王瑞珍，曾喜聞，何 清，胡 然

（1.國網湖北省電力公司電力科學研究院，湖北 武漢 430077; 2.國家電網公司運行分公司，北京 100052）

基于LCC的變壓器中水分和含氣量限值探討

王瑞珍1，曾喜聞2，何 清1，胡 然1

（1.國網湖北省電力公司電力科學研究院，湖北 武漢 430077; 2.國家電網公司運行分公司，北京 100052）

分析了溫度、水分、氧氣對絕緣紙老化速率的影響，通過加速老化試驗和對比分析，指出氧氣對絕緣紙老化速率的影響與水分幾乎相當，應引起重視。討論了相關標準對變壓器紙中水分、油中含氣量（氧氣）的規(guī)定，從全壽命周期成本（LCC）管理的角度，建議對變壓器紙中水分含量和油中氧含量限制應采用同一要求，而不應分電壓等級。

全壽命周期成本（LCC）；變壓器使用壽命；影響因素；水分限值；含氣量限值

1 全壽命周期成本（LCC）管理的定義

全壽命周期成本（LCC）管理，是從設備/項目的長期經濟效益出發(fā)，統(tǒng)籌考慮設備/項目在全壽命周期內的規(guī)劃、設計、制造，購置、安裝、運行維護、報廢各階段的成本，使全壽命周期成本最小的一種管理理念和方法，其目的是提升企業(yè)的經濟效益。

全壽命周期成本（LCC）管理1904年起源于瑞典鐵路系統(tǒng)，1965年在美國國防系統(tǒng)全面推廣，并頒布了《全壽命周期成本估算采購指南》，以控制國防開支。1992年IEC頒布了《可信性管理-第三章：實施指南 壽命成本分析》（IEC300-3-3），推動了LCC在世界各國的應用。

LCC在電力系統(tǒng)的應用始于上世紀八十年代，主要應用于工程建設、設備采購等方面。2004年國際大電網會議（CIGRE）提出應用全壽命周期成本來管理設備，并鼓勵設備供應商提供產品的LCC報告。

在電網公司系統(tǒng)內，上海電力公司2007年率先在設備采購中應用了LCC管理方法[1]，2010年在國家電網公司“兩會”上提出了“強化資產全壽命周期管理，提高設備使用年限，降低運行維護成本”的要求，全面啟動了LCC應用。

2 變壓器全壽命周期成本的構成

變壓器全壽命周期成本由設備的制造成本和運維成本構成。制造成本包括設計、制造、試驗、營銷等費用，運維成本包括安裝調試、運行維護、檢修以及能量損耗等費用。將全壽命周期成本除以變壓器的使用壽命（一般為30 a）即得到變壓器每年的成本，稱為EUAC（the Equivalent uniform annual cost）,EUAC越小，變壓器的經濟效益越高[2]。變壓器容量越大制造成本越高，在全壽命周期的成本的占比越高。因此，提高變壓器的使用壽命是開展全壽命周期管理，提升設備運營水平、降低運營成本的重要措施和手段。

3 變壓器使用壽命的影響因素

變壓器的壽命按不同的分類方法可分為設計壽命與使用壽命，技術壽命與經濟壽命等。技術壽命由于變壓器技術指標不能滿足新的技術要求而導致壽命終止，經濟壽命則是指變壓器由于繼續(xù)使用的費用高于所產生的效益而導致壽命終止。設計壽命是指按照一定規(guī)范進行設計和制造的變壓器在額定運行條件下理論上能夠使用的時間，使用壽命則是指變壓器從投入使用到終止使用期間的時間。

