- 頭條換油周期對變壓器油紙絕緣老化性能的影響規律2021-04-20 作者：張明澤 劉驥 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語哈爾濱理工大學工程電介質及其應用教育部重點實驗室、哈爾濱理工大學電介質工程國家重點實驗室培育基地、黑龍江電力科學研究院的研究人員張明澤、劉驥、呂佳璐、陳慶國、賈海峰、陳昕，在2019年第22期《電工技術學報》上撰文指出，油紙絕緣老化評估的準確性決定了變壓器的使用壽命，為研究不同換油周期對變壓器油紙絕緣老化狀態影響的變化規律，該文制備了三組變壓器XY等效模型，并進行不同換油周期的加速老化試驗，在不同老化天數時進行頻域介電響應測試以及變壓器油中的水分、酸值、絕緣紙板聚合度的測試。 根據對比實驗結果發現：換油周期越長，曲線拐點越明顯，隨著溫度升高，曲線拐點向高頻移動；換油周期越長，換油前后介質損耗因數曲線在低頻段下降越明顯，隨著測試溫度的升高，換油前后在高頻段重合程度越大；換油前后介質損耗因數曲線不同，頻段平移方法計算絕緣紙板活化能大小基本相同，同時建立換油周期內后酸值增量與絕緣紙板聚合度的定量計算關系。 該文通過對比實驗，分析不同換油周期對變壓器內部絕緣老化影響的變化規律，提出換油前后變壓器等效模型油紙絕緣中絕緣紙板活化能的計算方法，為后續研究換油周期、老化溫度與變壓器油紙絕緣壽命的定量表征建立了理論基礎。
變壓器是電網中電能輸送的核心設備，運行工況穩定顯得尤為重要，在其投運階段，由于受到電、熱、振動等多種老化因素的聯合作用，其內部油紙絕緣系統絕緣可靠性下降，老化速率加快，因此，運行一定年限的變壓器，當變壓器油絕緣程度下降較大時會采用換油處理，用純新變壓器油替換老化的變壓器油，不僅使得變壓器的絕緣程度得以提高，還增加了變壓器的剩余使用壽命，同時減少了更換變壓器所需的成本，因此換油對提高變壓器的絕緣狀態具有重要的意義。
變壓器油紙絕緣性能檢測主要是采用以下方法：①化學分析法，通過測試變壓器油中的水分、酸值、糠醛、絕緣紙板中的水分、聚合度等理化參量可有效評估變壓器內部油紙絕緣老化程度；②無損介電響應測試，通過時頻域介電響應測量，例如：極化去極化電流法（Polarization and Depolarization Current, PDC）、回復電壓法（Recovery Voltage Method, RVM）和頻域介電法[12-16]（Frequency Domain Spectroscopy , FDS），根據曲線變化趨勢可有效評估油紙絕緣狀態，該方法現在廣泛應用在油紙絕緣電力設備的狀態評估當中。
現階段，針對變壓器油紙絕緣狀態評估的研究主要分為以下幾個方面：
①以頻域介電譜為研究重點，通過頻域介電譜最小值點、不同頻域范圍積分面積、不同頻率點損耗因數數值迭代計算等方式建立油浸紙板中的含水量、老化程度的定量表征關系或數據指紋識別庫，實現對變壓器的老化狀態及使用壽命的準確評估；
②以纖維素斷裂的二階動力學模型或絕緣紙聚合度損失累積模型為基礎，通過時溫疊加理論建立了平移因子與絕緣紙板活化能、水分、溫度之間的定量關系，得到絕緣紙板與溫度、水分等有關的油紙絕緣壽命預測方法；
③以時域介電譜中的極化去極化電流為研究重點，通過不同溫度、不同老化程度的油浸紙板極化去極化電流的變化規律，定性反映兩種極化類型，再通過極化去極化電量或穩定電量，定量計算油浸紙板聚合度、含水量，也可應用Debye模型，進行模型參數提取，得到最大或最小極化支路對應的R、C值，定量表征油紙絕緣的老化程度；
