基于变压器固体绝缘老化机理的风冷变压器精确温度控制本科论文 -

华北电力大学工程硕士论文 绪论

1．绪论

电力变压器作为电网重要的主设备，根据设计和经济性的原

则，我们一般期望它的运行寿命应该达到35-40年。《电力变压器选用导则》GBT/17468-2008规定，在外部冷却空气为20 ℃ ，变 压 器以额定电流运行，以某种温度等级的绝缘材料发生热老化而损坏时，规定变压器的寿命一般为20年[2]。电力行业标准《油浸式变压器绝缘老化判断导则》（DL/T 984－2005）也特别提到正常运行的 变压器应该有30年的寿命，如果达不到预期寿命而退役，通常是设备隐患或其它原因所致。

油纸绝缘变压器的使用寿命基本上决定于其绝缘系统。其绝

缘系统由变压器油和绝缘纸构成。其中绝缘油即使使用了30 年时间,绝缘击穿性能的下降也只有10 %左右。而且在变压器的运行过程中，检修人员还可以通过净化或者换油的方式来改善油的绝缘性能。因此，运行中的油浸式电力变压器的使用寿命应该主要取决于固体绝缘，尤其是绝缘纸。国内外大量的统计数据显示，变压器事故大部分都与变压器绝缘特别是固体绝缘老化和破坏有关。美国 HSB 公司工程部总工程师 William Bartley 先生在过去的 10 年中变压器故障进行了统计，发现在造成故障的起因中，绝缘老化列在第二位。由于绝缘老化的因素，变压器的平均寿命仅有 17.8 年，大大低于预期为 35 ～ 40 年的寿命！

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中国电科院进行的《2004年度110kV及以上变压器事故统计

分析》中的数据显示， 2004年度变压器损坏事故以绝缘事故为主，占总损坏事故台次的81.1%。投运15年以内的变压器即发生损坏事故的台次竟然占统计损坏事故变压器总台次的78.8%，变压器的运行寿命令人担忧[3]。

在运行过程中，变压器的固体绝缘在电、热、空气、水分等因素的作用下，不断产生退化。这种退化，表现在电气绝缘性能上没有明显的变化。数据表明有些处在生命末期的变压器，其绝缘的电气性能还完好如初。而老化了的变压器绝缘纸的机械性能会明显变差，从而为变压器损坏事故的发生埋下了隐患。

构成绝缘纸的主要成分为纤维素，纤维素是由葡萄糖基组成的聚合度很高的链状高聚合碳氢化合物。绝缘纸的老化实际上是纤维素分子链不断断裂，链长不断变小的过程。随着分子链的断裂，绝缘纸的机械性能不断变差。当发生短路等大的外部冲击的时候，失去延展能力的绝缘纸会被破坏，进而引发绝缘事故。另外，变压器内部还有很多绝缘纸材料构成的压板、垫块等结构，他们在变压器中起着固定、压紧变压器线圈的作用。这些元件的老化会使固定作用变差，在大的冲击下，会造成线圈的变形、扭曲或是松散，从而造成变压器的损坏。

根据国内外的大量研究，我们已经知道影响变压器绝缘老化的主要因素是氧气、水分和温度。考虑到目前运行的变压器中，绝大部分绝缘系统与空气是隔离的，不存在外部空气进入的问题。而运行中产生的氧气数量不大且无法控制。因此本课题在考虑变压器固体绝缘老化的时候将不把氧气作为主要因素，而将主要关注水分、温度对变压器绝缘的影响，以及水分、温度两者的关系。

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变压器的温度是绝缘老化的一个重要因素。变压器的温度控制主要由两个方面决定。一是包括变压器空载损耗、负载损耗、漏磁损耗等在内的各种发热因素，另一方面是变压器的散热能力。这两方面最终决定了变压器的运行温度。对于运行中的变压器，其发热因素是固定的或不可控的。自冷的散热方式，在投入运行的变压器中也是无法调整的。对于风冷变压器，我们则可以通过调整风扇的启动温度，风扇的投入数量来控制变压器的散热能力，进而控制变压器的运行温度。

水分是影响绝缘老化的另一个重要因素。有研究显示，水分在绝缘纸和变压器油中保持与温度有关的动态平衡。温度的变化会引起水分不断进出绝缘纸。从而，温度和水分这两个决定变压器绝缘老化的重要因素间存在动态的相互关联，通过对温度的控制也可以对水分产生影响。