變壓器終止使用的原因很多，如變壓器故障、老化，或技術更新要求、經濟效益要求，等等，顯然，使用壽命可能比設計壽命短，也可能比設計壽命長。若不考慮故障導致的變壓器壽命終止，變壓器的使用壽命實際上取決于絕緣材料的使用壽命。由于絕緣油可以再生或更換，變壓器的使用壽命也就取決于絕緣紙的壽命。而絕緣紙的壽命則取決于絕緣紙老化的速度，紙老化速度越慢，壽命則越長，反之亦然。因此，對變壓器類以油紙為主要絕緣材料的電氣設備，降低絕緣紙老化速度是提高其使用壽命的關鍵。

3.1 絕緣紙老化機理及影響因素

變壓器用絕緣紙屬于纖維素絕緣材料，它主要是由90%的α-纖維素和10%的半纖維素組成。α-纖維素是由多個葡萄糖單體組成的長鏈狀高聚合碳氫化合物（C6H10O5）n，長鏈中葡萄糖單體的個數(shù)n即為聚合度，如圖1所示。

圖1 纖維素分子結構Fig.1 Cellulose molecular structure

纖維素絕緣材料的劣化過程就是葡萄長鏈的斷裂過程，其劣化主要有水解降解、氧化降解和熱解降解三種形式。其機理如下：

水解降解，水分子透過纖維素長鏈的分子之間，與相鄰的兩個葡萄糖環(huán)的氧反應，形成兩個OH基，各附于一個環(huán)，使聚合鏈斷裂成兩部分。

熱解降解，是由于葡萄糖分子中的C-O鍵的鍵能低，也就是熱穩(wěn)定性差，在正常運行溫度下就可能被打開。在150℃以上時，纖維素分子結構中的化學結合水開始被脫除，發(fā)生去氫反應，當油中氧含量較多時，部分氫與氧結合成水，導致進一步的水解。

氧化降解，則由于纖維素的葡萄糖環(huán)的第六位碳原子存在化學性質非常活潑的醇羥基（CH2OH），氧侵入第六位碳原子形成醛基，醛基再氧化生成羧基，由于同分異構化，在葡萄糖苷碳上形成雙鍵，這樣葡萄糖苷碳鍵就變得很不牢固，容易發(fā)生水解，使纖維素鏈斷裂。

因此，對以纖維素為主要成分的絕緣紙，影響其老化速度的主要因素為：水分、氧氣和溫度。絕緣油中的酸性物質對纖維素的水解反應有催化作用。

葡萄糖大分子鏈斷裂表現(xiàn)為聚合度的下降和機械強度的降低，伴隨著葡萄糖大分子鏈的斷裂生成水、CO、CO2、糠醛系列化合物等。

3.2 溫度對絕緣紙老化的影響

溫度對變壓器使用壽命的影響已經引起廣泛重視，而且溫度對絕緣紙老化速率的影響有公認的數(shù)學模型和計算公式，即以98℃時的熱老化率為基準，溫度每升高6℃熱老化的速率增加一倍。

式中：V為相對熱老化率；θk為絕緣紙的熱點溫度。

變壓器的設計壽命是按紙熱點溫度98℃來考慮的，如果運行中紙熱點溫度高于98℃壽命損失將加快，低于98℃壽命損失將減緩。因此，變壓器一般盡可能在較低的溫度下運行，以延長其使用壽命。

3.3 水分對絕緣紙老化的影響

關于水分對絕緣紙老化速率影響的研究也有相關文獻[3-8]，但尚未形成公認的計算公式。文獻[3]給出了以0.3%含水量紙老化速率為基準的不同含水量紙的老化速率倍數(shù)，如圖2所示。根據圖2，采用曲線擬合法可得到以下近似關系式，即

也即

式中：k為老化速率倍數(shù)；w為紙中水分含量；V為相對老化率。

圖2 紙含水量對老化速率的影響Fig.2 Influence of the moisture on the aging rate of paper

從式（2）可以看出，相對老化率與水分含量比值的1.5次方成正比。也就是說含水量2%紙的老化速度是含水量1%紙的近3倍，變壓器的壽命也將縮短2/3倍，壽命周期成本將增加3倍。

