束縛電荷，相應(yīng)的也就會(huì)產(chǎn)生更為明顯的極化現(xiàn)象，導(dǎo)致系統(tǒng)電導(dǎo)率增加，恢復(fù)電壓峰值升高以及峰值時(shí)間縮短。

3.3.2 極化去極化電流法

如圖2所示，閉合開關(guān)S1，將直流電壓Uc施加于高壓繞組與低壓繞組之間，則變壓器絕緣中就會(huì)產(chǎn)生極化電流ipol，公式為：

其中，f(t)表示絕緣介質(zhì)響應(yīng)函數(shù)，C、γ以及ε表示絕緣介質(zhì)幾何電容、直流電導(dǎo)率以及相對(duì)介電常數(shù)。

f(t)為單調(diào)減函數(shù)，在充電時(shí)間tc足夠長(zhǎng)時(shí)，極化電流將會(huì)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，大小取值受絕緣介質(zhì)直流電導(dǎo)率決定，當(dāng)t＜100s時(shí)，油電導(dǎo)率為主要影響因素，電導(dǎo)率越高則極化電流越大。在t＞1000s以后，變壓器固體絕緣內(nèi)水分將會(huì)對(duì)極化電流產(chǎn)生影響，即水分含量越高則電流越大。極化完成后將開關(guān)S1斷開，并合并開關(guān)S2，絕緣介質(zhì)會(huì)被電流表進(jìn)行短時(shí)間的短接，并產(chǎn)生負(fù)向反極化電流idepol，公式為：

其中，tc表示施加直流電壓充電時(shí)間，在變壓器絕緣介質(zhì)被充分極化后，極化電流將會(huì)與介質(zhì)相應(yīng)函數(shù)成正比相關(guān)，這樣就可以利用電流變化來對(duì)固體絕緣介質(zhì)受潮與老化情況進(jìn)行判斷，確定變壓器固體絕緣剩余壽命。

4 結(jié)語(yǔ)

固體絕緣老化程度決定了油浸式電力變壓器剩余服務(wù)壽命，為延長(zhǎng)設(shè)備使用年限，就需要對(duì)影響固體絕緣老化的因素進(jìn)行分析，通過合理的方式來檢測(cè)診斷設(shè)備剩余壽命，并在此基礎(chǔ)上有針對(duì)性的選擇優(yōu)化措施，降低固體絕緣的老化，延長(zhǎng)設(shè)備服務(wù)年限。

[1]林朝暉.油浸式電力變壓器固體絕緣剩余壽命研究[D].西華大學(xué), 2010.

[2]林朝暉,張彼德,黃鵬飛,林麗琴.油浸式變壓器固體絕緣診斷及剩余壽命預(yù)測(cè)[J].高壓電器,2010,09:71-73.

[3]王偉,曲文韜,楊承龍,馮新巖.油浸式電力變壓器固體絕緣老化檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用[J].電氣技術(shù),2010,10:39-42.