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      油浸式電力變壓器固體絕緣剩余壽命探討

      2015-12-14 14:16:21顧春陽(yáng)
      中國(guó)科技縱橫 2015年17期
      關(guān)鍵詞:油浸聚合度極化

      顧春陽(yáng)

      (上海電機(jī)學(xué)院,上海 201306)

      油浸式電力變壓器固體絕緣剩余壽命探討

      顧春陽(yáng)

      (上海電機(jī)學(xué)院,上海 201306)

      變壓器是電力系統(tǒng)的重要組成部分,其運(yùn)行效果在很大程度上決定了系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性與可靠性,但是基于變壓器持續(xù)不間斷的運(yùn)行特點(diǎn),必須要做好對(duì)其服務(wù)壽命的研究,尤其是固體絕緣剩余壽命的管理,爭(zhēng)取有效提高變壓器綜合服務(wù)效果。本文對(duì)油浸式電力變壓器固體絕緣老化機(jī)理進(jìn)行了分析,并對(duì)其絕緣剩余壽命管理措施進(jìn)行了簡(jiǎn)要探討。

      油浸式變壓器 固體絕緣 剩余壽命

      電力變壓器是電網(wǎng)進(jìn)行與運(yùn)行的重要保障,關(guān)系著整個(gè)電力系統(tǒng)運(yùn)行安全性與穩(wěn)定性。電力變壓器在應(yīng)用時(shí)具有持續(xù)不間斷的運(yùn)行特點(diǎn),固體絕緣受損比較嚴(yán)重,尤其是針對(duì)部分投入早期的設(shè)備,基本上已經(jīng)超出設(shè)計(jì)壽命。這樣為提高設(shè)備運(yùn)行效率,就需要從固體絕緣老化機(jī)理出發(fā)進(jìn)行研究,并選擇有效的措施來適當(dāng)?shù)难娱L(zhǎng)構(gòu)件服務(wù)年限,延長(zhǎng)其剩余壽命,提高電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性與經(jīng)濟(jì)性。

      1 電力變壓器老化機(jī)理分析

      對(duì)于油浸式電力變壓器來說,其運(yùn)行時(shí)主要是利用油-紙絕緣結(jié)構(gòu),由絕緣油、紙板以及絕緣紙等組成,在運(yùn)行時(shí)絕緣油通過脫氣、過濾以及換油等方式來對(duì)絕緣性進(jìn)行優(yōu)化,這樣在變壓器運(yùn)行過程中,就可以對(duì)絕緣油進(jìn)行再生與更換,最終由固體絕緣決定了變壓器的剩余壽命。從實(shí)際情況來看,變壓器基本上均處于高壓環(huán)境下長(zhǎng)期不間斷運(yùn)行,勢(shì)必會(huì)造成固體絕緣的逐漸老化,進(jìn)而會(huì)影響到設(shè)備運(yùn)行效率。油浸式電力變壓器固體絕緣老化即纖維素降解的過程,包括熱解降解、水解降解以及氧化降解等方式[1]。為延長(zhǎng)變壓器使用壽命,在實(shí)驗(yàn)室通過加速老化試驗(yàn)來對(duì)多種因素下絕緣材料老化過程進(jìn)行研究,并由此來推出正常電壓與環(huán)境作用下老化壽命,有針對(duì)性的采取措施來延長(zhǎng)固體絕緣服務(wù)時(shí)間。

      2 影響油浸式電力變壓器固體絕緣剩余壽命因素分析

      2.1 溫濕度

      變壓器運(yùn)行環(huán)境比較特殊,溫濕度均會(huì)對(duì)固體絕緣老化速度造成影響,對(duì)于油浸式變壓器來說,基本上都是采用的A級(jí)絕緣,在常規(guī)運(yùn)行環(huán)境中允許運(yùn)行溫度為65℃,當(dāng)溫度超過80℃后每升高6℃,將會(huì)加倍固體絕緣的老化,縮短變壓器剩余壽命[2]。而對(duì)于濕度來說,水分越多使得紙纖維講解速度越快,急速降低機(jī)械強(qiáng)度,對(duì)紙絕緣構(gòu)件影響比較大。為降低濕度對(duì)紙絕緣的影響,需要提前對(duì)其進(jìn)行干燥與浸油處理,并且要保持密封狀態(tài),以免潮氣進(jìn)入破壞機(jī)械內(nèi)部干燥環(huán)境。因此,要做好對(duì)變壓器運(yùn)行環(huán)境的控制,將溫濕度均控制在允許的范圍內(nèi),以免溫濕度過高加快固體絕緣的老化。

