變壓器油紙絕緣熱電聯(lián)合老化特征量研究

張宇航　蘭　生

（福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福州 350108）

變壓器油紙絕緣熱電聯(lián)合老化特征量研究

張宇航蘭生

（福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福州 350108）

為研究電力變壓器油紙絕緣在熱、電兩種應(yīng)力作用下的老化特性，搭建了油紙絕緣熱電聯(lián)合老化試驗(yàn)平臺(tái)，設(shè)計(jì)了兩組在130℃下進(jìn)行的加速老化試驗(yàn)：一組是單因子熱老化試驗(yàn)，另一組為熱電聯(lián)合老化試驗(yàn)。通過(guò)對(duì)兩組老化樣本的絕緣紙聚合度、擊穿電壓、油中微水含量等參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明，熱電聯(lián)合老化樣本絕緣紙聚合度下降速度比熱老化樣本要快，且在老化初期絕緣紙擊穿電壓與絕緣紙聚合度呈一定線性關(guān)系，與油中水分含量則沒(méi)有明顯的直接聯(lián)系。

電力變壓器；油紙絕緣；熱電聯(lián)合老化；擊穿電壓

變壓器在電力系統(tǒng)中有著舉足輕重的地位，一旦發(fā)生故障，就有可能引發(fā)大面積的停電事故，甚至?xí)?duì)現(xiàn)代國(guó)民經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生不可估量的經(jīng)濟(jì)損失，而致使變壓器等電力設(shè)備失效的主要原因是其絕緣性能的劣化［1］。為了盡可能的降低變壓器發(fā)生的事故，迫切需要對(duì)油紙絕緣的老化特性進(jìn)行研究，從而為評(píng)估變壓器的絕緣狀態(tài)提供有效地依據(jù)。

溫度是變壓器固體絕緣老化的最主要影響因素之一［2］。變壓器在運(yùn)行中產(chǎn)生的熱量使溫度不斷升高，高溫環(huán)境的作用下，絕緣材料快速地發(fā)生了劣化；倘若時(shí)間很長(zhǎng)，就算溫度不是很高，絕緣材料仍舊會(huì)劣化且無(wú)法恢復(fù)，以上兩種情況稱為熱老化。溫度越高，受熱時(shí)間越長(zhǎng)，劣化趨勢(shì)越明顯，壽命也就越短。除此之外，變壓器在運(yùn)行過(guò)程中其內(nèi)部油紙絕緣系統(tǒng)還會(huì)受到電場(chǎng)的作用，由于變壓器在生產(chǎn)設(shè)計(jì)的時(shí)候，其絕緣系統(tǒng)留有足夠裕度承受工作電場(chǎng)對(duì)其絕緣性能的影響，所以變壓器運(yùn)行時(shí)的工作場(chǎng)強(qiáng)不是引起油紙絕緣電老化的主要因素。一般認(rèn)為，局部放電是促使變壓器油紙絕緣電老化的最主要原因［3］。

目前對(duì)于變壓器油紙絕緣老化特性的研究多為單因子熱老化。文獻(xiàn)［4］中對(duì)多種組合類型的油紙絕緣試品在90℃、110℃、130℃三種溫度下開(kāi)展單因子熱老化試驗(yàn)，對(duì)比分析了不同絕緣組合的老化特征參量的老化規(guī)律，包括絕緣紙聚合度、油中糠醛含量、CO、CO2以及油酸值和微水含量等。文獻(xiàn)［5］中對(duì)不同組合類型的油紙絕緣系統(tǒng)在110℃下進(jìn)行加速熱老化試驗(yàn)，分析了絕緣紙的擊穿電壓和介電常數(shù)隨老化時(shí)間的變化關(guān)系，指出在整個(gè)加速熱老化階段絕緣紙的擊穿電壓變化幅度不大，且擊穿電壓與紙中水分之間不具有明顯的相關(guān)性。

