解决变压器绝缘老化诊断中的不确定性问题

2023-06-27 理论教育版权反馈

【摘要】：这种方法有效地消除了累积效应的影响,使诊断的可行性得到进一步提高,然而,变压器油氧化时也有CO 和CO2等生成物,同时国产变压器中使用的1030号或1032号绝缘漆在运行条件下会自然分解出CO、CO2,技术上无法判明分析得到的CO 和CO2含量是因为绝缘纸的正常老化产生,还是变压器油氧化分解反应产生或是绝缘漆分解产生,单用CO 和CO2的含量、产气速率和CO/CO2来判断固体绝缘状况和故障带有很大的不确定性因素。

在《电力设备预防性试验规程》(以下可简称《规程》)(DL/T 596—1996)中推荐的诊断绝缘老化的方法有:

(1)油中溶解气体分析 (特别是CO、CO2含量及变化);

(2)绝缘油酸值;

(3)油中糠醛含量;

(4)油中含水量;

(5)绝缘纸或纸板的聚合度。

目前现场研究较多的有三种方法。

(一) 利用气相色谱法测定由绝缘纸老化分解出的CO、CO2的生成量

1.国内判据

辽宁省电力科学研究院曾研究出隔膜式变压器CO 和CO2含量判断指标,其判断结果与实际情况相符。具体判断方法请参阅本章第十节。

2.IEC判据

IEC599推荐以CO/CO2的比值作为判据,来确定故障与固体绝缘间的关系。认为CO/CO2＞0.33或＜0.09 时表示可能有纤维绝缘分解故障,在实践中这种方法有相当大的局限性。西安交通大学曾对59例过热性故障和69例放电性故障进行了统计。结果表明,应用CO/CO2比例的方法正判率仅为49.2%,这种方法对悬浮放电故障的识别正确率较高,可达74.5%;但对围屏放电的正判率仅为23.1%。

3.日本判据

月岗淑郎研究了使用变压器单位纸重分解并溶于油中的碳的氧化物总量,即 (CO+CO2)m L/g(纸)来诊断固体绝缘故障。但是,已投运的变压器的绝缘结构、选用材料和油纸比例随电压等级、容量、型号及生产工艺的不同而差别很大,不可能逐一计算每台变压器中绝缘纸的合计质量,该方法因实际操作困难,难以应用;并且,考虑全部纸重在分析整体老化时是比较合理的,如故障点仅涉及固体绝缘很小一部分时,使用这种方法也很难比单独考虑CO、CO2含量更有效。

4.动态分析方法

由于电力变压器内部涉及固体绝缘的故障包括围屏放电、匝间短路、过负荷或冷却不良引起的绕组过热、绝缘浸渍不良等引起的局部放电等。无论是电性故障或过热故障,当故障点涉及固体绝缘时,在故障点释放能量的作用下,油纸绝缘将产生裂解,释放出CO 和CO2。但它们的产生不是孤立的,必然因绝缘油的分解产生各种低分子烃和氢气,并能通过分析各种特征气体与CO和CO2间的伴生增长情况,来判断故障的原因。这就是动态分析法的思路。其实质就是利用故障产生的主要特征气体和CO 的伴生增长情况判断故障点是否涉及固体绝缘。这种方法基本上不受累积效应的影响,不存在注意值的限制,可以随分析溶解气体的变化规律,及时发现可能存在的潜伏性故障;运行中变压器故障的产气过程并不都是线性增长的,存在着其他增长模式,如果不考虑脱气、换油等油务处理对油中溶解气体含量的影响,故障气体的发展过程大致为三种典型模式,如图1-97所示。

