變壓器固體絕緣壽命評估策略的研究

馬元++葉奕坤++周振宇++梁藝超

摘 要：隨著電力市場的不斷擴大，變壓器作為電力輸送供給的重要設備，其應用范圍也越來越廣泛。由于變壓器的長時間運行及其經常出現由于電力供應壓力過大而出現超負荷運行。因此，文章主要論述了變壓器測試中的聚合度檢測法（DP）、高性能液相色譜分析法（HPLC）和極化/去極化電流法（PDC）的應用、各自優點及缺陷補償方法，提出了綜合應用這3種方法進行老化壽命評估策略，力求以科學合理的評估策略來對變壓器的使用進行分析。

關鍵詞：壽命評估 聚合度 糠醛含量 極化去極化電流

中圖分類號：TM411 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）12（c）-0054-03

目前使用的變壓器絕緣壽命評估方法可分為兩大類：一類是根據變壓器固體絕緣老化不可逆的特性，直接分析固體絕緣本身或其老化生成物，如，溶解氣體分析法（DGA）、聚合度（DP）測定法、油中糠醛含量的高性能液相色譜分析法（HPLC）等；另一類是根據變壓器老化過程中某些參數的變化，間接測算變壓器剩余壽命，有回復電壓法（RVM）、極化去極化電流檢測法（PDC）、工頻下介質損耗系數測定法（tgδ）等。

對變壓器絕緣老化的評估是一項綜合性的工作，需綜合多角度分析評判。正確綜合應用先進技術，才可對變壓器的絕緣老化狀況進行準確評估。綜合DP、HPLC、PDC這3種方法進行壽命評估，將具有廣闊的應用前景。

1 絕緣紙聚合度檢測試驗研究與變壓器壽命分析

變壓器固體絕緣的主要成分纖維素（C6H10O6）n受熱、氧老化產生斷鏈，其直接反應就是DP值下降的過程。文獻[1]基于這一概念提出了特征壽命評估公式。

（1）

式中，η為特征壽命值；F為DP 的下限值；DP0 是絕緣紙初始DP 值；C0 為紙中微水含量初始值；T 為溫度；A、B為常數。

DP 的測定，使用黏度測定法：銅乙二胺螯合物具有氧化特性，用其打斷高分子鏈（R）u 中的鏈接，生成的小分子基團溶于銅-乙二胺溶液，增加其粘度。通過測量溶液粘度，便可計算出紙樣的DP值。

先使用攪拌粉碎器將待測物粉碎成為紙漿，干燥24 h后將其裝入玻璃瓶中。筆者在干燥過程中，將干燥箱抽真空，保持其真空度在0.085 MPa左右，通入高純度氮氣，此方法可確保纖維素不會繼續氧化斷鏈。最后將紙屑放入溶解瓶中與銅乙二胺溶液中溶解，使用恒溫水浴保持在（25±1）℃，測量溶液的相對粘度。

（2）

式中，hn為粘度計常數，s-1；tn為試樣的流出時間，s。

對陜西省電網部分運行中的110 kV和330 kV變電站主變的絕緣層進行了采樣分析，綜合上述數據進行線性回歸分析，可得方程：

（3）

式中： Dp為絕緣材料聚合度；T 為變壓器運行年限。

并可繪制出變壓器運行年限與材料聚合度區域分布圖如圖1所示。

圖1中，直線間區為絕緣正常老化區；其下限為非正常老化區，說明變壓器的絕緣狀況已惡化，材料的聚合度值越低，其老化速度越快，程度越深；其上限為緩和老化區域，表明聚合度隨變壓器的運行時間變長，老化速率下降，這是由于此變壓器從投運以來，運行于低負荷態或間斷態。

通過上述分析表明，絕緣聚合度和變壓器老化之間的對應關系最直接，此方法做壽命評估最準確；且可發揮采樣的優勢，找尋變壓器老化薄弱點，推算出變壓器最短的剩余壽命。不過由于進行絕緣層取樣的時候，要盡量避免破壞包層，只可在外層紙取樣；但是內外層受熱和氧化程度不同，其聚合度并不完全相同；且此方法只能得出部分點的數據，對變壓器的整體老化程度并不能完全準確反映，故單靠聚合度法不能夠全面判讀絕緣壽命。

2 基于油中糠醛含量的壽命評估建模及試驗研究

糠醛是纖維素分解斷鏈生成的伴隨產物，若假設糠醛生成和纖維素斷鏈過程都是均勻的，便可得出每次纖維素斷鏈皆會產生n份糠醛。當有Nt條纖維素發生斷鏈，可生成n（Nt-1）份糠醛。

