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1、华北电力大学工程硕士论文 绪论1绪论电力变压器作为电网重要的主设备，根据设计和经济性的原则，我们一般期望它的运行寿命应该达到35-40年1。电力变压器选用导则GBT/17468-2008规定，在外部冷却空气为20 ，变 压 器以额定电流运行，以某种温度等级的绝缘材料发生热老化而损坏时，规定变压器的寿命一般为20年2。电力行业标准油浸式变压器绝缘老化判断导则（DL/T 9842005）也特别提到正常运行的 变压器应该有30年的寿命，如果达不到预期寿命而退役，通常是设备隐患或其它原因所致。油纸绝缘变压器的使用寿命基本上决定于其绝缘系统。其绝缘系统由变压器油和绝缘纸构成。其中绝缘油即使使用了30 年
2、时间,绝缘击穿性能的下降也只有10 %左右。而且在变压器的运行过程中，检修人员还可以通过净化或者换油的方式来改善油的绝缘性能。因此，运行中的油浸式电力变压器的使用寿命应该主要取决于固体绝缘，尤其是绝缘纸。国内外大量的统计数据显示，变压器事故大部分都与变压器绝缘特别是固体绝缘老化和破坏有关。美国 HSB 公司工程部总工程师 William Bartley 先生在过去的 10 年中变压器故障进行了统计，发现在造成故障的起因中，绝缘老化列在第二位。由于绝缘老化的因素，变压器的平均寿命仅有 17.8 年，大大低于预期为 35 40 年的寿命！中国电科院进行的2004年度110kV及以上变压器事故统计分
3、析中的数据显示， 2004年度变压器损坏事故以绝缘事故为主，占总损坏事故台次的81.1%。投运15年以内的变压器即发生损坏事故的台次竟然占统计损坏事故变压器总台次的78.8%，变压器的运行寿命令人担忧3。在运行过程中，变压器的固体绝缘在电、热、空气、水分等因素的作用下，不断产生退化。这种退化，表现在电气绝缘性能上没有明显的变化。数据表明有些处在生命末期的变压器，其绝缘的电气性能还完好如初。而老化了的变压器绝缘纸的机械性能会明显变差，从而为变压器损坏事故的发生埋下了隐患。构成绝缘纸的主要成分为纤维素，纤维素是由葡萄糖基组成的聚合度很高的链状高聚合碳氢化合物。绝缘纸的老化实际上是纤维素分子链不断断
4、裂，链长不断变小的过程。随着分子链的断裂，绝缘纸的机械性能不断变差。当发生短路等大的外部冲击的时候，失去延展能力的绝缘纸会被破坏，进而引发绝缘事故。另外，变压器内部还有很多绝缘纸材料构成的压板、垫块等结构，他们在变压器中起着固定、压紧变压器线圈的作用。这些元件的老化会使固定作用变差，在大的冲击下，会造成线圈的变形、扭曲或是松散，从而造成变压器的损坏。根据国内外的大量研究，我们已经知道影响变压器绝缘老化的主要因素是氧气、水分和温度。考虑到目前运行的变压器中，绝大部分绝缘系统与空气是隔离的，不存在外部空气进入的问题。而运行中产生的氧气数量不大且无法控制。因此本课题在考虑变压器固体绝缘老化的时候将不
5、把氧气作为主要因素，而将主要关注水分、温度对变压器绝缘的影响，以及水分、温度两者的关系。变压器的温度是绝缘老化的一个重要因素。变压器的温度控制主要由两个方面决定。一是包括变压器空载损耗、负载损耗、漏磁损耗等在内的各种发热因素，另一方面是变压器的散热能力。这两方面最终决定了变压器的运行温度。对于运行中的变压器，其发热因素是固定的或不可控的。自冷的散热方式，在投入运行的变压器中也是无法调整的。对于风冷变压器，我们则可以通过调整风扇的启动温度，风扇的投入数量来控制变压器的散热能力，进而控制变压器的运行温度。水分是影响绝缘老化的另一个重要因素。有研究显示，水分在绝缘纸和变压器油中保持与温度有关的动态平