④以時域介電譜中的恢復電壓為研究重點，通過回復電壓的峰值、極化譜的中心時間常數、回復電壓曲線的初始斜率、半峰值周期以及穩定回復電壓值等建立與油紙絕緣聚合度、含水量的關系方程，或通過回復電壓測試曲線進行解譜分析，將回復電壓譜線中的弛豫響應特征展開成回復電壓各子譜線的形式，從而判斷油紙絕緣設備的絕緣狀況，然而現階段開展的變壓器油紙絕緣狀態評估中沒有考慮變壓器在運行多年期間出現換油對油紙絕緣老化狀態評估或壽命預測所帶來的影響，目前僅重慶大學課題組針對油紙絕緣試樣在不同老化階段換油后油中糠醛含量及擴散規律進行了分析。
為了研究換油周期對變壓器內部油紙絕緣老化狀態的影響規律，本文以與變壓器等效的XY模型為基礎，在實驗條件下進行了三組不同換油周期下變壓器等效的XY模型的加速熱老化試驗，并進行了換油前后的變溫（30℃、50℃、70℃、90℃）頻域介電響應測量以及變壓器油中的水分、酸值、絕緣紙板聚合度的測試，低頻激勵作用下，老化后變壓器油電導率增加，累積電荷能力增加，變壓器油與紙板接觸面界面極化作用增強。
換油周期越長，變壓器油中累積電荷作用越大，受絕緣結構界面極化影響的介質損耗因數曲線拐點越明顯，隨著溫度升高，曲線拐點向高頻移動；換油周期越長，換油前后介質損耗因數曲線在低頻段下降越明顯，隨著測試溫度的升高，換油前后在高頻段重合程度越大，而且重合頻率點向低頻移動。
換油前后在不同頻段內，用模型介質損耗因數曲線平移方法計算得到絕緣紙板活化能大小基本相同。換油后，中頻與低頻范圍內，變壓器內部絕緣結構對模型頻域介質損耗因數曲線的影響要小。
本文研究了換油周期對變壓器內部絕緣老化影響的基礎變化規律，并提出換油前后老化模型內絕緣紙板活化能的計算方法，對本文后續研究換油周期、老化溫度與模型絕緣壽命的定量表征關系奠定了理論基礎。
圖2 試驗測試示意圖
圖3 頻域測試接線圖
圖4 油紙絕緣含水率測試裝置示意圖
結論
本文進行了不同換油周期下變壓器油紙絕緣等效模型的介電性能、理化性能試驗，建立并根據換油前后頻域介質損耗因數曲線，提出換油前后不同頻率范圍平移模型介質損耗因數曲線計算老化后絕緣紙板活化能的方法，得到主要結論如下：
1）低頻激勵作用下，老化后變壓器油電導率增加，累積電荷能力增加，變壓器油與紙板接觸界面極化作用增強，模型結構對界面極化作用明顯（曲線出現拐點）。換油周期越長，變壓器油中累積電荷作用越大，介質損耗因數曲線拐點越明顯，且隨著溫度升高，受絕緣結構界面極化影響的曲線拐點向高頻移動。
2）換油周期越長，換油前后介質損耗因數曲線在低頻段下降越明顯；隨著測試溫度的升高，換油前后曲線在高頻段重合程度越大，重合頻率點向低頻移動。
3）根據不同換油周期下，變壓器油紙絕緣模型內部油浸紙板聚合度、換油前后酸值、含水量增量的變化規律，得到不同換油周期，換油后油中小分子酸與絕緣紙板聚合度的定量表征方程。
4）換油前后不同頻段內模型介質損耗因數曲線平移方法計算絕緣紙板活化能大小基本相同。換油后，中頻與低頻范圍電源激勵作用下，變壓器內部絕緣結構對模型頻域介質損耗因數曲線的影響減小。
根據本文研究成果，對運行變壓器換油前后及換油周期對油紙絕緣老化影響變化規律進行了初步探索，在后續的研究工作中，將會本文提出的低頻頻溫平移方式運用到計算變壓器XY等效模型絕緣紙板的壽命預測方法中，結合二階動力學模型、纖維素累積損失模型，合理預測不同換油周期、老化溫度下變壓器XY等效模型的絕緣壽命。
