變壓器油老化對介損的影響及其絕緣壽命試驗探析

1、<p>　　變壓器油老化對介損的影響及其絕緣壽命試驗探析</p><p>　　[摘 要]變壓器油是高壓電氣設備、尤其是電力變壓器最重要的絕緣介質(zhì)，擔負著電氣設備絕緣、冷卻、滅弧以及信息載體等作用。為保證各油浸設備的可靠運行，迫切需要準確地評估變壓器油的絕緣狀態(tài)。因此，本文對變壓器油老化對介損的影響進行了分析，并對其絕緣壽命進行了試驗。 </p><p>　　[關鍵詞]變壓器油 老

2、化 介質(zhì) 影響 絕緣壽命 </p><p>　　中圖分類號：F320；P49 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）10-0064-01 </p><p><b>　　引言 </b></p><p>　　介質(zhì)損耗因數(shù)可以靈敏地檢驗變壓器油的絕緣劣化和精制程度，是最重要的指標之一，而介質(zhì)損耗因數(shù)與油的老化程度直接相關。近年來，國

3、內(nèi)外有學者采用逐步升壓法和恒定電壓法評估有機絕緣材料壽命，用它加速老化聚丙烯、聚酞亞胺和聚偏二氟乙烯薄膜的壽命試驗，并對得到的結果進行比較，認為逐步升壓法基于的累積效應，在老化應力作用下無自恢復特性，適用于評估固體絕緣材料的絕緣壽命，而恒定電壓法適用于評估液體絕緣介質(zhì)的絕緣壽命。本文分別從變壓器油的電氣老化和熱氧老化兩方面進行研究，探討油質(zhì)的老化對介質(zhì)損耗因數(shù)的影響，采用恒定電壓法評估變壓器油的絕緣壽命。 </p><

4、;p><b>　　1 電氣老化 </b></p><p>　　電應力是導致絕緣材料性能劣化的主要因素之一，通過加速壽命模型研究絕緣材料在電應力作用下的壽命是得到廣泛認可的試驗方法。加速壽命試驗方法有兩種：恒定電壓加速壽命試驗和步進電壓加速壽命試驗。步進升壓法是基于固體絕緣的累積效應。與液體和氣體電介質(zhì)不同，固體絕緣在老化應力作用下無自恢復特性，故本試驗采用恒定電壓法。恒定電壓法的基本原

5、理是：在采用恒定電壓法進行試品加速老化試驗時，勻速升壓至試驗電壓，該電壓為小于絕緣材料擊穿電壓的適當選定值，保持電壓值不變直至試品擊穿為止，記錄擊穿時間和試驗電壓值。用反冪函數(shù)作材料電老化壽命計算經(jīng)驗模型，得到變壓器油絕緣壽命模型的電壓耐受系數(shù)。試驗采用錐尖棒-圓形平板電極間隙，也稱尖-板電極。尖-板間隙的最大電場強度產(chǎn)生在尖電極的頂點。采用XCⅡ─6試驗變壓器，TDS3054B數(shù)字存儲示波器對測量回路中的無感電阻R=50Ω的電壓信號進

6、行采集，采樣頻率。 </p><p><b>　　2 熱氧老化 </b></p><p>　　變壓器油與氧有較強的親和作用，在水分、銅鐵等導線材料的催化劑作用下，以及外界加速因素（熱、震動與沖擊、電場）的影響下，其氧化就是一個必然的過程。酸值和介質(zhì)損耗因數(shù)都是反映油質(zhì)老化程度的重要指標，兩者的相關性都是研究過程中應關注的問題。 </p><p>

7、;　　2.1 試驗材料和儀器 </p><p>　?。?）新油：25號變壓器油。（2）Avatar360傅立葉紅外光譜儀。（3）KD9101型自動油介損試儀。（4）2020型熱鼓風恒溫老化干燥箱。（5）干燥器。 </p><p><b>　　2.2試驗方法 </b></p><p>　　2.2.1油的熱老化試驗 </p><

8、p>　?。?）銅絲的繞制。將T1號銅絲用240號砂紙磨光，再用濾紙擦凈，繞成外徑為（19±1）mm的螺旋形，用苯洗滌兩次并吹干，放入干燥器內(nèi)冷卻、備用。（2）油樣的熱老化。準確稱取500g變壓器油，分別放入1000mL試劑瓶內(nèi)，油樣要均勻而不形成氣泡，將繞制好的銅絲放入瓶中，密封后放入老化箱內(nèi)，溫度設定為115℃。記錄下油樣放入老化箱的時刻作為油開始老化的時間。在氧化過程中，每隔72h，取出20g試油，裝入250mL試驗

9、瓶中，然后立刻放入干燥器中冷卻、干燥，嚴格控制水分進入試油中。 </p><p>　　2.2.2酸值和介質(zhì)損耗因數(shù)的測定 </p><p>　　酸值的測定：按照GB/T264-1983《石油產(chǎn)品酸值測定法》進行試驗。介質(zhì)損耗因數(shù)的測定：按照GB/T5654-2007《液體絕緣材料相對電容率、介質(zhì)損耗因數(shù)和直流電阻率的測量》測量介質(zhì)損耗因數(shù)。 </p><p><

10、;b>　　3 試驗結果 </b></p><p>　　3.1 電老化對介質(zhì)損耗因數(shù)的影響 </p><p>　　恒定電壓法選定電壓等級為40kV～60kV，將試樣置于恒定電壓下直至擊穿。電氣老化主要是由于電介質(zhì)內(nèi)部微觀游離放電對變壓器油的作用和影響造成的，而電老化本身是一種空間分布的、隨時間發(fā)展和積累的損傷過程。在足夠高的電場作用下，電流甚至在電場不再增加的情況下開始從穩(wěn)