變壓器油紙絕緣系統(tǒng)在運(yùn)行的過(guò)程中會(huì)同時(shí)受到溫度、電場(chǎng)、水分、酸、氧氣、等多種因素的影響，并且它們不是簡(jiǎn)單地單獨(dú)作用，而是彼此干擾，互相加強(qiáng)，進(jìn)而加速油紙絕緣的老化進(jìn)程。文獻(xiàn)［6］中對(duì)油紙絕緣進(jìn)行電熱聯(lián)合加速老化，認(rèn)為FALLOU模型最適合用來(lái)作為油紙絕緣電熱聯(lián)合老化的壽命模型；文獻(xiàn)［7］中設(shè)計(jì)了油紙絕緣缺陷模型并進(jìn)行電熱老化試驗(yàn)，通過(guò)定期采集模型的局部放電信號(hào)以及絕緣紙樣本聚合度，分析試驗(yàn)樣本局部放電信號(hào)中特征算子在老化過(guò)程中的變化規(guī)律。

本文同時(shí)考慮溫度和電場(chǎng)對(duì)油紙絕緣老化的影響，研究了油紙絕緣的熱電聯(lián)合老化特征參量隨老化時(shí)間的變化關(guān)系以及特征參量之間的關(guān)系，并與單因子熱老化結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

1　油紙絕緣熱電聯(lián)合老化試驗(yàn)

試驗(yàn)材料選用長(zhǎng)城25#變壓器油和普通變壓器絕緣紙（純硫酸鹽木漿紙），絕緣紙厚度為0.5mm。為了盡量縮短老化時(shí)間，采用130℃的恒溫對(duì)絕緣油紙樣本進(jìn)行加速老化。另外據(jù)重慶ABB有限公司提供的油浸式變壓器匝間油紙的耐壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)，匝間絕緣油紙耐受電壓不超過(guò)3kV/mm，可認(rèn)為當(dāng)所受場(chǎng)強(qiáng)達(dá)到3kV/mm時(shí)，絕緣油紙?zhí)幱诩铀匐娎匣癄顟B(tài)，因每組板板電極間疊加放有兩層絕緣紙，故本次試驗(yàn)施加電壓值為3kV。

為模擬變壓器油紙絕緣的實(shí)際處理過(guò)程，需要對(duì)試驗(yàn)樣品進(jìn)行預(yù)處理，其具體流程如下。

1）將絕緣紙裁剪成直徑9cm的圓形。

2）將這些試樣置于真空恒溫干燥箱中，在90℃、50Pa條件下干燥48h，使得絕緣紙?jiān)嚇又械乃纸档偷捷^低水平。

3）將溫度降至40℃，注入經(jīng)過(guò)加熱至40℃的25#變壓器油，油浸24h。

4）完成處理后將絕緣紙放入試驗(yàn)油箱內(nèi)，并注入新的25#變壓器油，油與紙的質(zhì)量比例為10∶1，每個(gè)油箱內(nèi)疊加放入兩片絕緣紙樣品，往油箱內(nèi)充入氮?dú)狻颖绢A(yù)處理流程如圖1所示。

圖1　樣本預(yù)處理流程圖

將預(yù)處理后的樣本分T、TE兩組置于老化箱內(nèi)，T組用于單因子熱老化，TE組用于熱電聯(lián)合老化，T組只需加熱，TE組同時(shí)施加溫度和電壓，試驗(yàn)溫度為130℃，電壓為3kV工頻交流電壓；定期測(cè)量樣本的絕緣紙聚合度、絕緣紙擊穿電壓、微水含量等參量。

本次試驗(yàn)在130℃溫度下持續(xù)進(jìn)行10天，根據(jù)“10度半”規(guī)則，即溫度每升高10℃絕緣壽命減半，相當(dāng)于油紙絕緣在正常工作情況下工作了接近一年左右。

試驗(yàn)油箱采用不銹鋼制成，底面直徑為10cm，高度為10cm。因老化試驗(yàn)溫度達(dá)到130℃，油箱蓋采用耐高溫的聚四氯乙烯材質(zhì)。板板電極采用金屬銅制成，經(jīng)過(guò)打磨和拋光，使得其表面平整和光滑。板板電極示意圖如圖2所示。

圖2　板板電極

熱電聯(lián)合老化試驗(yàn)中采用3kV工頻交流電壓，試驗(yàn)油箱內(nèi)部電極通過(guò)高壓套管與老化箱外界加壓電路相連。加壓電路如圖3所示。

