配電變壓器絕緣狀態(tài)檢測(cè)技術(shù)分析與研究

廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司廣州供電局 李虎聲

電力系統(tǒng)由發(fā)電、輸電、變電、配電、用電等幾個(gè)部分組合而成，其中配電與用電之間的關(guān)聯(lián)最為密切，如果配電網(wǎng)出現(xiàn)問(wèn)題，則會(huì)對(duì)用電設(shè)備造成影響。所以，保證配電的運(yùn)行可靠性尤為重要。變壓器是整個(gè)配電網(wǎng)的核心設(shè)備，一旦變壓器發(fā)生故障，輕則會(huì)影響配電網(wǎng)的正常運(yùn)行，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成大范圍停電。當(dāng)變壓器的絕緣狀態(tài)下降時(shí)，故障的發(fā)生幾率會(huì)隨之增大。

1 配電變壓器絕緣老化的機(jī)理分析

配電是整個(gè)電力系統(tǒng)中較為重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，直接關(guān)系到用戶的供電可靠性。配電變壓器作為配電系統(tǒng)的核心部件，它的運(yùn)行穩(wěn)定與否對(duì)配電系統(tǒng)的影響非常大，一旦配電變壓器絕緣出現(xiàn)老化會(huì)導(dǎo)致變壓器的整體性能下降。相關(guān)研究結(jié)果表明，絕緣系統(tǒng)是影響變壓器使用壽命的關(guān)鍵性因素之一，由于受到外部環(huán)境的影響使變壓器絕緣很容易出現(xiàn)老化情況，下面從熱老化、電老化和機(jī)械老化三個(gè)方面對(duì)配電變壓器絕緣的老化機(jī)理進(jìn)行分析。

配電變壓器熱老化機(jī)理。熱老化是配電變壓器油紙絕緣性能下降的主要表現(xiàn)形式之一，隨著纖維紙的逐步熱解各種化學(xué)反應(yīng)會(huì)隨之出現(xiàn)，在此過(guò)程中會(huì)生成各種揮發(fā)物?；瘜W(xué)反應(yīng)的速率取決于溫度的高低，如果溫度持續(xù)上升則反應(yīng)速率會(huì)進(jìn)一步加快，絕緣紙的老化也會(huì)隨之加劇[1]。當(dāng)絕緣紙老化之后，其本身的機(jī)械性能會(huì)受到嚴(yán)重的影響，若是機(jī)械性能完全喪失，絕緣紙會(huì)因?yàn)榇嗷c繞組相脫離，極有可能引起油路堵塞，從而使配電變壓器的散熱功能受到影響。當(dāng)變壓器無(wú)法正常散熱之后，其溫度會(huì)快速上升，在高溫的作用下，使絕緣的熱老化速度加快，由此會(huì)進(jìn)入一個(gè)惡性循環(huán)狀態(tài)。

配電變壓器電老化機(jī)理。配電變壓器所處的運(yùn)行環(huán)境比較特殊，不可避免地會(huì)受到電場(chǎng)的影響，油紙絕緣在電場(chǎng)的長(zhǎng)期作用下，老化速度會(huì)不斷加快，這是因?yàn)橛图堅(jiān)陔妶?chǎng)中會(huì)出現(xiàn)理化反應(yīng)從而導(dǎo)致油紙快速分解，絕緣性能大幅度下降。通過(guò)對(duì)嚴(yán)重老化的油紙絕緣進(jìn)行擊穿試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，在擊穿過(guò)程中電壓值為恒定，由此說(shuō)明變壓器未超出使用壽命，其電氣性能只會(huì)在限定的范圍以內(nèi)持續(xù)下降。由于絕緣紙本身能夠承受一定的電場(chǎng)強(qiáng)度，故此配電油紙絕緣出現(xiàn)電老化后，在短時(shí)間內(nèi)并不會(huì)對(duì)變壓器的正常運(yùn)行造成影響。油紙絕緣從廠家運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)時(shí)途中會(huì)受到振動(dòng)，從而會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部產(chǎn)生氣泡，這樣會(huì)引起局部放電，進(jìn)而造成絕緣表面溫度升高，加快絕緣的老化速度[2]。不僅如此，放電會(huì)使絕緣油被分解產(chǎn)生烴類氣體，受到該氣體的影響放電程度會(huì)有所加劇，各種故障問(wèn)題也會(huì)隨之出現(xiàn)。

配電變壓器機(jī)械老化機(jī)理。配電變壓器油紙絕緣的方式主要有兩種：一種是相間絕緣，另一種是組間絕緣。絕緣紙除了需要承受線圈的重力之外，還要承載一定的電磁力，加之繞組運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)力，會(huì)導(dǎo)致絕緣紙的變形進(jìn)一步加劇。配電變壓器只要處于運(yùn)行狀態(tài)，絕緣紙就會(huì)承受機(jī)械變形，當(dāng)抗壓能力達(dá)到極限時(shí)，絕緣紙便無(wú)法繼續(xù)承受機(jī)械應(yīng)力，從而出現(xiàn)斷裂的現(xiàn)象，此時(shí)絕緣性能將會(huì)完全喪失。

2 配電變壓器絕緣狀態(tài)檢測(cè)技術(shù)

當(dāng)絕緣老化后變壓器性能會(huì)大幅度下降，各種故障問(wèn)題也會(huì)隨之出現(xiàn)。因此，對(duì)配電變壓器的絕緣狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)顯得尤為必要。目前可用于絕緣狀態(tài)檢測(cè)的方法較多，其中較具典型性和代表性的有油色譜分析法、絕緣電阻檢測(cè)法、油中糠醛含量測(cè)定法等。