11、態(tài)過渡到非穩(wěn)態(tài)，在絕緣中產(chǎn)生破壞性的導電路徑，繼而導致絕緣介質(zhì)的擊穿。高電場下絕緣介質(zhì)中電流局部加熱導致絕緣材料的性質(zhì)改變，而材料性質(zhì)的改變反過來使電流增加，這會直接導致電壓耐受系數(shù)a減小，絕緣性能下降，最終導致油的擊穿。試驗表明電壓耐受系數(shù)a在很大程度上決定了液體電介質(zhì)的壽命，在電應力作用下，根據(jù)上述加速壽命試驗的原理，利用逆冪律分布函數(shù)對試驗數(shù)據(jù)進行擬合，得到恒定電壓法變壓器油絕緣壽命，當變壓器油內(nèi)部出現(xiàn)局部放電，油中氣體雜質(zhì)、水分

12、等氣化成微泡，在高電場強度下導致微觀電擊穿，從而引發(fā)游離損耗的產(chǎn)生，使介質(zhì)溫度上升，導致介質(zhì)損耗因數(shù)增大。老化變壓器油介質(zhì)損耗因數(shù)與電壓U的關系是隨著變壓器油的電老化，其介質(zhì)損耗因數(shù)逐漸增大，而從分子結構上看，礦物油為中性或弱極性液體，其組成成分以烷烴、環(huán)烷烴為主，分子中的C-C鍵的電離能約為4e</p><p>　　3.2 變壓器油的熱氧老化 </p><p>　　變壓器油的熱老化機理可

13、用鏈鎖反應來解釋。紅外光譜分析變壓器油在115℃老化箱內(nèi)老化35d，分別在0d、14d、21d、28d、35d進行紅外檢測，由紅外光譜圖可以得出如下結論：（1）在3743cm-1～3650cm-1之間，油樣有兩個吸收峰a峰和b峰，是由游離的-OH和締合的-OH伸縮振動引起的，在老化后期該峰有明顯加強的現(xiàn)象。（2）在2660cm-1～2730cm-1之間，隨著老化過程的加深，這個譜帶逐漸形成了兩個吸收峰（f峰和g峰），這是醛類的C-H伸縮

14、振動出現(xiàn)的特征吸收峰。（3）在2370cm-1～2360cm-1范圍內(nèi)形成的吸收峰h是由-C≡C-伸縮振動引起的。C=O作用所產(chǎn)生的吸收峰j在大約1726cm-1處形成，j峰處的波數(shù)一般低于1746cm-1，這正好與醛類C=O伸縮振動引起的吸收帶1740cm-1～1720cm-1相一致，是醛類基團作用的結果。老化初期j波峰保持不變，14d后有加強的趨勢。 </p><p>　　3.3 介質(zhì)損耗因數(shù)與酸值相關性的研

15、究 </p><p>　　對老化箱中氧化的試油每隔72h取樣一次，按照上述步驟分別測定其酸值和介質(zhì)損耗因數(shù)，從相關數(shù)據(jù)可以看出變壓器油的酸值和介質(zhì)損耗因數(shù)成對數(shù)關系。將數(shù)據(jù)進行線形回歸，變壓器油的酸值的對數(shù)應當在直線附近上下波動，并且這種波動應服從正態(tài)分布，變壓器油的介質(zhì)損耗因數(shù)隨著酸值的升高不斷增大，依照對數(shù)關系。劣化初期介損升高是微小的，但這種微小的變化是一種惡性循環(huán)的開始。由于介質(zhì)中不均勻性的存在，將引起偶

16、極損耗的增加，絕緣介質(zhì)在老化以后，當酸值超過一定時，油的成分有某種改變，在交變電場中周期性的極化的存在，吸收了電場中的能量而轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿男问?，從而引起介質(zhì)損耗在散熱程度及熱效應形式上的某種改變，導致變壓器油中焦耳熱效應的加劇，使油的劣化加速，引發(fā)有功功率的增長變化，其介電性能會顯著下降，介質(zhì)損耗因數(shù)迅速升高。其結果是使變壓器油顏色逐漸加深，氣味產(chǎn)生了變化，介質(zhì)損耗因數(shù)迅速上升，當酸值超過0.1mgKOH/g、介質(zhì)損耗因數(shù)大于0.04時，

17、油質(zhì)已經(jīng)急劇變壞。 </p><p><b>　　結論 </b></p><p>　　試驗表明：采用紅外光譜法主要是根據(jù)反應過程中醛類化合物和酸類化合物生成及烴基含量的增加來分析判斷變壓器油的氧化程度。變壓器油的介質(zhì)損耗因數(shù)與其酸值成對數(shù)關系，當酸值超過0.1mg/g時，介質(zhì)損耗因數(shù)升高到0.04以上。電壓耐受系數(shù)a在很大程度上決定了液體電介質(zhì)的壽命，采用逆冪律分布函

18、數(shù)可以有效地對變壓器油的平均壽命進行評估。局部放電對變壓器油的電老化壽命有直接影響，隨著變壓器油的電老化，其介質(zhì)損耗因數(shù)逐漸增大。 </p><p><b>　　參考文獻： </b></p><p>　　[1] 蔣雄偉，賈志東，謝恒. 絕緣材料老化壽命模型的研究進展[J]. 高電壓技術，2000，03：44-46. </p><p>　　[2]