電力變壓器內(nèi)絕緣老化水平的狀態(tài)評估及分析

劉 翀,汪柏松

(國網(wǎng)安徽省電力有限公司安慶供電公司,安徽 安慶 246000)

0 引言

油浸式電力變壓器的工作穩(wěn)定性對電能的輸送、傳遞作用重大。 變壓器內(nèi)部絕緣油、絕緣紙組成的絕緣系統(tǒng)老化能力下降,促使其壽命也逐漸縮短[1]。 對變壓器內(nèi)絕緣結(jié)構(gòu)的絕緣能力展開定量評估,研究影響因素在老化過程中的作用,對保證變壓器的平穩(wěn)工作意義重大[2]。

為明確分析出反映老化程度的物理量,制備油紙樣品,進(jìn)行熱老化、烘干等處理,開展聚合度(degree of polymerization,DP)值、水分試驗(yàn),得出它們與老化時間的對應(yīng)關(guān)系;研究Davidson-Cole 模型參數(shù)、DP 值、水分之間的相互關(guān)系,進(jìn)一步明確變壓器老化程度的評估指標(biāo)[3]。

1 絕緣紙板聚合度測試

聚合度可直觀反映紙樣品中大分子化合物的數(shù)量,能有針對性地對樣品絕緣水平進(jìn)行區(qū)分[4]。 紙樣品內(nèi)部的主要組成分子是纖維素,而DP 值則可以直觀表征該大分子中單體葡萄糖分子的數(shù)目,從而反映紙樣品的絕緣水平。 國內(nèi)外試驗(yàn)分析得出新生產(chǎn)出的紙樣DP 值范圍是1 200～1 500。 但隨著變壓器長時間工作,并受到外界溫度、含水量等因素的影響,DP 值不斷下降,直至被擊穿[5]。 因此,就變壓器內(nèi)絕緣老化水平開展定量分析,對延長變壓器使用年限有極其重要的作用。

2 聚合度測量過程

2.1 所需的試驗(yàn)儀器與試劑

①烏氏粘度計(jì)。

②索氏提取器:對油浸紙板進(jìn)行脫脂處理。

③銅乙二胺溶劑:1 mol/L。

④正己烷:有機(jī)溶劑。

⑤蒸餾水和去離子水。

2.2 試驗(yàn)步驟

①絕緣紙板樣品獲取。

首先對新出廠的油浸紙板進(jìn)行老化處理,并將其裁剪成小份,放入真空容器中。

②脫脂處理。

將真空容器中的小份樣品取出并放置于事先經(jīng)過處理的有機(jī)溶劑(正己烷)中;之后使用索氏提取器多次提取,保證所得的試樣脫脂徹底。

③烘干、稱量。

將樣品進(jìn)行脫脂處理后,置于去除水分后的燒杯里,并把燒杯置于溫度設(shè)定為90 ℃的干燥箱中5 h,保證樣品被完全烘干。 取出樣品后,對樣品進(jìn)行稱重處理。

④樣品溶解。

把試驗(yàn)所需溶劑銅乙二胺均分為2 份,分別放入經(jīng)過干燥處理且同規(guī)格的A、B 2 只燒杯里面。 將稱重質(zhì)量為M克的紙板樣品放在A 燒杯中,并均勻攪拌直至溶解。 對B 燒杯內(nèi)的試劑進(jìn)行操作,其作用是對比測量燒杯中試劑流出的時間。

⑤測量流出時間。

在室溫為20 ℃時,對燒杯內(nèi)樣品的流出時間進(jìn)行測量。ts為紙溶液徹底流出所需要的時間,t0為溶劑徹底流出所需要的時間。

⑥D(zhuǎn)P 值計(jì)算。

溶液的濃度計(jì)算:

式中:c為溶液的濃度,g/dL;M為樣品質(zhì)量,g;VH2O為溶液中水的體積,dL;Vc為溶液中樣品的體積,dL。

比黏度計(jì)算:

使用馬丁經(jīng)驗(yàn)方程對樣品的黏度[Vs]展開分析:

式中:k為馬丁常數(shù),k=0.14。

則紙板樣品的DP 值計(jì)算公式為:

式中:K、α為馬克-霍溫克常數(shù),K=0.007 5、α=1;YDP為紙板樣品的聚合度。

3 聚合度測試結(jié)果分析

設(shè)定測試溫度有3 組,分別為90 ℃、120 ℃、140 ℃。 在3 個測試溫度下開展紙板樣品DP 值試驗(yàn)。通過對多組樣品的試驗(yàn),計(jì)算多組結(jié)果的平均值,得出最后的紙板樣品DP 值測試結(jié)果[6],如表1 所示。