6、衡。温度的变化会引起水分不断进出绝缘纸。从而，温度和水分这两个决定变压器绝缘老化的重要因素间存在动态的相互关联，通过对温度的控制也可以对水分产生影响。目前唐山供电公司负责运行的变压器中常见的散热方式为ONAN(自冷)和ONAF(风冷)。110kV以上电压等级的油纸绝缘变压器共有204台，其中有110台为风冷变压器。风冷却系统的控制部分由接触器进行简单的逻辑搭接，其功能简单，控制策略不灵活。本课题主要通过分析中外大量的试验数据和结论，总结温度和水分共同影响绝缘老化的机理。结合现场实际数据，进行必要的试验，提出风冷变压器精确温度控制的原则和必要性。通过设计新的智能型的风冷系统控制装置，改善现有控制
7、方案随意性大、方式简单、控制效果差的缺点。通过对温度、水分这两个可控因素的控制，延缓变压器老化速度，延长其安全使用寿命。2.变压器固体绝缘老化2.1 变压器的固体绝缘2.1.1 由纤维素为主构成的变压器绝缘纸由于浸油后具有良好的电气绝缘性能、良好的稳定性和低廉的造价，油纸绝缘变压器中，纤维素材料被用作各种形式的固体绝缘材料，比如绝缘纸、绝缘纸板等。变压器用绝缘纸和绝缘纸板一般含有约90的纤维素，67的半纤维素和大约34的木质素。纤维素是由葡萄糖基组成的聚合度很高的链状高聚合碳氢化合物，新纸的聚合度（degree of polymerization 简称DP）可达2000。纤维素的结构方程式如图
8、1所示。半纤维素的聚合度约为200或更小些，它的存在可以促进氢键的产生，这对机械强度起着决定性的作用。但是半纤维素的含量不能超过10，否则反而会造成机械强度的下降。图1 纤维素分子结构图 Fig1：Structural formula of cellulose纤维素（C6H10O5）分子结构为链状，分子中含有羟基。纤维素耐油，不易溶解；结构上，纤维呈管状，纤维之间多孔，因此具有很强的吸水性和吸油性；正常情况下其击穿电压、机械强度均不高，但浸渍变压器油后，电气性能非常好。因此油纸绝缘被广泛的应用于油浸式变压器的绝缘结构中4。图2为纤维素制作的绝缘纸在变压器绝缘结构中的典型应用。出线装置压板压板绝
9、缘管绝缘纸筒角环烟囱角环带绝缘纸的铜导线静电环绝缘垫块 图2 绝缘纸在变压器绝缘结构中的典型应用2.1.2 变压器绝缘纸的特性绝缘纸的特殊用途决定了其有着与其它类型的纸材料相比，在机械性能、电气性能和热稳定性等方面有着不同的特性。2.1.2.1 机械强度绝缘纸必须有较高的机械强度，主要是抗张强度和伸长率。有关制造标准要求，厚度为75m的变压器匝绝缘纸的纵、横向抗张强度应分别大于6.00和2.60 kNm，纵、横向伸长率应分别大于2.0% 和6.0%5。2.1.2.2 电气性能绝缘纸是用于电器中的一种绝缘介质，也称为电介质，除了满足一定的物理和化学性能要求外，还必须满足电气性能要求。绝缘纸的电气
10、性能就是指其在电场作用下发生的极化、电导、介质损耗和击穿特性。因为构成绝缘纸的纤维素分子中含有羟基，具有一定的极性，因此绝缘纸的介电常数较大。20摄氏度时，在工频电压下，纤维素构成的绝缘纸的介电常数约为6.5。20时，纤维素的电导率约为l014cm1，。当绝缘纸中杂质和水分含量高时，其导电性能会增大，导致泄漏电流值增大。这在绝缘纸的生产过程中和绝缘纸的使用过程中需要我们给予重视，要严格控制绝缘纸产品中的杂质和水分含量。有标准规定电力电缆纸中灰分含量小于0.7%，水分控制在6% 9%范围内。对于变压器所用的绝缘纸来说，介质损耗是一个非常重要的指标。在100时变压器匝绝缘纸的介质损耗值不应大于0.
