電力變壓器內絕緣老化水平的狀態評估及分析

劉 翀,汪柏松

(國網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定性對電能的輸送、傳遞作用重大。 變壓器內部絕緣油、絕緣紙組成的絕緣系統老化能力下降,促使其壽命也逐漸縮短[1]。 對變壓器內絕緣結構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,進行熱老化、烘干等處理,開展聚合度(degree of polymerization,DP)值、水分試驗,得出它們與老化時間的對應關系;研究Davidson-Cole 模型參數、DP 值、水分之間的相互關系,進一步明確變壓器老化程度的評估指標[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量,能有針對性地對樣品絕緣水平進行區分[4]。 紙樣品內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目,從而反映紙樣品的絕緣水平。 國內外試驗分析得出新生產出的紙樣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 所需的試驗儀器與試劑

①烏氏粘度計。

②索氏提取器:對油浸紙板進行脫脂處理。

③銅乙二胺溶劑:1 mol/L。

④正己烷:有機溶劑。

⑤蒸餾水和去離子水。

2.2 試驗步驟

①絕緣紙板樣品獲取。

首先對新出廠的油浸紙板進行老化處理,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過處理的有機溶劑(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,對樣品進行稱重處理。

④樣品溶解。

把試驗所需溶劑銅乙二胺均分為2 份,分別放入經過干燥處理且同規格的A、B 2 只燒杯里面。 將稱重質量為M克的紙板樣品放在A 燒杯中,并均勻攪拌直至溶解。 對B 燒杯內的試劑進行操作,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,對燒杯內樣品的流出時間進行測量。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。

⑥DP 值計算。

溶液的濃度計算:

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

比黏度計算:

使用馬丁經驗方程對樣品的黏度[Vs]展開分析:

式中:k為馬丁常數,k=0.14。

則紙板樣品的DP 值計算公式為:

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

3 聚合度測試結果分析

設定測試溫度有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。通過對多組樣品的試驗,計算多組結果的平均值,得出最后的紙板樣品DP 值測試結果[6],如表1 所示。

表1 紙板樣品DP 值測試結果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,樣品內絕緣能力不斷下降,老化程度嚴重,樣品內部纖維素分子裂解為小分子,數目不斷減少,與此同時DP 值也在不斷變小[7]。在老化溫度為90 ℃時,經過40 天老化,樣品的DP 值已經由1 399 下降至1 153,為輕微老化狀態;隨著試驗老化天數的增加,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,達到嚴重老化狀態[8];對不同老化天數作用時樣品的DP 值開展函數擬合。 老化天數和聚合度擬合曲線如圖1 所示。

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

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

表2 老化天數和聚合度的擬合函數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部絕緣水平高低的主要因子,同時它也是樣品內裂解反應產物。 隨著運行年限的變長,變壓器內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,加之在變壓器內部不易更換絕緣紙板,系統內部環境的老化過程不可逆[10]。 因此,開展系統內絕緣復合系統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。 經過烘干、冷卻、稱重,得出此時紙樣的質量,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為干紙質量,g;V為萃取溶劑體積,mL。

根據以上步驟,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。 樣品取用測試周期為20 天,并將多次試驗的平均值作為測試結果。 老化溫度不同時樣品含水量測試統計如表3 所示。

表3 老化溫度不同時樣品含水量測試統計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,樣品內部纖維素大分子裂解反應加劇,會生成裂解產物——水。 故裂解反應進行得越徹底,生成的水分也會越多。

擬合不同試驗天數樣品含水量的函數,發現試驗天數和含水量成正對應關系,說明測試溫度的不斷提升、測試天數的不斷增加,都會導致含水量變大,從而加劇老化反應。 老化天數和含水量擬合曲線如圖2所示。

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

老化天數和含水量的擬合函數如表4 所示。

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

4.3 介電特征參數受DP 值、含水量的影響情況

DP 值、含水量是表征絕緣系統好壞的典型指標,但其操作復雜,且易受環境影響。 利用介質響應參數可間接反映樣品的DP 值和含水量,且不受環境影響。通過復介電常數的實、虛部獲得Davidson-Cole 模型參數β、Δε、τ,對3 個參數和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Tab.5 Characteristic parameters at 90 ℃ aging temperature

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

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

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

圖3 特征參數與DP 值關系變化曲線Fig.3 Relationship between characteristic parameters and DP value

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

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

5 結論

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

①隨老化天數的增加和測試溫度的上升,紙板樣品內部纖維素裂解反應加劇,DP 值均表現出下降趨勢,擬合得出DP 值和老化天數的負指數關系。 ②含水量隨老化溫度的上升和老化天數的延長不斷升高,擬合得出含水量與兩者之間的正相關關系。 ③特征參數Δε逐漸上升,特征參數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β、Δε、τ與DP 值、含水量之間的函數關系。