表1 紙板樣品DP 值測試結(jié)果Tab.1 Test result of paper sample DP value

表1 中,老化時間為0 天,即剛出廠紙板的DP 值是1 399。 伴隨老化溫度的升高,樣品內(nèi)絕緣能力不斷下降,老化程度嚴(yán)重,樣品內(nèi)部纖維素分子裂解為小分子,數(shù)目不斷減少,與此同時DP 值也在不斷變小[7]。在老化溫度為90 ℃時,經(jīng)過40 天老化,樣品的DP 值已經(jīng)由1 399 下降至1 153,為輕微老化狀態(tài);隨著試驗(yàn)老化天數(shù)的增加,在80 天時,DP 值為965,為中度老化水平。 老化溫度由90 ℃上升至140 ℃時,DP 值在80 天的時候則由965 降至488,達(dá)到嚴(yán)重老化狀態(tài)[8];對不同老化天數(shù)作用時樣品的DP 值開展函數(shù)擬合。 老化天數(shù)和聚合度擬合曲線如圖1 所示。

圖1 老化天數(shù)和聚合度擬合曲線Fig.1 Fitting curves of aging days and DP values

老化天數(shù)和聚合度的擬合函數(shù)如表2 所示。 表2中:T為老化天數(shù),YDP為DP 值。 老化天數(shù)越長,DP值降低得越快。 這是由于絕緣紙內(nèi)部的纖維素隨著老化溫度和時間的加大,發(fā)生裂解反應(yīng)的程度越大,使纖維素大分子裂解為水分、糠醛和小分子酸等物質(zhì)。 這會造成DP 值變小,使纖維素等大分子數(shù)量隨之降低[9]。

表2 老化天數(shù)和聚合度的擬合函數(shù)Tab.2 Fitting function of aging days and DP values

4 絕緣紙板含水量測試

含水量是決定變壓器內(nèi)部絕緣水平高低的主要因子,同時它也是樣品內(nèi)裂解反應(yīng)產(chǎn)物。 隨著運(yùn)行年限的變長,變壓器內(nèi)部老化過程不斷加快,纖維素等大分子不斷裂解成為小分子,水的含量也在逐步上升,加之在變壓器內(nèi)部不易更換絕緣紙板,系統(tǒng)內(nèi)部環(huán)境的老化過程不可逆[10]。 因此,開展系統(tǒng)內(nèi)絕緣復(fù)合系統(tǒng)水分含量研究和判斷,對判斷電力變壓器壽命意義重大。

4.1 含水量測試過程

利用萃取法對紙板樣品水分含量進(jìn)行測量,其步驟如下。

①測試所需用到的的器皿、工具使用酒精擦拭整潔后,放在烘干箱中烘干。

②從烘干箱中取出燒杯2 只,各自倒入40 ml 無水甲醇,并標(biāo)號為A、B。

③向A 燒杯中放入稱量好的約5 g 的紙板樣品,B燒杯中不放。

④將A、B 2 只燒杯使用相同速度進(jìn)行攪拌,時間為2 h。

⑤吸取250 μL 萃取后的樣品、純甲醇,放置于微水測試儀里測量其水分含量,多次測量取平均值。

⑥取出燒杯里面的紙板樣品并放置到擦拭整潔后的燒杯中,向燒杯里倒入30 mL 三氯乙烷后靜置2 h,保證試樣中的變壓器油被萃取干凈。 經(jīng)過烘干、冷卻、稱重,得出此時紙樣的質(zhì)量,記為m。 所得樣品中的水分含量為:式中:W為水分含量,%;A為250 μL 含有試樣的萃取液水分含量,μg;B為250 μL 純甲醇的含水量,μg;m為干紙質(zhì)量,g;V為萃取溶劑體積,mL。

根據(jù)以上步驟,由式(4)、式(5)可測出在90 ℃、120 ℃、140 ℃下,紙板樣品老化測試0 天、20 天、40 天、60 天、80 天的水分含量。

4.2 含水量測試結(jié)果分析

在測試溫度分別為90 ℃、120 ℃、140 ℃時,對紙板樣品開展含水量試驗(yàn)。 樣品取用測試周期為20 天,并將多次試驗(yàn)的平均值作為測試結(jié)果。 老化溫度不同時樣品含水量測試統(tǒng)計(jì)如表3 所示。

表3 老化溫度不同時樣品含水量測試統(tǒng)計(jì)Tab.3 Test statistics of paper sample moisture contents under different aging temperatures %

