淺析油浸式變壓器的老化和壽命評(píng)估

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摘要：在電力行業(yè)為了保證變壓器的正常運(yùn)行，要準(zhǔn)確的評(píng)估電力變壓器的老化速度以及剩余壽命，本文以變壓器絕緣老化機(jī)理為基礎(chǔ)原理，并參考了近年國(guó)內(nèi)外相關(guān)的研究，對(duì)油浸式變壓器的老化以及壽命評(píng)估進(jìn)行了深入的分析和研究，以供同仁參考。

關(guān)鍵詞：油浸式變壓器；老化；壽命評(píng)估

經(jīng)濟(jì)的發(fā)展促進(jìn)了電力行業(yè)的發(fā)展，目前在我國(guó)伴隨著電網(wǎng)裝機(jī)容量的迅速增長(zhǎng)，電力行業(yè)對(duì)于供電的安全以及可靠性有了越來(lái)越高的要求。變壓器是核電站電力輸出的重大、關(guān)鍵設(shè)備之一。目前我國(guó)核電站主變主要使用的是超高壓、大容量的油浸式大型電力變壓器。油浸式電力變壓器的一般設(shè)計(jì)壽命為30 年，實(shí)際運(yùn)行壽命一 般為20～40 年，在實(shí)際工作中，油浸式變壓器的安全運(yùn)行以及使用壽命都是由變壓器的絕緣老化程度所直接影響并決定的，一般的，變壓器油在變壓器正常工作運(yùn)行中可以進(jìn)行再生或更換，所以油浸式變壓器的老化以及使用壽命主要是取決于絕緣紙板以及實(shí)際的使用狀況。因此要評(píng)估和預(yù) 測(cè)主變的設(shè)計(jì)壽期以延長(zhǎng)設(shè)計(jì)壽期內(nèi)能否安全、可靠 運(yùn)行，首先要對(duì)它的老化與壽命狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)與評(píng)估，這樣能夠保證變壓器的正常運(yùn)行。

一、變壓器老化壽命評(píng)估的意義

電力工業(yè)的迅猛發(fā)展對(duì)電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行以及供電可靠性提出了更高的要求。電力系統(tǒng)中最重要的就是電力變壓器的運(yùn)行，可以說(shuō)它是系統(tǒng)運(yùn)行的關(guān)鍵，它的運(yùn)行狀況直接關(guān)系到系統(tǒng)能否安全運(yùn)行，它是電網(wǎng)中能量轉(zhuǎn)換、傳輸?shù)暮诵?，在電力系統(tǒng)中處于極其重要的地位。一旦大型的電力變壓器在正常運(yùn)行時(shí)發(fā)生事故，可能會(huì)導(dǎo)致大面積停電，其檢修期一般也需要半年左右。因此，由于電力變壓器自身的昂貴造價(jià)以及其在電力系統(tǒng)中的重要地位，其發(fā)生事故所帶來(lái)的直接間接損失將是非常巨大的。變壓器作為輸變電系統(tǒng)中最關(guān)鍵和昂貴設(shè)備，其運(yùn)行安全可靠性對(duì)于用戶(hù)來(lái)說(shuō)是非常重要的。目前世界上有很多變壓器已經(jīng)運(yùn)行到了其設(shè)計(jì)壽命終點(diǎn)，而且要更換的成本是非常昂貴，但其中也有一些變壓器本身狀況卻非常好并且可以繼續(xù)運(yùn)行很多年，因此判斷變壓器老化狀況并以次對(duì)變壓器壽命進(jìn)行評(píng)估將會(huì)對(duì)電力部門(mén)起到非常關(guān)鍵作用。

根據(jù)國(guó)內(nèi)外電力行業(yè)的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，電壓等級(jí)越高、容量越大，電力變壓器的故障率一般也就越高，并且修復(fù)時(shí)間也就越長(zhǎng)。所以，保證變壓器的安全運(yùn)行對(duì)電力系統(tǒng)具有非常重大的意義。目前使用最廣泛的電力變壓器分為油浸式變壓器以及干式樹(shù)脂變壓器兩種，其中油浸式變壓器占電力系統(tǒng)中運(yùn)行的變壓器大多數(shù)。電力變壓器的絕緣系統(tǒng)的安全可靠，是變壓器正常工作運(yùn)行的基本條件，絕緣材料的壽命對(duì)變壓器的使用壽命起決定作用。

二、油浸式變壓器的老化方式及評(píng)估方法

在變壓器運(yùn)行一段時(shí)間后，在運(yùn)行過(guò)程中由于電場(chǎng)，水分，溫度以及機(jī)械力等諸多的外界作用會(huì)加速變壓器絕緣體的老化速度，目前我國(guó)的變壓器絕緣材料的聚合度是判斷變壓器絕緣老化程度的最重要依據(jù)。在實(shí)際工作中，在實(shí)際工作中主要是以絕緣紙板的平均聚合度為標(biāo)準(zhǔn)來(lái)判斷變壓器老化程度，目前我們采用的是以下標(biāo)準(zhǔn)：

絕緣紙平均聚合度的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

分類(lèi)壽命級(jí)危險(xiǎn)級(jí)

平均DP< 450< 250

1）壽命級(jí)的指標(biāo) 當(dāng)變壓器的外部發(fā)生短路現(xiàn)象時(shí)，絕緣紙的承受拉伸強(qiáng)度會(huì)有所降低，直至初始值的 60%；而危險(xiǎn)級(jí)是指變壓器的最大拉伸強(qiáng)度降低至初始值的15%。