目前唐山供电公司负责运行的变压器中常见的散热方式为ONAN(自冷)和ONAF(风冷)。110kV以上电压等级的油纸绝缘变压器共有204台，其中有110台为风冷变压器。风冷却系统的控制部分由接触器进行简单的逻辑搭接，其功能简单，控制策略不灵活。

本课题主要通过分析中外大量的试验数据和结论，总结温度和水分共同影响绝缘老化的机理。结合现场实际数据，进行必要的试验，提出风冷变压器精确温度控制的原则和必要性。通过设计新的智能型的风冷系统控制装置，改善现有控制方案随意性大、方式简单、控制效果差的缺点。通过对温度、水分这两个可控因素的控制，延缓变压器老化速度，延长其安全使用寿命。

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2.变压器固体绝缘老化 2.1 变压器的固体绝缘

2.1.1 由纤维素为主构成的变压器绝缘纸

由于浸油后具有良好的电气绝缘性能、良好的稳定性和低廉的造价，油纸绝缘变压器中，纤维素材料被用作各种形式的固体绝缘材料，比如绝缘纸、绝缘纸板等。变压器用绝缘纸和绝缘纸板一般含有约90％的纤维素，6－7％的半纤维素和大约3－4％的木质素。纤维素是由葡萄糖基组成的聚合度很高的链状高聚合碳氢化合物，新纸的聚合度（degree of polymerization 简称DP）可达2000。纤维素的结构方程式如图1所示。半纤维素的聚合度约为200或更小些，它的存在可以促进氢键的产生，这对机械强度起着决定性的作用。但是半纤维素的含量不能超过10％，否则反而会造成机械强度的下降。

图1 纤维素分子结构图

Fig1：Structural formula of cellulose

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纤维素（C6H10O5）分子结构为链状，分子中含有羟基。纤维素耐油，不易溶解；结构上，纤维呈管状，纤维之间多孔，因此具有很强的吸水性和吸油性；正常情况下其击穿电压、机械强度均不高，但浸渍变压器油后，电气性能非常好。因此油纸绝缘被广泛的应用于油浸式变压器的绝缘结构中[4]。图2为纤维素制作的绝缘纸在变压器绝缘结构中的典型应用。

压板 绝缘管

压板 烟囱角环 绝缘垫块 静电环

角环 出线装置

带绝缘纸 绝缘纸筒

图2 绝缘纸在变压器绝缘结构中的典型应用 2.1.2 变压器绝缘纸的特性

绝缘纸的特殊用途决定了其有着与其它类型的纸材料相比，在机械性能、电气性能和热稳定性等方面有着不同的特性。 2.1.2.1 机械强度

绝缘纸必须有较高的机械强度，主要是抗张强度和伸长率。有关制造标准要求，厚度为75ｕm的变压器匝绝缘纸的纵、横向抗张强度应分别大于6.00和2.60 kN／m，纵、横向伸长率应分别大于2.0% 和

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6.0%[5]。

2.1.2.2 电气性能

绝缘纸是用于电器中的一种绝缘介质，也称为电介质，除了满足一定的物理和化学性能要求外，还必须满足电气性能要求。绝缘纸的电气性能就是指其在电场作用下发生的极化、电导、介质损耗和击穿特性。因为构成绝缘纸的纤维素分子中含有羟基，具有一定的极性，因此绝缘纸的介电常数较大。20摄氏度时，在工频电压下，纤维素构成的绝缘纸的介电常数约为6.5。

20℃时，纤维素的电导率约为l0－14Ωcm－1，。当绝缘纸中杂质和水分含量高时，其导电性能会增大，导致泄漏电流值增大。这在绝缘纸的生产过程中和绝缘纸的使用过程中需要我们给予重视，要严格控制绝缘纸产品中的杂质和水分含量。有标准规定电力电缆纸中灰分含量小于0.7%，水分控制在6% ～9%范围内。

对于变压器所用的绝缘纸来说，介质损耗是一个非常重要的指标。在100℃时变压器匝绝缘纸的介质损耗值不应大于0.23.对绝缘纸介质损耗影响最大的是电导损耗，而金属离子的存在会增加电导损耗因此制造工艺标准要求变压器匝绝缘纸灰分中的钠离子含量的极限值为30 mg／kg

2.1.2.3 热稳定性

变压器内的绝缘材料会长时间工作在温度较高的环境中，其热稳定性的大小决定了它的使用寿命。绝缘纸在高温情况下老化过程加快，会逐步丧失它的机械和电气性能。变压器内部的绝缘材料除个别

