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1、资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。热老化过程中变压器油理化特性变化研究唐立军 彭石林 文勇军 (长沙理工大学物理与电子科学学院, 湖南 长沙 410004)摘 要: 电力变压器的安全运行关系到整个电网安全运行的重要和关键设备。现场运行中电力设备的重要绝缘介质是变压器油, 变压器油纸绝缘的老化主要是热老化导致的。在漫长的热老化过程中, 不但产生了水分, 纸板的纤维结构还会在热应力的作用下逐渐断裂并变脆。在实验室对常见变压器油及油纸进行热老化模拟实验, 研究热老化过程中变压器油纸的物理化学特性的变化。结果表明, 不同变压器油在热老化过程中生成的酸值速度的一定的差异; 绝
2、缘纸的加入对变压器油热老化过程中酸的生成有加剧作用; 热老化时间越久, 产生的水分会越多, 束缚电荷也就越多, 导致了在同样的时间下老化程度越大。关键词: 变压器油; 热老化实验; 酸值; 绝缘纸; 电力安全 1 引言对油纸绝缘结构进行老化评估的方法主要有油中气体分析( DGA) 、 油中糠醛分析及纸板的聚合度( DP) 值和抗拉强度测量等手段。但以上方法要么需要吊罩取样, 要么受变压器结构影响较大, 要么准确度不高, 在现场应用方面都受到一定的限制。为了研究油纸绝缘在热老化过程中其PDC测量曲线的变化情况, 使用新的3 mm 厚绝缘纸板裁剪成相同尺寸, 干燥之后放置在密闭的充满油的安瓿瓶中,
3、 在130 下进行了为期近1 000 h 的热老化, 分别在0 h、 240 h、 480 h、 720 h 及960 h 阶段进行取样测试。能够看出, 测量到的去极化电流和不同含水量试品的测量结果非常类似, 即热老化时间越久, 产生的水分会越多, 束缚电荷也就越多, 导致了在同样的时间下老化程度越大, 其去极化电流的值就越大。从试验中能够看出, 水分作为油纸绝缘老化的直接产物, 在PDC 测量中能够得到非常直接的表现。电力变压器的安全运行关系到整个电网安全运行的重要和关键设备。现场运行中电力电设备的重要绝缘介质是变压器油。随着电力变压器不断向超高压、 大容量方向发展, 人们对变压器油的要求也
4、越来越高。变压器油纸绝缘的老化主要是热老化导致的。在漫长的热老化过程中, 不但产生了水分, 纸板的纤维结构还会在热应力的作用下逐渐断裂并变脆。酸值是变压器油的一个常规监测项目, 能反映油质劣化以及污染程度。变压器油在氧、 热和电场的作用下会逐渐老化, 使油中酸性物质增多。酸性物质不但腐蚀设备, 同时还会降低油的绝缘性能, 最终导致电力设备寿命缩短, 甚至导致电力系统故障, 造成巨大损失。酸值在国家标准和国际标准中都被列为必测参数。为了保证设备正常运行, 延长其使用寿命, 就必须对电力用油进行严格的监测和维护。本文试验中选用克拉玛依25#和45#新变压器油, 模拟变压器油的老化过程, 研究不同时
5、间和不同温度下酸值的变化规律。1.1 变压器油的化学组成变压器油是一种天然矿物油, 它是天然石油在精炼过程中, 利用各个组分沸点的不同, 经过蒸馏提取的。其主要成分是碳氢化合物, 包括烷烃、 环烷烃及芳香烃等, 还有少量的硫、 氧、 氮等物质。新的变压器油是呈无色透明液体, 在光线折射下, 视觉效果显现淡蓝色荧光或淡紫色荧光, 这是多环芳香烃、 特别是三环烃液态时的典型特征。随着老化程度逐渐加深, 多环芳香烃逐渐被氧化, 分子中的双键被裂解, 逐渐失去不饱和性; 油的颜色从无色透明渐变为淡黄色、 浅黄色; 油逐渐失去荧光, 甚至从透明变得混浊; 从无嗅无味变成略带煤焦油味或酸味; 油中出现黄色