2）絕緣紙纖維的 DP 失效概率具體標(biāo)準(zhǔn)如下：

①DP≥450，失效概率 =0；②450 > DP≥250，失效概率 =（450 - DP）/ 200；③250 > DP，失效概率 =1。

3）用平均 DP 估算變壓器的剩余壽命即nL/ n0=（1 - r）L，其中 n0為平均 DP 起始值；nL為L(zhǎng)后的平均 DP；L為年數(shù)，a；r 是平均 DP 下降率。

三、固體絕緣結(jié)構(gòu)以及其老化機(jī)理

油浸式變壓器的固體絕緣紙屬于纖維素絕緣材料，實(shí)際應(yīng)用的絕緣材料主要是由90%的Q纖維素以及10%的半纖維素，再加之少量的木質(zhì)素等材料所共同構(gòu)成的。這其中纖維素是由2000左右的葡萄糖單體所組成的長(zhǎng)鏈狀高聚物，它的結(jié)構(gòu)大約是70%的結(jié)晶部分以及30% 的無(wú)定型部分；材料中的半纖維素是葡萄糖單體低于200的聚合物，它的組成因素主要是氫鍵以及纖維素纖維的結(jié)合體，為多糖構(gòu)成，而這種成分對(duì)于變壓器的機(jī)械強(qiáng)度有很大的影響。木質(zhì)素是較為復(fù)雜的酚類(lèi)聚合物，它的分子量大約為11000，主要是由肉桂醇立體聚合而成，其具體結(jié)構(gòu)因 來(lái)源不同而各異。在實(shí)際情況中一旦葡萄糖單體聚合物的聚合度值低于200，就會(huì)影響機(jī)械的正常運(yùn)行，難以達(dá)到電氣絕緣強(qiáng)度的實(shí)際要求，因此極度老化導(dǎo)致絕緣紙壽命終止的聚合度應(yīng)約為150～200。絕緣紙化過(guò)程中，其聚合度和抗拉強(qiáng)度將逐漸降低，并生成水分、CO、C02、氫氣等特征氣體，以及糠醛等特征老化產(chǎn)物，從而降低體積電阻率以及抗拉強(qiáng)度，導(dǎo)致介損增大。

在實(shí)際工作中，固體紙絕緣會(huì)發(fā)生不同程度的不可逆轉(zhuǎn)的老化，就會(huì)直接影響機(jī)械和以及電氣強(qiáng)度的運(yùn)行，的降低都是不可恢復(fù)的。變壓器的使用壽命主要取決于絕緣材料的壽命，因此油浸變壓器的固體絕緣材料，既應(yīng)該具有良好的電氣絕緣性能和機(jī)械強(qiáng)度，并且應(yīng)該在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行過(guò)程中，這些性能保持較慢的下降速度，即具有良好的老化特性。

四、油浸式變壓器結(jié)構(gòu)材料的老化特性與可維修性

大型電力變壓器普遍采用油紙絕緣結(jié)構(gòu)，而固體絕緣具有不可恢復(fù)的老化特性，其性能狀態(tài)對(duì)變壓器的運(yùn)行壽命及維護(hù)策略有著決定性的影響。

機(jī)械設(shè)備及機(jī)械零件在有形老化的影響下，會(huì)出現(xiàn)明顯的機(jī)械故障。根據(jù)機(jī)械設(shè)備的使用與維修特點(diǎn)，總結(jié)機(jī)械故障的基本規(guī)律，分析機(jī)械故障的基本特性，有利于正確選擇機(jī)械設(shè)備的維修方式。

目前，油紙絕緣結(jié)構(gòu)在大型電力變壓器的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中得到了普遍的應(yīng)用，在運(yùn)行過(guò)程中一直受到電、熱、機(jī)械及化學(xué)等應(yīng)力的作用，性能不斷劣化，容易引發(fā)非計(jì)劃性停電甚至災(zāi)難性的事故。絕緣油可以在變壓器服役期間通過(guò)濾油或更換的方式來(lái)改善其絕緣性能，而變壓器紙板具有不可逆轉(zhuǎn)的老化特性，因此變壓器的壽命很大程度上取決于絕緣紙板等固體絕緣材料的電氣和機(jī)械性能。

目前變壓器的絕緣主要是利用油紙進(jìn)行絕緣，也就是將絕緣紙浸漬絕緣油，這樣就能消除絕緣紙纖維之間的氣隙，能夠有效的提高絕緣的電氣強(qiáng)度。電力變壓器絕緣紙常采用電力電纜紙、高壓電纜紙和變壓器匝絕緣紙，變壓器及其他電器產(chǎn)品的絕緣；高壓電纜紙一般用于110～330 kV變壓器和互感器的絕緣；變壓器匝絕緣紙是性能更好的一種電氣絕緣紙，可用于500 kV 的變壓器、互感器和電抗器。

結(jié)束語(yǔ)

變壓器是電力系統(tǒng)中中最為關(guān)鍵與昂貴的電力設(shè)備，它的安全運(yùn)行對(duì)于整個(gè)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行有重要的意義。在實(shí)際情況下，由于不同的負(fù)荷以及實(shí)際運(yùn)行條件，會(huì)導(dǎo)致電力變壓器的絕緣出現(xiàn)各種各樣的老化現(xiàn)象，最終影響其實(shí)際壽命。因此研究變壓器絕緣老化的監(jiān)測(cè)與分析方法，以準(zhǔn)確評(píng)估變壓器的運(yùn)行壽命，對(duì)發(fā)展電力設(shè)備的狀態(tài)維修策略以及保證電力系統(tǒng)的安全、可靠與穩(wěn)定運(yùn)行，具有非常重要的應(yīng)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

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