      2.2 負(fù)載

      變壓器運(yùn)行散熱與負(fù)載能力如何,在根本上決定了變壓器的工作溫度,如果此環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題,將會(huì)導(dǎo)致設(shè)備運(yùn)行溫度升高,進(jìn)而會(huì)加速固體絕緣的老化。目前社會(huì)發(fā)展對(duì)電力需求不斷增大,使得很多變壓器長(zhǎng)期處于過負(fù)載運(yùn)行狀態(tài),同樣會(huì)加快固體絕緣老化速度,縮短設(shè)備剩余壽命。因此,為延長(zhǎng)電力變壓器剩余壽命,必須要適當(dāng)控制其運(yùn)行負(fù)載,避免長(zhǎng)期超負(fù)荷運(yùn)行,降低此因素對(duì)設(shè)備服務(wù)壽命的影響。

      2.3 短路電流

      如果變壓器在運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)短路故障,則短路電流沖擊作用會(huì)造成變壓器引線位移,或者繞組變形,使得絕緣距離發(fā)生變化。如果處理不及時(shí),還會(huì)造成繞組與絕緣機(jī)構(gòu)機(jī)械性能降低,對(duì)固體絕緣造成損傷,降低繞組承受短路電流的能力。因此,在變壓器運(yùn)行時(shí)要不定期進(jìn)行巡邏檢修,檢查各線路的完整性與運(yùn)行穩(wěn)定性,減小短路故障的發(fā)生概率。并且在巡檢過程中一旦發(fā)現(xiàn)短路故障,要及時(shí)進(jìn)行處理,并對(duì)損壞的固體絕緣構(gòu)件進(jìn)行更換,保證變壓器能夠正常運(yùn)行。

      2.4 過電壓

      大氣過電壓具有幅值高、波頭陡等特點(diǎn),會(huì)對(duì)變壓器主絕緣與縱絕緣產(chǎn)生較大的影響,尤其是對(duì)于首端繞組電位來說,梯度大會(huì)受到大于沖擊電壓的高電壓,不但會(huì)造成固體絕緣損壞,甚至還會(huì)出現(xiàn)放電問題。另外,操作過電壓波頭相對(duì)平緩,在絕緣上的電壓分布相對(duì)均勻,很有可能會(huì)導(dǎo)致主絕緣與相間絕緣劣化。而對(duì)于暫時(shí)過電壓來說,其持續(xù)的時(shí)間比較長(zhǎng),會(huì)致使絕緣構(gòu)件溫度升高,在油紙絕緣內(nèi)部出現(xiàn)電離故障。過電壓是影響油浸式電力變壓器固體結(jié)緣構(gòu)件老化的主要因素,同時(shí)在控制上難度也比較大,在電網(wǎng)運(yùn)行過程中必須要加強(qiáng)對(duì)此方面因素的重視,針對(duì)不同的過電壓影響特點(diǎn),來選擇相對(duì)應(yīng)的處理措施,降低其對(duì)設(shè)備運(yùn)行造成的影響,延長(zhǎng)變壓器剩余壽命。

      3 油浸式電力變壓器剩余壽命評(píng)估技術(shù)分析

      3.1 紙絕緣聚合度檢測(cè)法

      紙絕緣是油浸式電力變壓器固體絕緣重要組成部分,所謂的聚合度即一個(gè)纖維素大分子包含的重讀結(jié)構(gòu)單元數(shù)量,即D-吡喃型葡萄糖基數(shù)量。當(dāng)纖維素分子聚合度降低后,分子鏈長(zhǎng)度會(huì)縮短,分子之間作用力降低,紙絕緣機(jī)械強(qiáng)度減小。一般情況下新的紙絕緣聚合度為1000~1200范圍,當(dāng)聚合度降低到500時(shí),絕緣為壽命中期階段,當(dāng)降低到250時(shí)則會(huì)導(dǎo)致機(jī)械強(qiáng)度大幅度降低,降低到150左右時(shí),紙絕緣將喪失全部機(jī)械強(qiáng)度[3]。經(jīng)過試驗(yàn)分析可得,紙絕緣聚合度會(huì)隨著溫度的增加減小,在確定變壓器剩余壽命時(shí),就可以根據(jù)紙絕緣聚合度老化與裂解參數(shù)來判斷,一般可以直接選取紙樣故障部位老化程度進(jìn)行分析。

      3.2 糠醛含量檢測(cè)法

      在油浸式變壓器紙絕緣老化時(shí),會(huì)將纖維素降解來生成部分D-葡萄糖單糖,但是因?yàn)槠浞€(wěn)定性低,極容易分解成氧化雜環(huán)化合物,糠醛為其中一種,并且只有由紙絕緣或者紙板等纖維素材料降解產(chǎn)生。因此,在判斷變壓器剩余壽命時(shí),可以通過對(duì)油中糠醛含量變化的測(cè)定分析,來確定當(dāng)前變壓器固體絕緣老化狀態(tài)與運(yùn)行趨勢(shì)。一般情況下,當(dāng)油中糠醛濃度達(dá)到0.5mg/L時(shí),就需要采取一定的措施進(jìn)行處理,對(duì)紙絕緣聚合度做更進(jìn)一步的檢測(cè)分析,通過多方面的綜合分析診斷,來確定變壓器的剩余壽命與運(yùn)行狀態(tài)。