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地方使用热稳定纸之外，绝大部分的绝缘材料都为A级绝缘。

A级绝缘的定义：

IEC: 在105摄氏度的温度下，连续工作7年后，绝缘材料的机械强度的降低小于50%。

IEEE: 在110摄氏度的温度下，连续工作65000小时后，绝缘材料的机械强度的降低小于50%。

《电气绝缘耐热性分级》（GB/T 11021-2007）中也有类似的规定

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，标定的耐热等级为105摄氏度。

2.2 变压器固体绝缘的老化 2.2.1 纤维素的化学、物理结构

绝缘纸中的主要化学成分是纤维素。纤维素是由许多D－吡喃型葡萄糖彼此以1，4-β-苷键连接而成的线性高分子聚合物。纤维素是一种天然的高分子化合物，其分子结构中有环状结构，环和环之间是醚键连接的，每一个六角环中有一个氧原子，每一个环上连有3 个羟基，其中有一个是伯醇，反应能力较强，而醚键具有一定的柔软性，羟基具有一定的极性和亲水性，纤维素大分子内部或分子间都可以生成氢键。而纤维素的老化本质上就是这些化学键在外接因素影响下发生断裂。

2.2.2变压器固体绝缘老化概述

变压器固体绝缘的老化，归根结底就是固体绝缘材料的主要构成部分――纤维素的老化过程。纤维素是由葡萄糖单体通过化学键结合构成的自然大分子化合物，其自然形态为链状。纤维素的老化就是在

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电场、机械力、氧气、水分、酸性物质等各种因素综合作用下，纤维素链状分子持续发生断裂的过程，这种断裂往往发生在两个葡萄糖单体键联络的化学键位置。图3为变压器中固体绝缘材料的老化机理示意图。

水 CO2 CO 纤维素 变压器油氧化 氧气 酸 水 温度 水解 高温分解 左旋葡聚糖 解聚作用 脱水 左旋葡聚糖分裂 呋喃型化合物 酸 CO 2 外部氧气的侵入 CO 水 氧气

图3 变压器固体绝缘老化机理示意图

在整个老化过程中，纤维素分子链长不断变小。相应的绝缘纸的延展性和机械性能不断下降。表征纤维素老化程度的最好的参数是纤维素的聚合度（DP－ degree of polymerisation ）。纤维素的分子式可以表示为(C6H10O5)n , n 为聚合度,表示纤维素是由多少个葡萄糖基构成。新变压器绝缘纸的聚合度一般在1000－1200之间，随着绝缘纸的老化，通常认为当绝缘纸的聚合度达500时为寿命中期，聚合度达到200（或250）时，绝缘纸的寿命已经到达极限。此时变压器绝缘纸的

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机械强度降低到了初始机械强度的50％以下，机械力的丧失开始急剧加速。这种情况下，变压器内部的绝缘纸等由纤维素构成的固体绝缘强度已经无法承受外来大的冲击的影响。类似出口或近区短路故障的故障电流引起的电动力往往会对变压器造成损坏。

绝缘纸的老化形式主要有电老化、热老化、机械力老化、水分参与的老化等几种。

电老化是指绝缘纸在运行变压器中强电场的作用下，由于局部放电等情况逐步造成的绝缘纸电气性能的退化和机械性能的老化。尽管绝缘纸浸变压器油后，绝缘性能非常良好。但我们无法排除生产和安装过程中绝缘系统内部会存在一些或大或小的微观缺陷，同时一些通过各种途径进入绝缘系统的微粒也会造成内部电场的畸变，进而产生局部放电。因此变压器内部的固体绝缘的电老化是不可避免的。

热老化是指变压器内部固体绝缘材料在高温的影响下产生的老化情况，其实质是纤维素的聚合链在温度的影响下发生解裂。这一老化过程遵循Arrhenius方程：lnL=lnA+B／T。其中，A、B分别是由特定老化反应所决定的常数，L为绝缘寿命，T为绝对温度[7]。由此可见变压器固体绝缘的速度是与变压器的运行温度密切相关的。由于变压器运行过程中，往往处在温度相对较高的环境，因此热老化也是广泛存在的。

当绝缘纸受到机械应力后，力学性能发生不可逆降低直至产生裂痕或气隙导致局部放电，这种现象称为机械力老化。机械力的来源主要是变压器内部产生的各种应力，比如故障电流的电动力。

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水分参与的老化是绝缘纸老化的一个重要因素。这是因为，水分不仅参与 多种形式的老化反应过程，同时其本身又是绝缘纸老化的产物。因此水分参与的老化过程是一个正反愦的形式，存在着加速的问题。