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图1-97　故障气体的典型增长模式

(a)正二次型;(b)负二次型;(c)一次型

如果是正二次型增长,则常与突然性故障相对应,故障功率及涉及的面积不断扩大,此种故障增长模式往往非常危险;如果总烃含量是负二次型增长模式,则多与逐渐减弱或暂时性的故障有关;如果是线性增长模型,即一次型,则是一种与稳定存在的故障点相对应的产生形式,只有当产气率或总烃大于某一值时才认为故障严重。这种方法有效地消除了累积效应的影响,使诊断的可行性得到进一步提高,然而,变压器油氧化时也有CO 和CO2等生成物,同时国产变压器中使用的1030号或1032号绝缘漆在运行条件下会自然分解出CO、CO2,技术上无法判明分析得到的CO 和CO2含量是因为绝缘纸的正常老化产生,还是变压器油氧化分解反应产生或是绝缘漆分解产生,单用CO 和CO2的含量、产气速率和CO/CO2来判断固体绝缘状况和故障带有很大的不确定性因素。

(二) 测量绝缘纸 (板) 聚合度

测量变压器绝缘纸的聚合度 (指绝缘纸分子包含纤维素分子的数目)是确定变压器老化程度的一种比较可靠的手段。纸聚合度的大小直接反映了纸的老化程度,新的油浸纸 (板)的聚合度值约为1000,当受到温度、水分、氧化作用后,纤维素降解 (是指绝缘材料裂解产生杂质,使绝缘老化),大分子发生断裂,使纤维素长度缩短,也即D—葡萄糖单体的个数减少至数百,而纸的聚合度正是代表了纤维素分子中D—葡萄糖的单体个数。

根据资料介绍和国内老旧变压器的测试情况,认为聚合度达到250左右,绝缘纸的机械强度已下降50%以上。运行中的变压器测绝缘纸的机械强度,由于对试样尺寸要求较高,不如测聚合度取样容易。实际上,变压器绝缘纸老化的后果除致使其电气强度有所下降外,更主要的是机械强度的丧失,在机械力的冲击下,造成损坏而导致电气击穿等严重后果。因此当聚合度值下降至250后,并不意味着会立即发生绝缘事故,所以《规程》(DL/T 596—1996)提出,当聚合度小于250 时,应引起注意。但从提高设备运行可靠性的角度考虑,应避免短路冲击,严重的振动等因素,也应着手安排备品,便于将绝缘已严重老化的变压器能较早地退出运行。

应当指出,虽然聚合度是最能表征绝缘纸老化程度的指标,是非常准确、可靠、有效的判据。但是,这项试验要求变压器停运、吊罩以取纸样。因此,对正在运行的变压器无法进行这项测试,应用受到限制。这就迫使人们另辟新路。

(三) 测量油中的糠醛含量

由上述,绝缘纸中的主要化学成分是纤维素。纤维素大分子是由D—葡萄糖基单体聚合而成。当绝缘纸出现老化时,纤维素历经如下化学变化:D—葡萄糖的聚合物由于受热、水解或氧化而解聚,生成D—葡萄糖单糖。D—葡萄糖单糖很不稳定,容易水解,最后产生一系列氧环化合物。糠醛(C4H3OCHO,即呋喃甲醛)是绝缘纸中纤维素大分子解聚后形成的一种主要氧环化合物。它溶解在变压器的绝缘油中,是绝缘纸因降解而形成的主要特征液体。可以用高效液相色谱分析仪测出其含量,根据浓度的大小判断绝缘纸的老化程度,并根据糠醛的年产生速率可进一步推断其剩余寿命。

《规程》(DL/T 596—1996)建议在下列情况下测量油中糠醛含量:

(1)油中气体总烃超标或CO、CO2过高。

(2)500kV变压器和电抗器及150MVA 以上升压变压器投运3～5年后。

(3)需要了解绝缘老化情况时。

根据国外的研究报告和电力科学院对国内近千台设备的测试结果,《规程》(DL/T 596—1996)中初步提出一个判断指标 (应该说还不成熟)。如表1-44所示。当测得油中糠醛含量超过表中数值时,一般为非正常老化,需跟踪检测。跟踪检测时,应注意增长率。

表1-44　油中糠醛含量判断指标

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