3.4 氧氣對絕緣紙老化的影響

關于氧氣對絕緣紙老化速率影響的研究相對較少，主要原因是基于以下的認知：在變壓器中，水分主要存在于絕緣紙中，而氧氣主要存在絕緣油中，因此，氧氣對絕緣紙的老化影響較輕[3]。但根據纖維素劣化機理，氧的存在會導致纖維素氧化降解，而且絕緣油老化生成的水、酸等會加速紙的老化，因此，氧氣對絕緣紙老化的影響不容忽視。

為了研究氧氣對紙老化速率的影響，對干燥紙浸含氧油和潮濕紙浸脫氧油進行了加速老化試驗和對比分析。樣品條件見表1，老化溫度120℃，在老化的不同階段取樣進行聚合度測試。測試結果如圖3所示，干紙+氧與濕紙的聚合度變化基本相同，也即氧氣對紙老化的影響幾乎與水分相同。

表1 加速老化試驗用樣品條件Tab.1 Condition of the paper and oil for accelerated aging

圖3 紙聚合度隨老化時間的變化Fig.3 DPv changing of the paper vs aging time

4 水分和含氣量限值探討

對于紙中水分，DL/T596《電力設備預防性試驗規(guī)程》規(guī)定：500 kV及以上不大于1%，330 kV不大于2%，220 kV不大于3%。該要求是基于紙中水分對絕緣強度的影響考慮，從全壽命周期成本管理的角度，水分的控制指標分電壓等級顯然是不合理的。而且，變壓器的設計壽命都是按紙中含水量0.5%來考慮的，水分越高使用壽命越短，全壽命周期成本就越高，因此，對于紙中水分應統(tǒng)一限值要求，均應控制在1%。

對于油中含氣量，GB/T7595-2008《運行中變壓器油質量標準》僅對330 kV及以上設備油中含氣量提出了控制指標的要求：變壓器一般不大于3%，電抗器一般不大于5%。該要求是基于檢查設備密封狀況考慮，另外考慮到低電壓等級設備由于油箱機械強度的限制不能采用真空注油。從全壽命周期成本管理的角度，應對可采用真空注油的220 kV及以上變壓器均增加含氣量限值的要求，而且電抗器應與變壓器相同，均應控制在3%。

5 結語

水分和氧氣是除溫度外影響變壓器絕緣紙老化速度的主要因素，也是影響變壓器類設備使用壽命的主要因素，必須嚴格控制，以最大可能地延長設備使用壽命，降低設備全壽命周期成本，提高電網企業(yè)經濟效益。對大型變壓器、電抗器紙中水分和油中含氣量的控制指標應采用統(tǒng)一值，不應區(qū)分電壓等級和設備類型。

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Tentative Discussion on LCC Based Criteria of Moisture and Atmosphere Gas Content in Transformer

WANG Ruizhen1,ZENG Xiwen2,HE Qing1,HU Ran1
(1.State Grid Hubei Electric Power Research Institute,Wuhan Hubei 430077,China; 2.Grid Operation Branch of State Grid Corporation of China,Beijing 100052,China)

The impact of temperature,moisture and oxygen on the aging rate of insulating paper is analyzed.Based on the comparison analysis of the results of acceleration aging of paper with dif?ferent moisture and oxygen,it is pointed out that oxygen is almost same harmful as moisture to the aging of paper.The criteria of moisture and atmosphere gas content(oxygen)in transformer re?quired in related standards is discussed and the suggestion is proposed based on LCC that it not be classified by rate voltage of the transformer.

life cycle cost(LCC);operation life-span;influence factor;moisture criteria;atmo?sphere gas content criteria

TM41

B

1006-3986(2016)04-0025-04

10.19308/j.hep.2016.04.006

2016-03-05

王瑞珍(1966)，女，河南鎮(zhèn)平人，教授級高級工程師。