6、或浅黄色悬浮物, 甚至出现褐色或黑色沉淀1。1.2 变压器油热老化机理变压器内绝缘系统主要由绝缘纸和绝缘油组成。在运行过程中, 受温度、 电场、 水分、 氧气等因素的影响, 油纸绝缘系统逐渐老化, 电气及机械性能降低, 从而危及变压器乃至整个电网的稳定运行121变压器油纸绝缘的老化机理变压器油的老化机理变压器油是由烷烃、 环烷烃、 芳香烃等碳氢化合物组成的混合物。在正常温度下, 变压器油不会发生热分解, 其老化主要是由氧化导致。油中吸收的氧在水分、 温度作用下加速老化, 生成醇、 醛、 酮等氧化物及酸性化合物, 并最终析出油泥。油氧化反应形成少量的CO和CO2, 随着运行中气体的积累, CO和
7、CO2往往成为油中溶解气体中的主要组分, 同时还伴随有少量H2和低分子烃类气体。这些烃类气体的迅速增加是在非正常的油温下产生的, 因为电和热故障能够使某些C-H键和C-C键断裂, 伴随生成少量活泼的氢原子和不稳定的碳氢化合物的自由基, 这些氢原子或自由基经过复杂的化学反应迅速重新化合, 形成氢气和低分子烃类气体(如CH4、 C2H6、 C2H4、 C2H2等); 随着不同故障能量和时间的作用也可能生成碳氢聚合物(X-蜡)及固体碳粒。固体绝缘的老化机理变压器固体绝缘的主要材料是绝缘纸(纸板), 纸的主要成份是纤维素, 纤维素是由长链的糖和单糖构成的有机物。变压器固体绝缘纤维素大分子老化过程即纤维
8、素的降解过程, 主要有三种方式: (1)水解。水和酸使纤维素中的配糖键断裂, 生成自由的糖, 使纤维素的聚合度降低, 使纤维变弱, 缩短。绝缘纸板中含的水分越多, 纤维素水解的速度越快; 同时, 变压器油中的酸起着触媒的作用, 能够降低纤维素配糖键断裂的活化能, 加速水解的反应速度。(2)热解。纤维素加热至200时, 如有氧化物、 水等存在就易于打开配糖键和葡萄糖链, 反应生成物包括葡萄糖、 水分、 CO、 C02和有机酸等。绝缘的老化, 即纤维结构链的断裂速度, 主要取决于热点温度。(3)氧化降解。纤维素容易被氧化, 氧与纤维素分子里的碳原子反应生成醛类和酸, 同时产成水、 CO、 C02等
9、。氧气是促使纤维素氧化的原因之一, 葡萄糖上的伯醇基(-CH2OH)很容易被氧化生成醛基, 醛基再氧化生成羧基, 羧基不稳定, 容易发生水解。变压器油的老化过程, 是指变压器油在光、 热、 氧、 电弧、 电场、 磁场、 辐射等物理化学因素作用下, 颜色、 气味、 运动粘度、 酸值及介损耗等性能发生变化, 其介电性能下降或变坏的过程。这是一个复杂的物理、 化学变化过程。变压器油的老化过程可分为热氧老化和电气老化两种, 它们的老化机理不同。热氧老化是指变压器油暴露在光、 热、 辐射线及氧气或氧化性气体等活性物质中受到氧化作用, 或者由于绕组、 铁心及固体绝缘的因故障发热而导致变压器油产生的老化。光
10、及辐射线, 对变压器油老化过程有重要的影响: 光和射线供给分子、 电子以一定的能量。而且波长越短的射线, 其能量越强, 对油的老化作用越强。它能够切断分子链, 从而使绝缘油的粘度增加, 使油变浑浊, 产生悬浮物及沉淀。在光、 热、 射线和氧化等作用下, 变压器油内部发生着自动氧化的游离基链式反应过程。氧化产物中酸性物质的增加, 导致变压器油酸值增高。酸性组分包括有机酸、 无机酸、 酯类、 酚类化合物、 内酯、 树脂和重金属盐类、 胺盐、 其它弱碱的盐类、 多元酸的酸式盐, 以及某些抗氧和清静添加剂。酸与醇进一步起缩合反应可生成低聚物、 树脂类物质, 或分子量更高的粘稠状物质。热氧老化是一个恶性
11、循环过程, 其结果是使变压器油颜色加深, 气味产生变化, 运动粘度发生改变, 其酸性增加和水溶性成分增大, 变压器油的电导性能增强, 介电性能明显降低, 氧化安定性变差。其酸性产物会腐蚀设备的金属部件, 导致设备不能正常运行, 缩短设备的运行寿命。2 变压器油热老化实验本实验中选用克拉玛依25#和45#变压器油和乐山造纸厂超高压电气绝缘纸。2.1 试验温度的选择在进行油纸绝缘加速老化试验时, 需要选择合理的试验温度, 在老化机理不变的条件下达到加速老化的目的。油纸绝缘长期老化试验温度一般选择为90145 , 短期则一般为130190 。可是Saha等认为: 当温度高于150 时, 纤维素绝缘纸
