馬元++葉奕坤++周振宇++梁藝超

摘 要：隨著電力市場(chǎng)的不斷擴(kuò)大，變壓器作為電力輸送供給的重要設(shè)備，其應(yīng)用范圍也越來(lái)越廣泛。由于變壓器的長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行及其經(jīng)常出現(xiàn)由于電力供應(yīng)壓力過(guò)大而出現(xiàn)超負(fù)荷運(yùn)行。因此，文章主要論述了變壓器測(cè)試中的聚合度檢測(cè)法（DP）、高性能液相色譜分析法（HPLC）和極化/去極化電流法（PDC）的應(yīng)用、各自優(yōu)點(diǎn)及缺陷補(bǔ)償方法，提出了綜合應(yīng)用這3種方法進(jìn)行老化壽命評(píng)估策略，力求以科學(xué)合理的評(píng)估策略來(lái)對(duì)變壓器的使用進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：壽命評(píng)估 聚合度 糠醛含量 極化去極化電流

中圖分類號(hào)：TM411 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2016）12（c）-0054-03

目前使用的變壓器絕緣壽命評(píng)估方法可分為兩大類：一類是根據(jù)變壓器固體絕緣老化不可逆的特性，直接分析固體絕緣本身或其老化生成物，如，溶解氣體分析法（DGA）、聚合度（DP）測(cè)定法、油中糠醛含量的高性能液相色譜分析法（HPLC）等；另一類是根據(jù)變壓器老化過(guò)程中某些參數(shù)的變化，間接測(cè)算變壓器剩余壽命，有回復(fù)電壓法（RVM）、極化去極化電流檢測(cè)法（PDC）、工頻下介質(zhì)損耗系數(shù)測(cè)定法（tgδ）等。

對(duì)變壓器絕緣老化的評(píng)估是一項(xiàng)綜合性的工作，需綜合多角度分析評(píng)判。正確綜合應(yīng)用先進(jìn)技術(shù)，才可對(duì)變壓器的絕緣老化狀況進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)估。綜合DP、HPLC、PDC這3種方法進(jìn)行壽命評(píng)估，將具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 絕緣紙聚合度檢測(cè)試驗(yàn)研究與變壓器壽命分析

變壓器固體絕緣的主要成分纖維素（C6H10O6）n受熱、氧老化產(chǎn)生斷鏈，其直接反應(yīng)就是DP值下降的過(guò)程。文獻(xiàn)[1]基于這一概念提出了特征壽命評(píng)估公式。

（1）

式中，η為特征壽命值；F為DP 的下限值；DP0 是絕緣紙初始DP 值；C0 為紙中微水含量初始值；T 為溫度；A、B為常數(shù)。

DP 的測(cè)定，使用黏度測(cè)定法：銅乙二胺螯合物具有氧化特性，用其打斷高分子鏈（R）u 中的鏈接，生成的小分子基團(tuán)溶于銅-乙二胺溶液，增加其粘度。通過(guò)測(cè)量溶液粘度，便可計(jì)算出紙樣的DP值。

先使用攪拌粉碎器將待測(cè)物粉碎成為紙漿，干燥24 h后將其裝入玻璃瓶中。筆者在干燥過(guò)程中，將干燥箱抽真空，保持其真空度在0.085 MPa左右，通入高純度氮?dú)猓朔椒纱_保纖維素不會(huì)繼續(xù)氧化斷鏈。最后將紙屑放入溶解瓶中與銅乙二胺溶液中溶解，使用恒溫水浴保持在（25±1）℃，測(cè)量溶液的相對(duì)粘度。

（2）

式中，hn為粘度計(jì)常數(shù)，s-1；tn為試樣的流出時(shí)間，s。

對(duì)陜西省電網(wǎng)部分運(yùn)行中的110 kV和330 kV變電站主變的絕緣層進(jìn)行了采樣分析，綜合上述數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸分析，可得方程：

（3）

式中： Dp為絕緣材料聚合度；T 為變壓器運(yùn)行年限。

并可繪制出變壓器運(yùn)行年限與材料聚合度區(qū)域分布圖如圖1所示。

圖1中，直線間區(qū)為絕緣正常老化區(qū)；其下限為非正常老化區(qū)，說(shuō)明變壓器的絕緣狀況已惡化，材料的聚合度值越低，其老化速度越快，程度越深；其上限為緩和老化區(qū)域，表明聚合度隨變壓器的運(yùn)行時(shí)間變長(zhǎng)，老化速率下降，這是由于此變壓器從投運(yùn)以來(lái)，運(yùn)行于低負(fù)荷態(tài)或間斷態(tài)。