圖3　油紙絕緣熱電聯(lián)合老化加壓電路

絕緣紙擊穿電壓采用逐步升壓法測(cè)量，即將某一預(yù)期的電壓加于電極上，停留一段時(shí)間后，升高一定電壓值，再停留一段時(shí)間，如此重復(fù)直至擊穿。逐步升壓法示意圖如圖4所示。預(yù)期的電壓稱為初始電壓；每次升高的電壓值均相同，稱為升壓步長(zhǎng)；每次升壓后停留的時(shí)間也應(yīng)相同；若是擊穿發(fā)生在停留的電壓級(jí)上，則以該級(jí)電壓作為擊穿電壓值，若是擊穿發(fā)生在升壓過(guò)程中，應(yīng)以擊穿前開(kāi)始升壓的那一級(jí)電壓作為擊穿電壓值。

圖4　逐步升壓法試驗(yàn)示意圖

測(cè)量絕緣紙擊穿電壓采用的試驗(yàn)電極按照ASTM-D149-81的規(guī)程［8］設(shè)計(jì)，其示意圖如圖5所示。試驗(yàn)時(shí)選定初始電壓為0、升壓步長(zhǎng)為1kV、電壓停留時(shí)間為1min，按照升壓步長(zhǎng)逐步增加電壓，直至試樣發(fā)生擊穿，記錄下?lián)舸r(shí)的電壓值Ut，在同一升壓步長(zhǎng)條件下重復(fù)進(jìn)行多次試驗(yàn)。每個(gè)老化階段做5次試驗(yàn)，取多次試驗(yàn)結(jié)果的中值作為該老化樣本的擊穿電壓，若有任何一個(gè)試驗(yàn)結(jié)果偏離中值15%以上，則需要另做5次試驗(yàn)，以10次試驗(yàn)結(jié)果的中值作為樣本的電氣強(qiáng)度［9］。

圖5　擊穿試驗(yàn)電極示意圖

2　試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1絕緣紙聚合度

絕緣紙的聚合度測(cè)量可以反映絕緣老化的本質(zhì)特征，需要的實(shí)驗(yàn)樣品比較少，數(shù)據(jù)分散性也比較小，由于具有重復(fù)性好、測(cè)量精度高、能準(zhǔn)確反映絕緣老化程度的優(yōu)點(diǎn)，是判斷絕緣紙老化程度的理想?yún)?shù)。參照ASTM D4243及ASTM D445的標(biāo)準(zhǔn)，采用粘度法測(cè)量得到兩組樣本不同老化階段的聚合度如圖6所示。

圖6　絕緣紙聚合度隨老化時(shí)間變化規(guī)律

從圖6中可以看出，隨著老化程度的加深，絕緣紙聚合度逐漸降低；TE組聚合度降低速度比T組較快，當(dāng)老化時(shí)間達(dá)到240h時(shí)，絕緣紙聚合度降為800多，說(shuō)明絕緣紙還處于老化的初期，本文所探究的也是油紙絕緣老化初期的老化特性。

2.2絕緣紙擊穿電壓

采用逐步電壓法分別測(cè)得T、TE組絕緣紙的擊穿電壓值見(jiàn)表1。

表1　絕緣紙的擊穿電壓值

從圖7中可以看出，在油紙絕緣老化初期，隨著老化的進(jìn)行，T和TE兩組樣本的絕緣紙擊穿電壓剛開(kāi)始略有下降，隨后有升高的趨勢(shì)；另外TE組的絕緣紙擊穿電壓整體上略低于T組，說(shuō)明相比單因子熱老化，熱電聯(lián)合作用下的油紙絕緣擊穿電壓更低，電場(chǎng)的作用會(huì)進(jìn)一步降低油紙絕緣的電氣強(qiáng)度。初步分析其原因，可能是因?yàn)橛徒^緣紙內(nèi)部難免會(huì)存在氣隙或氣泡等缺陷，而油紙絕緣的擊穿過(guò)程是尋找油紙絕緣系統(tǒng)“最薄弱環(huán)節(jié)”的過(guò)程，在這些微小的缺陷在工頻電場(chǎng)的持續(xù)作用下逐漸變大，從而形成所謂的“最薄弱環(huán)節(jié)”，導(dǎo)致絕緣紙相對(duì)于單因子熱老化下的絕緣紙更加容易被擊穿。