從表3 可知,樣品測定水分含量為0.993%,隨著測試溫度的增大,樣品內(nèi)部纖維素大分子裂解反應(yīng)加劇,會生成裂解產(chǎn)物——水。 故裂解反應(yīng)進(jìn)行得越徹底,生成的水分也會越多。

擬合不同試驗(yàn)天數(shù)樣品含水量的函數(shù),發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)天數(shù)和含水量成正對應(yīng)關(guān)系,說明測試溫度的不斷提升、測試天數(shù)的不斷增加,都會導(dǎo)致含水量變大,從而加劇老化反應(yīng)。 老化天數(shù)和含水量擬合曲線如圖2所示。

圖2 老化天數(shù)和含水量擬合曲線Fig.2 Fitting curves of aging days and moisture contents

老化天數(shù)和含水量的擬合函數(shù)如表4 所示。

表4 老化天數(shù)和含水量的擬合函數(shù)Tab.4 Fitting function of aging days and moisture contents

4.3 介電特征參數(shù)受DP 值、含水量的影響情況

DP 值、含水量是表征絕緣系統(tǒng)好壞的典型指標(biāo),但其操作復(fù)雜,且易受環(huán)境影響。 利用介質(zhì)響應(yīng)參數(shù)可間接反映樣品的DP 值和含水量,且不受環(huán)境影響。通過復(fù)介電常數(shù)的實(shí)、虛部獲得Davidson-Cole 模型參數(shù)β、Δε、τ,對3 個參數(shù)和DP 值、含水量之間的作用情況開展分析[11]。 老化溫度為90 ℃、120 ℃、140 ℃時,特征參數(shù)分別如表5、表6、表7 所示。

表5 老化溫度為90 ℃時的特征參數(shù)Tab.5 Characteristic parameters at 90 ℃ aging temperature

表6 老化溫度為120 ℃時的特征參數(shù)Tab.6 Characteristic parameters at 120 ℃ aging temperature

表7 老化溫度為140 ℃時的特征參數(shù)Tab.7 Characteristic parameters at 140 ℃ aging temperature

通過對比3 個參數(shù)的變化情況,構(gòu)建出特征參量β、Δε、τ和老化時間的相互作用情況。 特征參數(shù)與DP值關(guān)系變化曲線如圖3 所示。 由圖3 中的特征參量和試驗(yàn)天數(shù)變化曲線可知:伴隨試驗(yàn)天數(shù)的不斷增加,樣品內(nèi)部纖維素裂解反應(yīng)越劇烈,其DP 值隨之變小,含水量不斷增加,特征參數(shù)Δε逐漸上升,特征參數(shù)β和τ以不同速度下降;隨著溫度升高,3 個參數(shù)都表現(xiàn)出相反的對應(yīng)關(guān)系。

圖3 特征參數(shù)與DP 值關(guān)系變化曲線Fig.3 Relationship between characteristic parameters and DP value

以老化時間為中間量,對特征參數(shù)β、Δε、τ和DP值、含水率之間的變化情況開展研究,特征參數(shù)和DP值、含水量的擬合函數(shù)如表8 所示。

表8 特征參數(shù)和DP 值、含水量的擬合函數(shù)Tab.8 Fitting function of characteristic parameters,DP values and moisture contents

5 結(jié)論

為開展變壓器絕緣系統(tǒng)中老化水平的評估和分析,本文制備樣品,在試驗(yàn)溫度為90 ℃、120 ℃、140 ℃時進(jìn)行熱老化試驗(yàn),并對紙板樣品DP 值和水分含量進(jìn)行測量,構(gòu)建出老化時間與DP 值、含水量之間的關(guān)系,提取特征量,構(gòu)建特征參數(shù)與DP 值、含水量之間的擬合函數(shù)。 所得結(jié)論如下。

①隨老化天數(shù)的增加和測試溫度的上升,紙板樣品內(nèi)部纖維素裂解反應(yīng)加劇,DP 值均表現(xiàn)出下降趨勢,擬合得出DP 值和老化天數(shù)的負(fù)指數(shù)關(guān)系。 ②含水量隨老化溫度的上升和老化天數(shù)的延長不斷升高,擬合得出含水量與兩者之間的正相關(guān)關(guān)系。 ③特征參數(shù)Δε逐漸上升,特征參數(shù)β和τ以不同速度下降;以老化時間為中間量,得出特征參數(shù)β、Δε、τ與DP 值、含水量之間的函數(shù)關(guān)系。