通過(guò)上述分析表明，絕緣聚合度和變壓器老化之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系最直接，此方法做壽命評(píng)估最準(zhǔn)確；且可發(fā)揮采樣的優(yōu)勢(shì)，找尋變壓器老化薄弱點(diǎn)，推算出變壓器最短的剩余壽命。不過(guò)由于進(jìn)行絕緣層取樣的時(shí)候，要盡量避免破壞包層，只可在外層紙取樣；但是內(nèi)外層受熱和氧化程度不同，其聚合度并不完全相同；且此方法只能得出部分點(diǎn)的數(shù)據(jù)，對(duì)變壓器的整體老化程度并不能完全準(zhǔn)確反映，故單靠聚合度法不能夠全面判讀絕緣壽命。

2 基于油中糠醛含量的壽命評(píng)估建模及試驗(yàn)研究

糠醛是纖維素分解斷鏈生成的伴隨產(chǎn)物，若假設(shè)糠醛生成和纖維素?cái)噫溸^(guò)程都是均勻的，便可得出每次纖維素?cái)噫溄詴?huì)產(chǎn)生n份糠醛。當(dāng)有Nt條纖維素發(fā)生斷鏈，可生成n（Nt-1）份糠醛。

如果假設(shè)：（1）在絕緣老化的過(guò)程中，纖維鏈總長(zhǎng)度之和維持不變，導(dǎo)致鏈條數(shù)不斷增長(zhǎng)。（2）長(zhǎng)鏈分子的斷鍵和短鏈分子的斷鍵在同一溫度其難易程度相同。

設(shè)t 時(shí)刻總鏈條數(shù)為Nt，在短時(shí)Δt內(nèi)由于分解產(chǎn)生的糠醛量為Wk（Δt）=K1（Nt-1）Δt，于是有：

（4）

（5）

根據(jù)導(dǎo)數(shù)定義：

（6）

代入式（5）得到微分方程（7），解微分方程：

（7）

（8）

式中Wk（0）是常數(shù)。將t =0代入得出油中初始糠醛含量值Wk（0）。

由于假設(shè)（2），式（8）中K1是常數(shù)，設(shè)K1=α（α為常數(shù)），則從式（8）可得出：

（9）

所得的Wk（t）值除以溶液總量，便可得油中糠醛濃度。

由于纖維素分解速度與其初始水含量成正比，和油中糠醛濃度增速也成正比。式（9）中的α是由溫度T與微水含量的初值C0構(gòu)成的函數(shù)，根據(jù)阿累尼烏斯公式，得：

（10）

式中，Ea為反應(yīng)活化能；A為一個(gè)待定因子；R為摩爾氣體常數(shù)。Ea和R由試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)取一個(gè)常數(shù)值。從而得到油中糠醛含量隨時(shí)間變化的關(guān)系式：

.C0t （11）

同樣對(duì)使用高性能液相色譜分析法所得大量數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸分析，可得方程：

（12）

式中，Ck為油中的糠醛濃度（mg/L）；T 為變壓器的運(yùn)行時(shí)間。

以及得到變壓器運(yùn)行年限與糠醛濃度區(qū)域分布圖如圖2所示。

糠醛是伴隨變壓器絕緣老化直接生成，是纖維素分解產(chǎn)生的。相對(duì)于其他產(chǎn)物，其來(lái)源最單一，最直接與老化對(duì)應(yīng)，受其他生成物的影響小，最容易直接反映絕緣老化的程度；且因糠醛均勻分布于變壓器油中，試驗(yàn)結(jié)果的分散性小，最適合整體判斷變壓器絕緣壽命。但油中糠醛濃度主要反映整臺(tái)變壓器絕緣總體老化的平均值，無(wú)法表征變壓器關(guān)鍵部位的老化，所以，與聚合度評(píng)估法綜合是上上之選。

3 極化去極化電流分析模型及老化研究

假設(shè)在各向同性的電介質(zhì)中加入均勻電場(chǎng)E（t），其電流密度可表示為：

（13）

電流密度 j （t）由傳導(dǎo)電流和位移電流組成。δ0為直流電導(dǎo)率；D （t）為電位移矢量，和加入的均勻電場(chǎng)E （t）成正比，它還包含電介質(zhì)的極化強(qiáng)度P （t）。而P （t）則可分為瞬時(shí)位移極化（由電子位移與離子位移極化構(gòu)成）與松弛極化兩部分，而瞬時(shí)位移極化是立即衰變的：