11、23.对绝缘纸介质损耗影响最大的是电导损耗，而金属离子的存在会增加电导损耗因此制造工艺标准要求变压器匝绝缘纸灰分中的钠离子含量的极限值为30 mgkg2.1.2.3 热稳定性变压器内的绝缘材料会长时间工作在温度较高的环境中，其热稳定性的大小决定了它的使用寿命。绝缘纸在高温情况下老化过程加快，会逐步丧失它的机械和电气性能。变压器内部的绝缘材料除个别地方使用热稳定纸之外，绝大部分的绝缘材料都为A级绝缘。A级绝缘的定义：IEC: 在105摄氏度的温度下，连续工作7年后，绝缘材料的机械强度的降低小于50%。IEEE: 在110摄氏度的温度下，连续工作65000小时后，绝缘材料的机械强度的降低小于50%
12、。 电气绝缘耐热性分级（GB/T 11021-2007）中也有类似的规定6，标定的耐热等级为105摄氏度。2.2 变压器固体绝缘的老化2.2.1 纤维素的化学、物理结构绝缘纸中的主要化学成分是纤维素。纤维素是由许多D吡喃型葡萄糖彼此以1，4-苷键连接而成的线性高分子聚合物。纤维素是一种天然的高分子化合物，其分子结构中有环状结构，环和环之间是醚键连接的，每一个六角环中有一个氧原子，每一个环上连有3 个羟基，其中有一个是伯醇，反应能力较强，而醚键具有一定的柔软性，羟基具有一定的极性和亲水性，纤维素大分子内部或分子间都可以生成氢键。而纤维素的老化本质上就是这些化学键在外接因素影响下发生断裂。2.2.
13、2变压器固体绝缘老化概述变压器固体绝缘的老化，归根结底就是固体绝缘材料的主要构成部分纤维素的老化过程。纤维素是由葡萄糖单体通过化学键结合构成的自然大分子化合物，其自然形态为链状。纤维素的老化就是在电场、机械力、氧气、水分、酸性物质等各种因素综合作用下，纤维素链状分子持续发生断裂的过程，这种断裂往往发生在两个葡萄糖单体键联络的化学键位置。图3为变压器中固体绝缘材料的老化机理示意图。 变压器油氧化 外部氧气的侵入 CO2 CO 水 CO2纤维素氧化 氧气高温分解水解酸水酸脱水解聚作用左旋葡聚糖分裂左旋葡聚糖分子链断裂水氧气COCO2呋喃型化合物温度 图3 变压器固体绝缘老化机理示意图在整个老化过程
14、中，纤维素分子链长不断变小。相应的绝缘纸的延展性和机械性能不断下降。表征纤维素老化程度的最好的参数是纤维素的聚合度（DP degree of polymerisation ）。纤维素的分子式可以表示为(C6H10O5)n , n 为聚合度,表示纤维素是由多少个葡萄糖基构成。新变压器绝缘纸的聚合度一般在10001200之间，随着绝缘纸的老化，通常认为当绝缘纸的聚合度达500时为寿命中期，聚合度达到200（或250）时，绝缘纸的寿命已经到达极限。此时变压器绝缘纸的机械强度降低到了初始机械强度的50以下，机械力的丧失开始急剧加速。这种情况下，变压器内部的绝缘纸等由纤维素构成的固体绝缘强度已经无法承受
15、外来大的冲击的影响。类似出口或近区短路故障的故障电流引起的电动力往往会对变压器造成损坏。绝缘纸的老化形式主要有电老化、热老化、机械力老化、水分参与的老化等几种。电老化是指绝缘纸在运行变压器中强电场的作用下，由于局部放电等情况逐步造成的绝缘纸电气性能的退化和机械性能的老化。尽管绝缘纸浸变压器油后，绝缘性能非常良好。但我们无法排除生产和安装过程中绝缘系统内部会存在一些或大或小的微观缺陷，同时一些通过各种途径进入绝缘系统的微粒也会造成内部电场的畸变，进而产生局部放电。因此变压器内部的固体绝缘的电老化是不可避免的。热老化是指变压器内部固体绝缘材料在高温的影响下产生的老化情况，其实质是纤维素的聚合链在温度的影响下发生解裂。这一老化过程遵循Arrhenius方程：lnL=lnA+BT。其中，A、B分别是由特定老化反应所决定的常数，L为绝缘寿命，T为绝对温度7。由此可见变压器固体绝缘的速度是与变压器的运行温度密切相关的。由于变压器运行过程中，往往处在温度相对较高的环境，因此热老化也