12、的降解机理可能发生改变2。因此, 本文选择140 作为油纸绝缘样品的热老化程度随时间变化的试验温度。根据IEEE标准, 变压器在超过铭牌额定值负荷下运行时, 热点温度一般为120130 , 因而本文选择110、 120、 130 和140 作为油纸绝缘样品老化程度随温度变化的试验温度。2.2 老化试验设计(1) 将绝缘纸进行真空干燥, 然后准确称取10g作为一份, 共22份。(2) 相同温度不同老化时间样品的制备: 将称好的绝缘纸分别同25#和45#变压器油经真空浸油后按油、 纸质量比12:1 混合, 分别装入8个250ml烧杯中, 放入140烘箱内进行加速热老化试验。另取25#和45#变压器
13、油各1.5L分别装入2L烧杯中, 加入同一140烘箱内进行热老化, 每间隔12小时取出一组样品进行密封保存, 共得到8组不同时间的油及油纸老化样品。(3) 相同时间不同温度老化样品的制备: 将称好的绝缘纸分别同25#和45#变压器油经真空浸油后按油、 纸质量比12:1 混合, 分别装入6个250ml烧杯中。将25#和45#变压器油各取三份, 每份140ml分别装入6个250ml烧杯中。各取一份25#油、 25#油纸、 45#油、 45#油纸作为一组分别装入110、 120、 130烘箱内, 进行加速热老化试验。在96小时后取出样品密封保存。2.3 酸值测量按GB7599- 1987运行中变压器
14、油、 汽轮机油酸值测定法( BTB 法) 标准进行3。该法是采用沸腾乙醇抽试油中的酸性组分, 再用氢氧化钾乙醇溶液进行滴定。中和1g试油酸性组分所需的氢氧化钾毫克数称为酸值。2.3.1 仪器锥形烧瓶: 200300mL, 球形或直形回流冷凝器: 长约300mm, 微量滴定管: 12mL, 分度0.02mL, 水浴。2.3.2 试剂( 1) 氢氧化钾溶液: 配成0.020.05mol/L氢氧化钾乙醇溶液。( 2) 溴百里香草酚蓝(BTB)指示剂: 取0.5g溴百里香草酚蓝(称准至0.01g)放入烧杯内, 加入100mL无水乙醇, 然后用0.1mol/L氢氧化钾的溶液中和至pH为5.0。( 3)
15、无水乙醇: 分析纯。2.3.3 试验步骤(1) 用锥形烧瓶称取试油810g(准至0.01g)。(2) 量取无水乙醇50mL倒入有试油的锥形烧瓶中, 装上回流冷凝器, 于水浴上加热, 在不断摇动下回流5min, 取下锥形烧瓶加入0.2mLBTB指示剂, 趁热以0.02 0.05mol/L的氢氧化钾乙醇溶液滴定至溶液由黄色变成蓝绿色为止, 记下消耗的氢氧化钾乙醇溶液的毫升数。BTB指示剂在碱性溶液中为蓝色, 因试油带色的影响, 其终点颜色为蓝绿色。在每次滴定时, 从停止回流至滴定完毕所用的时间不得超过3min。(3) 取无水乙醇50mL按( 2) 步骤进行空白试验。2.3.4 计算试油的酸值按下式计算: (1)式中:X试油的酸值, mgKOH/g; V1滴定试油所消耗0.020.05mol/L氢氧化钾乙醇溶液的体积,mL; V0滴定空白所消耗0.020.05mol/L氢氧化钾乙醇溶液的体积,mL; C氢氧化钾乙醇溶液的浓度, mol/L; G试油的重量, g。2.4 精确度进行两次平行测定, 取其平均值。 3 实验结果及分析3.1 相同温度不同老化时间样品酸值记录如下表所示: 表1 相同温度不同老化时间样品酸值3.2 相同时间不同温度老化样品酸值如下表所示: 表2 相同时间不同温度老化样品酸值3.3 分析与讨论（1） 从图1和