2.1 油色譜分析法

當(dāng)絕緣油受到電場(chǎng)、溫度、水分等外界因素影響時(shí)會(huì)出現(xiàn)氧化反應(yīng)、碳化反應(yīng)及裂解等情況，由此會(huì)產(chǎn)生各種氣體如氫氣、烴類氣體等。變壓器的絕緣紙或板均為多孔結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)具有一定的吸水性，并且絕緣紙的親水性要明顯高于絕緣油，能夠從油中吸收水分。絕緣紙或板熱老化后會(huì)發(fā)生裂解，從而生成水、一氧化碳和二氧化碳?xì)怏w，并有少量的烴類氣體產(chǎn)生，基于此可運(yùn)用色譜分析法對(duì)絕緣狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)配電變壓器出現(xiàn)油過(guò)熱故障時(shí)會(huì)產(chǎn)生甲烷和乙炔等氣體；油紙絕緣出現(xiàn)局部放電時(shí)會(huì)產(chǎn)生氫氣、甲烷及一氧化碳等氣體；油中火花放電時(shí)會(huì)產(chǎn)生氫氣和乙炔氣體。

目前在變壓器的故障檢測(cè)中油色譜分析的應(yīng)用已非常廣泛，絕緣紙纖維素老化后會(huì)同時(shí)產(chǎn)生一氧化碳和二氧化碳?xì)怏w，可將之作為配電變壓器絕緣老化評(píng)價(jià)時(shí)的主要參考依據(jù)。若變壓器固體絕緣發(fā)生故障，一氧化碳和二氧化碳會(huì)顯著增長(zhǎng)，當(dāng)二氧化碳與一氧化碳的比值超過(guò)7時(shí)表明絕緣材料老化，二者的比值小于3、且溫度在200℃以上時(shí)說(shuō)明固體絕緣發(fā)生故障。而一氧化碳與二氧化碳的比值超過(guò)0.33或是低于0.09時(shí)，表明絕緣紙發(fā)生分解[3]。

2.2 絕緣電阻檢測(cè)法

在對(duì)配變主絕緣性能進(jìn)行考核時(shí)，繞組絕緣電阻不僅是重要的試驗(yàn)項(xiàng)目，也是最為簡(jiǎn)便的絕緣狀態(tài)檢測(cè)方法。通過(guò)繞組絕緣電阻檢測(cè)能發(fā)現(xiàn)絕緣存在的缺陷問(wèn)題，如絕緣油性質(zhì)不良、油紙受潮等。絕緣性能與電阻值的大小密切相關(guān)，電阻值越大絕緣性能越好。鑒于此，通過(guò)對(duì)絕緣電阻值大小的檢測(cè)可判斷繞組是否存在異常，如受潮、表面臟污等。

絕緣電阻會(huì)受到溫度的影響，為確保檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性，應(yīng)當(dāng)轉(zhuǎn)換到標(biāo)準(zhǔn)溫度下進(jìn)行計(jì)算，這里的標(biāo)準(zhǔn)溫度為25℃[4]。除溫度外測(cè)試時(shí)間也會(huì)對(duì)絕緣電阻值產(chǎn)生一定影響。為準(zhǔn)確表征變壓器絕緣狀態(tài)，可在分析時(shí)引入吸收比，其計(jì)算公式為：K=，式中60代表測(cè)試時(shí)間為60s時(shí)的絕緣電阻值；15代表測(cè)試時(shí)間為15s時(shí)的絕緣電阻值。

如配電變壓器容量較大，絕緣的吸收過(guò)程會(huì)變得比較長(zhǎng)，而單純地利用吸收比很難充分反映出絕緣吸收的整個(gè)過(guò)程，且不同絕緣結(jié)構(gòu)吸收過(guò)程的發(fā)展趨勢(shì)也存在一定的差異，這樣會(huì)導(dǎo)致吸收比的判斷準(zhǔn)確性下降。對(duì)此可運(yùn)用極化指數(shù)對(duì)絕緣狀態(tài)進(jìn)行判斷。

2.3 油中糠醛含量測(cè)定法

當(dāng)配電變壓器的絕緣紙或板老化之后會(huì)產(chǎn)生糠醛，這是一種特征性產(chǎn)物，它在變壓器的絕緣油中具有良好的穩(wěn)定性，并且會(huì)不斷積累。因此通過(guò)對(duì)變壓器油中的糠醛含量進(jìn)行測(cè)定能夠準(zhǔn)確反映出絕緣狀態(tài)，從而判斷絕緣紙的老化程度。我國(guó)現(xiàn)行的DL/T596-2015中給出變壓器不同運(yùn)行年限下糠醛含量的標(biāo)準(zhǔn)，可將之作為變壓器絕緣狀態(tài)的判斷依據(jù)。正常情況下，變壓器運(yùn)行15～20年時(shí)糠醛含量應(yīng)當(dāng)?shù)陀?.75mg/L，如果變壓器油中的糠醛含量達(dá)到1.0～2.0mg/L時(shí)說(shuō)明絕緣已經(jīng)出現(xiàn)嚴(yán)重劣化[5]。

目前糠醛含量已經(jīng)成為變壓器絕緣狀態(tài)評(píng)估的重要參考量之一，但在實(shí)際中僅憑借一個(gè)參考量證明變壓器絕緣老化顯然不具備說(shuō)服力，因此需要建立糠醛與聚合度的經(jīng)驗(yàn)函數(shù)關(guān)系。通過(guò)對(duì)變壓器油進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，其中含大量的呋喃化合物，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，聚合度與糠醛含量具有線性關(guān)系，通過(guò)對(duì)絕緣油中糠醛含量的測(cè)定，能估算出絕緣的聚合度。