（14）

式中Pr （t）表示松弛極化作用，P∞（t）表示瞬時(shí)位移極化作用。ε0=8.854×10-12As/Vm，為真空介電常數(shù)。

瞬時(shí)位移極化可以表征為：

（15）

其中ε∞為電介質(zhì)光頻的相對(duì)介電常數(shù)。

因此，電位移矢量可近似表示為：

（16）

代入式（13）得到電流密度近似為：

（17）

對(duì)于各向同性的電介質(zhì)，對(duì)其施加外電壓U （t）產(chǎn)生電場(chǎng)強(qiáng)度E（t）。代入，且將C0表示為C0=（ε0·s）/d可以得到：

（18）

式中，εr為介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)，U（t）為階躍電壓：

（19）

計(jì)算式（18），就得到極化電流的表征：

（20）

去極化電流的表征就是：

（21）

式中，tc是極化所需時(shí)間。

當(dāng)極化時(shí)間充足時(shí)，電介質(zhì)響應(yīng)函數(shù)f （t）可得出f （t+tc）=0。聯(lián)立式（20）和式（21），得到復(fù)合電介質(zhì)直流電導(dǎo)率σ的表征：

（22）

變壓器的絕緣主要包含油絕緣和紙絕緣兩部分，故復(fù)合電介質(zhì)的電導(dǎo)率由油的電導(dǎo)率和紙的電導(dǎo)率組合而成：

（23）

同理可得，復(fù)合電介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)表征：

（24）

式中，δoil和εoil是油的電導(dǎo)率和相對(duì)介電常數(shù)，δpaper和εpaper是紙的電導(dǎo)率和相對(duì)介電常數(shù)。根據(jù)實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，變壓器的X值一般介于20%～50%。通過(guò)電導(dǎo)率σ的值就可以表征變壓器老化程度，老化越嚴(yán)重σ值越大[3]。

同樣使用線性回歸分析的方法，根據(jù)PDC試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到變壓器運(yùn)行年限和其絕緣直流電導(dǎo)率之間的關(guān)系，在此不再贅述。

PDC法是一種快速的壽命評(píng)估法，具備無(wú)損耗、無(wú)需對(duì)其絕緣采樣、只需直接通過(guò)變壓器套管試驗(yàn)等優(yōu)點(diǎn)，與DP和HPLC相結(jié)合，可以為這兩種方法做初步評(píng)估，并且實(shí)現(xiàn)了多角度進(jìn)行綜合評(píng)估。但值得注意的是，絕緣中水含量對(duì)PDC的影響很大，日常運(yùn)行中含水量超標(biāo)的變壓器需干燥處理后才可進(jìn)行PDC測(cè)試。

4 結(jié)語(yǔ)

PDC分析的優(yōu)點(diǎn)是快速無(wú)損，且可判斷變壓器油及固體絕緣中的微水含量是否超標(biāo)；使用DP法可以利于采樣的優(yōu)點(diǎn)，重點(diǎn)判斷變壓器絕緣的薄弱處；HPLC主要分析變壓器絕緣整體的老化程度。綜合利用這3種方法，發(fā)揮各自所長(zhǎng)，其結(jié)果的科學(xué)準(zhǔn)確性就能夠保證。

再次使用線性回歸分析變壓器油中糠醛濃度和絕緣紙聚合度之間的直接對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖3所示。

圖3中，線間區(qū)為兩種檢測(cè)方法關(guān)系的線性區(qū)；上方的區(qū)域?yàn)檫^(guò)線性區(qū)，表明實(shí)測(cè)的DP值比HPLC分析所對(duì)應(yīng)得關(guān)系值偏大，主要是因?yàn)镈P分析的取樣點(diǎn)老化度較輕，這時(shí)應(yīng)以油中糠醛濃度測(cè)量值為主要判斷依據(jù)；下方的區(qū)域?yàn)榍肪€性區(qū)，表明實(shí)測(cè)DP值比油中糠醛濃度的對(duì)應(yīng)關(guān)系值小，原因是由于DP取樣點(diǎn)處于變壓器絕緣的中某個(gè)已經(jīng)嚴(yán)重劣化部位，或因吸附等原因所造成油樣中的糠醛濃度下降，此時(shí)應(yīng)以DP值為主要判斷依據(jù)。

綜上所述，首先利用PDC法，并結(jié)合絕緣中的水含量和變壓器的故障診斷技術(shù)，明確該變壓器所處的老化區(qū)間。然后對(duì)其進(jìn)行DP和HPLC分析，并結(jié)合兩者間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，選擇準(zhǔn)確的評(píng)估公式便可正確判斷變壓器絕緣老化程度。

參考文獻(xiàn)

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[3] Saha T K.Purkait P.Investigation of polarization and depolarization current measurements for the assessment of oil-paper insulation of aged transformers[J].IEEE Trans. Dielect.&Elect.Insul，2004，11（1）：144-153.