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水分对油纸绝缘热老化及寿命的影响与热老化程度表征研究

孙会刚  
【摘要】:由普通绝缘纸与矿物油组成的油纸绝缘系统是变压器内绝缘的主要组成形式,其在温度、水分、氧气等应力作用下的老化是大型电力变压器出现故障的主要原因。在这些老化应力中,温度对油纸绝缘的老化速率有主导作用,然而,水分对变压器绝缘状态及寿命的影响同样不可忽视。伴随着变压器中水分的增加,油纸绝缘系统的电气性能迅速降低,同时其老化速率增加从而导致寿命减短。因此,水分被认为是除温度以外电力变压器的“头号敌人”。目前,国内外开展了大量的变压器油纸绝缘热老化研究,但水分对油纸绝缘热老化过程及相关特征参量的影响规律尚有待深入研究,缺乏系统的试验数据,同时计及水分影响的油纸绝缘热老化寿命模型也鲜有文献报道。因此,研究油纸绝缘热老化过程中的水分变化趋势,及水分对油纸绝缘热老化速率、热老化特征参量的影响机制,建立考虑水分加速老化作用的寿命模型,开展基于频域介电参量的油纸绝缘水分含量与老化状态的表征研究,对变压器老化状态评估、故障诊断和寿命预测有重要意义。 本文以三种不同初始含水量(1%、3%、5%)的绝缘纸与矿物油组成的固液两相复合绝缘系统为研究对象,在三种温度(90℃、110℃、130℃)下开展了加速热老化试验。首先,系统地研究了热老化过程中绝缘油与绝缘纸中含水量的变化趋势,探讨了水分对绝缘纸降解速率、油中糠醛含量以及油中酸值的影响规律;其次,采用分子动力学模拟技术,研究了水分与纤维素、矿物油之间的相互作用,分析了水分在油纸之间的平衡分布以及水分对绝缘纸降解的加速作用;此外,运用聚合度损失累积动力学模型分析了温度和水分协同作用下的绝缘纸聚合度变化规律,基于时温叠加理论及聚合度损失累积模型,建立了温度和水分协同作用下的油纸绝缘寿命预测模型;最后,探索了水分及老化对油纸绝缘频域介电特性的影响规律,并采用频域介电特征参量对变压器油纸绝缘水分及老化状态进行了表征分析。论文取得的主要创新性研究成果有: ①研究得到了不同初始水分含量对矿物油-纤维素绝缘纸热老化特征参量的影响规律。温度较低(90℃)时,水分的增加对绝缘纸老化的加速效果明显,温度较高(110℃、130℃)时,水分含量的增加对绝缘纸老化的加速作用将趋于饱和; ②采用分子动力学模拟技术分析了水分与油纸绝缘之间的相互作用。结果表明:水分与纤维素之间的相互作用能远大于与矿物油的相互作用能,并且水分与纤维素之间能够形成稳定的氢键,导致大部分水分被束缚于纤维素中;随着温度的增加,水分与纤维素之间的相互作用能不断减小,纤维素对水分的束缚作用逐渐降低,因此,水分对纤维素降解的加速作用逐渐减弱,模拟结果解释了“较高温度(110℃、130℃)时,随水分含量的增加,绝缘纸的老化加速效果趋于饱和”的试验现象; ③采用时温平移因子计算得到了油浸绝缘纸在水分与温度联合应力下的表观活化能为(1 01±15 ) kJ/mol,并基于时温叠加理论与聚合度损失累积模型,改进了油纸绝缘寿命预测的方程,使该方程能够预测温度和水分两因子作用下油纸绝缘的老化寿命; ④提出了表征油纸绝缘水分含量及老化状态的频域介电谱特征参量(相对介电常数ε_r和介质损耗角正切tanδ)。在10~(-3)~10~(-1)Hz范围内,不同频率下的绝缘纸相对介电常数ε_r和介质损耗角正切tanδ分别与水分含量呈线性和指数关系规律:ε_r=a×m+b和tanδ=a×exp(m/c)+b;在10~(-3)~10~0Hz范围内,相对介电常数εr与聚合度差值(DP_O-DP_t)较好地符合二次函数关系:ε_r=a×e~(-b)×(DP_O–DP_t)~2+c×(DP_O-DP_t)+d。


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