      3.3 介質(zhì)響應(yīng)分析檢測(cè)法

      3.3.1 恢復(fù)電壓法

      如下圖1所示,將開關(guān)S1閉合后,直流電壓Uc將會(huì)作用于絕緣系統(tǒng),經(jīng)過充電時(shí)間tc后,將開關(guān)S1打開,并閉合開關(guān)S2,在較短短時(shí)間td內(nèi)進(jìn)行短路放電操作,其中td<tc。然后將開關(guān)S1打開,則剩余的被極化電荷將會(huì)逐漸返回到自由狀態(tài),造成絕緣系統(tǒng)兩端電壓升高,升高達(dá)到峰值狀態(tài)后持續(xù)下降到零值,整個(gè)過程即為恢復(fù)電壓。對(duì)于油浸式電力變壓器固體絕緣剩余壽命的分析,就可以采取此種形式,將恢復(fù)電壓峰值Umax、恢復(fù)電壓峰值時(shí)間tmax以及起始斜率S作為判斷油紙絕緣系統(tǒng)老化與受潮狀態(tài)的分析依據(jù)。

      恢復(fù)電壓峰值與電介質(zhì)極化率之間成正比例關(guān)系,恢復(fù)電壓起始斜率與電介質(zhì)電導(dǎo)率成正比例關(guān)系,對(duì)于電力變壓器來說,隨著絕緣紙中含水量的不斷升高,將會(huì)在油紙界面產(chǎn)生更多的束縛電荷,相應(yīng)的也就會(huì)產(chǎn)生更為明顯的極化現(xiàn)象,導(dǎo)致系統(tǒng)電導(dǎo)率增加,恢復(fù)電壓峰值升高以及峰值時(shí)間縮短。

      3.3.2 極化去極化電流法

      如圖2所示,閉合開關(guān)S1,將直流電壓Uc施加于高壓繞組與低壓繞組之間,則變壓器絕緣中就會(huì)產(chǎn)生極化電流ipol,公式為:

      其中,f(t)表示絕緣介質(zhì)響應(yīng)函數(shù),C、γ以及ε表示絕緣介質(zhì)幾何電容、直流電導(dǎo)率以及相對(duì)介電常數(shù)。

      f(t)為單調(diào)減函數(shù),在充電時(shí)間tc足夠長(zhǎng)時(shí),極化電流將會(huì)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),大小取值受絕緣介質(zhì)直流電導(dǎo)率決定,當(dāng)t<100s時(shí),油電導(dǎo)率為主要影響因素,電導(dǎo)率越高則極化電流越大。在t>1000s以后,變壓器固體絕緣內(nèi)水分將會(huì)對(duì)極化電流產(chǎn)生影響,即水分含量越高則電流越大。極化完成后將開關(guān)S1斷開,并合并開關(guān)S2,絕緣介質(zhì)會(huì)被電流表進(jìn)行短時(shí)間的短接,并產(chǎn)生負(fù)向反極化電流idepol,公式為:

      其中,tc表示施加直流電壓充電時(shí)間,在變壓器絕緣介質(zhì)被充分極化后,極化電流將會(huì)與介質(zhì)相應(yīng)函數(shù)成正比相關(guān),這樣就可以利用電流變化來對(duì)固體絕緣介質(zhì)受潮與老化情況進(jìn)行判斷,確定變壓器固體絕緣剩余壽命。

      4 結(jié)語(yǔ)

      固體絕緣老化程度決定了油浸式電力變壓器剩余服務(wù)壽命,為延長(zhǎng)設(shè)備使用年限,就需要對(duì)影響固體絕緣老化的因素進(jìn)行分析,通過合理的方式來檢測(cè)診斷設(shè)備剩余壽命,并在此基礎(chǔ)上有針對(duì)性的選擇優(yōu)化措施,降低固體絕緣的老化,延長(zhǎng)設(shè)備服務(wù)年限。

      [1]林朝暉.油浸式電力變壓器固體絕緣剩余壽命研究[D].西華大學(xué), 2010.

      [2]林朝暉,張彼德,黃鵬飛,林麗琴.油浸式變壓器固體絕緣診斷及剩余壽命預(yù)測(cè)[J].高壓電器,2010,09:71-73.

      [3]王偉,曲文韜,楊承龍,馮新巖.油浸式電力變壓器固體絕緣老化檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用[J].電氣技術(shù),2010,10:39-42.

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