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信平变压器:压器绝缘及绝缘材料老化的影响因素内容全面

2018-05-03 09:17:27 德州信平电子有限公司 阅读

变压器在实际运行过程当中,由于受到诸如温度、水分、氧化、酸性等因素的影响,使得绝缘纸聚合度下降,绝缘系统老化程度显著降低,这也给变压器的机械和电气性能带来了影响,通过对绝缘系统内部绝缘材料组成的了解,对影响变压器绝缘纸老化的因素进行研究可以为日后变压器老化实验判定提供有益的参考。

一、变压器内部绝缘材料

电网中使用较多的油浸式变压器一般采用的是油纸绝缘结构,纸板具有良好的绝缘性能,相对介电系数约为3.72,变压器绝缘油所起的主要作用是绝缘和冷却的作用,绝缘油可以带走变压器运行过程当中产生的多余热量。由绝缘纸和绝缘油构成的绝缘系统具有非常优秀的电气性能,在短时间的电压作用下,其耐压程度可达到50-120kV/mm,并且制造工艺非常便捷。

(一)变压器绝缘油

最初的绝缘油是由石蜡构成的,不过在变压器老化发生之后,其形成了难以溶解的油泥,增加了绝缘油的粘度,并且吸热和传热性能也降低了许多,相对于石蜡来说,环烷烃油非常容易被氧化,但是其生成物易溶于绝缘油中,因此在电力系统当中运用的比较广。

原油的选择是绝缘油在制造过程当中非常重要的一环,原油精炼的程度、炼制过程、炼制工都会对最终产品中各成分的含量造成非常大的影响。成品绝缘油是环烷烃、烷烃和芳香烃按照一定比例的构成的混合物,具有良好的电气特性、吸气性、化学稳定性。

变压器绝缘油中的环烷烃具有较好的化学稳定性和介电稳定性,周围温度的变化对其粘度影响很小,分子为封闭的环状链、结构严密、不易破坏,并且凝固点低、使用温度范围广、介质损耗因数小、介电强度高,但抗氧化性能稍差。

(二)绝缘纸

绝缘纸的主要材料就是纤维素,这在之前章节已经讨论过,纤维素主要成分是由长链的糖和单糖组成,这种纤维素的含量并不纯,因为在木材和其他草本植物上很难找到百分百纯净的纤维素,一般来说,绝缘纸取材的源木料当中还包含约15%左右的木质素,纤维素的含量一般在55%左右,还有大约30%的为半纤维素。

在绝缘纸的制造过程当中,源木材首先要进行前化学处理,主要是除去其中广大木质素和半纤维素,常用的化学制剂为硫酸盐,经过化学处理之后,成品绝缘纸中纤维素含量达到80%-90%之间。

二、影响变压器油纸绝缘老化的因素

变压器绝缘纸老化主要就是由于绝缘纸中的纤维素发生降解作用,通过X-射线对纤维素的研究,发现纤维素分子内部有一部分区域分子排列很有规律性,分子间排布很整齐,称之为结晶区,还有部分区域是呈现的无规则排布,分子间距不一,称之为无结晶区。

通常来说,降解作用一般发生在无结晶区,因为结晶区分子键比较稳定,分子间的作用力很大,因此所受的影响也比较小;而非结晶区分子之间的作用力薄弱,在环境、化学等多方面因素的影响下,降解作用也就越发的明显。

(一) 温度

温度是影响变压器绝缘系统老化的主要因素,绝缘纸的热稳定性比较差,在变压器运行过程当中,温度超过一百度以后,纤维素便会自动分解,分解出水分还有少量的CO与CO2,随着运行的时间加长,绝缘纸的老化程度也就越来越严重,变压器的大部分机械性能和电气性能都失效了,而纤维素自身抗老化性和稳定性都比较低,这也是绝缘纸最大的缺陷所在。

变压器运行过程当中热量也会随之上升,热降解使得纤维素分子键发生断裂,C-O键的热稳定性相对于绝缘油中的C-H键要弱许多,即使处于正常的温度环境下,C-O键也很容易断裂。