圖7　絕緣紙擊穿電壓隨老化時(shí)間變化規(guī)律

2.3油中的微水含量

變壓器油、紙?jiān)诶匣呀膺^(guò)程中均會(huì)生成水，導(dǎo)致油紙絕緣系統(tǒng)內(nèi)水分含量增加，進(jìn)一步加快油紙絕緣的老化進(jìn)程。對(duì)于油、紙組成的固液絕緣系統(tǒng)，水分會(huì)在油與紙之間進(jìn)行遷移以達(dá)到某種動(dòng)態(tài)平衡，最終會(huì)以一定的比例分配在絕緣油和纖維紙中，而一般絕緣紙內(nèi)的水分含量難以獲取，故通常以油中微水含量作為油紙絕緣老化的一個(gè)重要特征參量。本次兩組試驗(yàn)的油中微水含量如圖8所示。

由圖8可知，對(duì)于130℃下的兩組試驗(yàn)，在油紙絕緣老化初期油中微水含量總體趨勢(shì)呈現(xiàn)的是先增大再減小，然后趨于平穩(wěn)的趨勢(shì)，但總的變化并不明顯。

2.4絕緣紙擊穿電壓與聚合度的關(guān)系

為探究在老化初期絕緣紙擊穿電壓與聚合度的關(guān)系，得到如圖9所示的絕緣紙擊穿電壓與聚合度DP的關(guān)系曲線。

圖9　絕緣紙擊穿電壓與聚合度的關(guān)系

從絕緣紙的整個(gè)老化過(guò)程（老化初期到壽命終止）來(lái)看，絕緣紙的擊穿電壓與聚合度并沒(méi)有明顯的關(guān)系［10］，而從圖9中可以看出，對(duì)于在130℃下的兩組加速老化試驗(yàn)樣本，在絕緣紙老化初期（DP＞800），其擊穿電壓與聚合度呈一定的線性關(guān)系。

2.5絕緣紙擊穿電壓與油中微水含量的關(guān)系

普遍認(rèn)為水分是影響絕緣介質(zhì)電氣強(qiáng)度的重要因素之一，鑒于此本文探究了絕緣紙擊穿電壓與油中微水含量之前的關(guān)系，如圖10所示。為消除量綱的影響，對(duì)擊穿電壓和油中微水含量進(jìn)行歸一化處理，處理方式為取數(shù)據(jù)占數(shù)據(jù)總和的比值。從圖10中可以看出，T、TE組絕緣紙擊穿電壓與油中微水含量之間并不具有明顯的相關(guān)性。

圖10　絕緣紙擊穿電壓與油中微水含量的關(guān)系

3　結(jié)論

本文通過(guò)搭建油紙絕緣熱電聯(lián)合老化試驗(yàn)平臺(tái)，并設(shè)計(jì)了130℃下的兩組加速老化試驗(yàn)：一組是單因子熱老化試驗(yàn)，另一組為熱電聯(lián)合老化試驗(yàn)，對(duì)變壓器油紙絕緣在熱、電兩種應(yīng)力作用下的老化特性進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：

1）隨著老化時(shí)間的推移，無(wú)論單因子熱老化還

是熱電聯(lián)合老化，絕緣紙的聚合度都逐漸減小，且熱電聯(lián)合應(yīng)力作用下的絕緣紙聚合度減小速度更快，即電應(yīng)力能加速油紙絕緣的老化。

2）在油紙絕緣老化初期（DP＞800），絕緣紙的擊穿電壓先略有減小，隨后呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)。

3）在油紙絕緣老化初期階段，兩組加速老化試驗(yàn)樣本其絕緣紙擊穿電壓與聚合度呈一定的線性關(guān)系，而絕緣紙擊穿電壓與油中微水含量沒(méi)有明顯的關(guān)系。

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Study on Thermo-electrical Aging Characteristics of Transformer Oil-paper Insulation

Zhang Yuhang Lan Sheng
（College of Electrical Engineering and Automation， Fuzhou University， Fuzhou 350108）

In order to study on thermo-electrical aging of transformer oil-paper insulation， a test platform for thermo-electrical aging of oil-paper insulation is set up， and two groups of accelerated aging test are designed under 130℃. One is thermal aging test， the other is thermo-electrical aging test. By the comparison of two aging tests， the result shows that DP of paper under thermo-electrical stress decreases faster than that under single thermal stress. The breakdown voltage of paper has a linear relation with DP but no significant relationship with water content in oil at the beginning of the aging progress.

power transformer； oil-paper insulation； thermo-electrical aging； breakdown voltage

福建省自然科學(xué)基金（2015J01194）

張宇航（1991-），男，湖北省仙桃市，碩士生，主要從事變壓器油紙絕緣老化研究。