如果假設：（1）在絕緣老化的過程中，纖維鏈總長度之和維持不變，導致鏈條數不斷增長。（2）長鏈分子的斷鍵和短鏈分子的斷鍵在同一溫度其難易程度相同。

設t 時刻總鏈條數為Nt，在短時Δt內由于分解產生的糠醛量為Wk（Δt）=K1（Nt-1）Δt，于是有：

（4）

（5）

根據導數定義：

（6）

代入式（5）得到微分方程（7），解微分方程：

（7）

（8）

式中Wk（0）是常數。將t =0代入得出油中初始糠醛含量值Wk（0）。

由于假設（2），式（8）中K1是常數，設K1=α（α為常數），則從式（8）可得出：

（9）

所得的Wk（t）值除以溶液總量，便可得油中糠醛濃度。

由于纖維素分解速度與其初始水含量成正比，和油中糠醛濃度增速也成正比。式（9）中的α是由溫度T與微水含量的初值C0構成的函數，根據阿累尼烏斯公式，得：

（10）

式中，Ea為反應活化能；A為一個待定因子；R為摩爾氣體常數。Ea和R由試驗經驗取一個常數值。從而得到油中糠醛含量隨時間變化的關系式：

.C0t （11）

同樣對使用高性能液相色譜分析法所得大量數據進行線性回歸分析，可得方程：

（12）

式中，Ck為油中的糠醛濃度（mg/L）；T 為變壓器的運行時間。

以及得到變壓器運行年限與糠醛濃度區域分布圖如圖2所示。

糠醛是伴隨變壓器絕緣老化直接生成，是纖維素分解產生的。相對于其他產物，其來源最單一，最直接與老化對應，受其他生成物的影響小，最容易直接反映絕緣老化的程度；且因糠醛均勻分布于變壓器油中，試驗結果的分散性小，最適合整體判斷變壓器絕緣壽命。但油中糠醛濃度主要反映整臺變壓器絕緣總體老化的平均值，無法表征變壓器關鍵部位的老化，所以，與聚合度評估法綜合是上上之選。

3 極化去極化電流分析模型及老化研究

假設在各向同性的電介質中加入均勻電場E（t），其電流密度可表示為：

（13）

電流密度 j （t）由傳導電流和位移電流組成。δ0為直流電導率；D （t）為電位移矢量，和加入的均勻電場E （t）成正比，它還包含電介質的極化強度P （t）。而P （t）則可分為瞬時位移極化（由電子位移與離子位移極化構成）與松弛極化兩部分，而瞬時位移極化是立即衰變的：

（14）

式中Pr （t）表示松弛極化作用，P∞（t）表示瞬時位移極化作用。ε0=8.854×10-12As/Vm，為真空介電常數。

瞬時位移極化可以表征為：

（15）

其中ε∞為電介質光頻的相對介電常數。

因此，電位移矢量可近似表示為：

（16）

代入式（13）得到電流密度近似為：

（17）

對于各向同性的電介質，對其施加外電壓U （t）產生電場強度E（t）。代入，且將C0表示為C0=（ε0·s）/d可以得到：

（18）

式中，εr為介質的相對介電常數，U（t）為階躍電壓：

（19）

計算式（18），就得到極化電流的表征：

（20）

去極化電流的表征就是：

（21）

式中，tc是極化所需時間。

當極化時間充足時，電介質響應函數f （t）可得出f （t+tc）=0。聯立式（20）和式（21），得到復合電介質直流電導率σ的表征：

（22）

變壓器的絕緣主要包含油絕緣和紙絕緣兩部分，故復合電介質的電導率由油的電導率和紙的電導率組合而成：

（23）

同理可得，復合電介質的相對介電常數表征：

（24）

式中，δoil和εoil是油的電導率和相對介電常數，δpaper和εpaper是紙的電導率和相對介電常數。根據實際運行經驗，變壓器的X值一般介于20%～50%。通過電導率σ的值就可以表征變壓器老化程度，老化越嚴重σ值越大[3]。

同樣使用線性回歸分析的方法，根據PDC試驗數據得到變壓器運行年限和其絕緣直流電導率之間的關系，在此不再贅述。

PDC法是一種快速的壽命評估法，具備無損耗、無需對其絕緣采樣、只需直接通過變壓器套管試驗等優點，與DP和HPLC相結合，可以為這兩種方法做初步評估，并且實現了多角度進行綜合評估。但值得注意的是，絕緣中水含量對PDC的影響很大，日常運行中含水量超標的變壓器需干燥處理后才可進行PDC測試。

4 結語

PDC分析的優點是快速無損，且可判斷變壓器油及固體絕緣中的微水含量是否超標；使用DP法可以利于采樣的優點，重點判斷變壓器絕緣的薄弱處；HPLC主要分析變壓器絕緣整體的老化程度。綜合利用這3種方法，發揮各自所長，其結果的科學準確性就能夠保證。

再次使用線性回歸分析變壓器油中糠醛濃度和絕緣紙聚合度之間的直接對應關系如圖3所示。

圖3中，線間區為兩種檢測方法關系的線性區；上方的區域為過線性區，表明實測的DP值比HPLC分析所對應得關系值偏大，主要是因為DP分析的取樣點老化度較輕，這時應以油中糠醛濃度測量值為主要判斷依據；下方的區域為欠線性區，表明實測DP值比油中糠醛濃度的對應關系值小，原因是由于DP取樣點處于變壓器絕緣的中某個已經嚴重劣化部位，或因吸附等原因所造成油樣中的糠醛濃度下降，此時應以DP值為主要判斷依據。

綜上所述，首先利用PDC法，并結合絕緣中的水含量和變壓器的故障診斷技術，明確該變壓器所處的老化區間。然后對其進行DP和HPLC分析，并結合兩者間的對應關系，選擇準確的評估公式便可正確判斷變壓器絕緣老化程度。

參考文獻

[1] 郭永基.中小容量電力變壓器壽命評估的新方法[J].電力系統自動化，2001，25（21）：38-41.

[2] 沈一平，鄭德富.糠醛濃度分析在電力變壓器固體絕緣老化診斷中的應用[J].高壓電器，2008，44（1）：84-86.

[3] Saha T K.Purkait P.Investigation of polarization and depolarization current measurements for the assessment of oil-paper insulation of aged transformers[J].IEEE Trans. Dielect.&Elect.Insul，2004，11（1）：144-153.