变压器运行产生的热量会引起绝缘纸的温度上升,在上个世纪三十年代,国外专家曾经提出过十度法则,他们经过试验研究发现,变压器的运行温度每增加十度,则其使用寿命就会降低一半。变压器在运行时,铁芯及绕组中有能量损耗,这些能量损耗一方面影响变压器运行时的效率;另一方面,损耗转变为热能,引起变压器的发热。当变压器内部有热量产生时,变压器的温度将升高。当变压器的温度高于冷却介质的温度时,就开始向冷却介质散发出热量。散热的快慢取决于变压器温度与冷却介质的温度之差和变压器的散热能力。

在一定条件下,温度差愈大,散热愈快。因此,在一定的负载下,变压器的温度将逐渐升高,直到散出去的热量等于产生的热量时,温度就不再升高,并保持一定的对冷却介质的温升值。变压器的温升对它的运行有很重要的影响,最主要的是对绝缘材料的影响。过高的温度将使绝缘材料破坏而失去绝缘能力,或缩短它的有效使用寿命,另外,温度升高将增大绕组的电阻,因而使铜耗增加。因此,必须使变压器在额定负载时各部分的温度不超过绝缘材料所允许的数值。

要降低温升,可以从两方面着手:一方面在设计制造时努力设法提高变压器的效率,减少损耗;另一方面是提高变压器的散热能力,使它更有效地冷却。而散热能力与变压器的结构布置和所采用的冷却方式有关,因此,如何加强冷却,使热量能更好地散发出来,是一个有重要意义的问题。应该指出,对于温升和冷却的问题,必须全面来考虑。一方面,不能认为温升越低越好。这是因为一定的绝缘材料可以运行在一定的温升,温升过低说明有效材料没有被充分利用,或者说明采用了不必要的太强的冷却措施,而这些都是不经济的。

此外,如果采用能耐较高温度的绝缘材料,则可以使变压器运行在较高的温度,更多地节约有效材料,但绝缘材料的成本可能较高。另一方面,决定可以允许的总损耗的因素,有时不是温升的限制,而是对变压器效率的要求,后者是由动力经济的观点来决定的,这时温升已不是关键问题,因此,温升和冷却的问题必须从节约关键材料和全面的经济观点来统一加以考虑。

(二) 电场

在电场的作用下,变压器绝缘纸会发生老化,这是影响变压器绝缘系统老化的主要因素之一。一般来说,变压器油纸绝缘结构的老化程度取决于其局部放电的累积程度。

变压器在生产制造的过程当中采取了压力浸油的工艺,但是在变压器内部绝缘结构或者一些死角处仍旧会存在一些褶皱和气泡,在局部放电的作用下,这些气泡会发生崩溃,从而出现了游离在外的许多电子,这些电子在电场的作用下以一定的动能去冲击C-H,C=C等稳定的化合物分子键,从而破坏了有机物的结构。另外,电场会加速绝缘油降解,从而形成酸性特征物,这些特征物会沉积在绝缘纸的表层,加速了变压器绝缘系统老化的速度。

(三)水分

水分是决定着变压器绝缘系统老化的关键性因素,主要原因在于变压器绝缘油容易吸收空气的水分,而水分在绝缘油中的溶解度是与温度相关的。绝缘纸中的纤维素降解产生的羧基对溶液具有极强的亲和力,很容易发生水解反应,另外纸板的吸湿能力要比绝缘油大很多。

研究表明,油纸绝缘中初始所含的水分越多,对降解的促进作用也就越强。油纸绝缘老化的过程是伴随着水分的生成的,随着变压器绝缘系统老化程度的加剧,水分也越来越多,当水分量积累到一定程度以后,油纸绝缘的使用寿命也就到了终点了。由于水是一种极性很强的化合物,容易向高电场区聚集,因此在变压器最危险的高场强地带聚集了许多的水分,这很容易形成极性通路,导致了变压器的故障率大大提高。

(四)氧气

氧气对油纸绝缘老化的影响与水分是类似的,都起着关键性的作用,绝缘纸中的纤维素成分很容易氧化,实验研究表明:当绝缘纸中的水分成分达到0.3%时,氧气将纤维素的降解速度提高了约三倍,在变压器中,除了器身内部残留的氧和外部渗入的少量氧之外,变压器油的老化产物中也含有不容忽视的氧化剂,较高的温度可以加快纤维素的氧化反应。

(五)其他因素

除了上述的几种主要影响变压器油纸绝缘老化的因素之外,还存在如物理应力、光、微生物等因素对变压器绝缘系统老化仍旧起到不小的作用。

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