文献[8-11]详细分析了纤维素老化的机理和影响老化过程的各种因素。通过加速老化试验得到了丰富的试验数据。通过分析，确定氧气、水分、温度是影响绝缘纸老化的最终要的几个因素。考虑到目前运行的变压器中，绝大部分绝缘系统与空气是隔离的，不存在外部空气进入的问题。而运行中产生的氧气数量不大且无法控制。因此我们这里将主要关注水分、温度对变压器绝缘的影响，水分、温度两者的关系以及两者对变压器绝缘老化的综合影响。 2.2.3 变压器固体绝缘老化的检测

变压器固体绝缘的老化，也就是纤维素的老化过程，是一个缓慢的、渐变的物理和化学性质的改变过程。变压器，尤其是运行中的变压器，我们没有办法直接接触固体绝缘部分，因此无法直接的判断其老化程度。因此我们必须采用一些物理或是化学的方法来测定、描述、确定固体绝缘的老化程度。较精确的检测变压器固体绝缘的老化程度和进程也是我们开展相关讨论的基础，在下面我们将对一些常用的检测方法和判断依据进行简单的介绍。

2.2.3.1 测定绝缘纸机械强度判断变压器固体绝缘老化情况

正如在本文在绪论部分所提到的，绝缘纸老化的关键不是电气强度的老化，而是在各种因素作用下纤维素链的不断断裂最终造成的

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固体绝缘的机械强度的丧失。因此，对绝缘纸机强度进行直接测定当然是确定绝缘纸老化程度的最直接的办法。不过这种直接测量的办法更多的只适用于绝缘材料新品，对应运行中的设备存在取样困难、破坏设备等问题，因此不具备现场实用性。

2.2.3.2 利用DGA的方法检测油中溶解的CO,CO2含量判断变压器固体

绝缘老化情况

变压器固体绝缘材料主要由纤维素构成，而纤维素的主要成分是葡萄糖。如果在较高温度下纤维素发生裂解，在生成水分的同时还会生成大量的CO和CO2。特别是当固体绝缘系统发生异常时，比如过热，会引起CO和CO2含量的明显增长。因此CO和CO2的含量和产生速度被作为衡量变压器固体绝缘老化程度的一个参数。CO和CO2产生后将依据扩散规律在变压器油和固体绝缘中达到平衡均匀分布。我们利用气象色谱仪依据《变压器油中气体分析和判断导则》（DL722-2000）可以准确的测量出变压器油中的CO、CO2气体含量，从而用来判断变压器固体绝缘老化情况。

然而，采用DGA检测变压器油中CO、CO2 的含量的方法来描述变压器固体绝缘正常老化状况的方法在实际应用中并不精确。主要原因是变压器油中CO和CO2的基础含量过高。在开放式的变压器中，变压器油溶解空气的饱和量为10％，这就意味着变压器内部至少含有来自空气中的CO2300μL/ L.即使在空气隔离的变压器中，空气也可能通过各种渠道渗漏到变压器中，因此变压器油中的CO2含量将和空气含量成正比的存在。同时变压器油分解时也会产生CO和CO2,这样就使得这

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两种气体无法精确度表征变压器固体绝缘的老化。

当然DGA检测变压器强油中CO、CO2 的含量对于检查确定变压器固体绝缘的异常老化情况－比如变压器内部的过热故障引起的固体绝缘异常老化。根据大量的统计数据分析，随着变压器运行时间增加，CO的含量会逐步增加。开始的时候较快，而后逐渐缓慢下来，但不应发生陡增的情况。因为CO2在变压器油中的溶解度较高，而CO的溶解度较低。因此，变压器油中CO2/CO的数值，一般随着运行时间的增长而逐渐变大。当CO2/CO大于7或是10的时候，提示可能变压器内部存在大面积低温过热的非正常老化问题。

2.2.3.3 测量绝缘纸聚合度判断变压器固体绝缘老化情况

如本文2.1.1部分介绍，构成绝缘纸的纤维素是一种链状大分子，其分子式为（C6H10O5）n。n表示有多少个葡萄糖分子链接在一起构成了一条纤维素分子链。变压器的固体绝缘老化过程就是由葡萄糖分子构成的分子链断裂的过程，表现在分子式上就是n的数量在持续的减少。聚合度（DP degree of polymerization）就是一个纤维素分子中所包含的D-葡萄糖单体的数量。变压器新品绝缘纸的聚合度最高可达2000，投入运行时绝缘纸的聚合度大约在1000左右。有研究数据显示，绝缘纸的聚合度和纸张的抗张强度有着对应的关系。绝缘纸的机械抗张强度对着聚合度的降低而下降。绝缘纸聚合度降低到500左右时，往往对应着绝缘纸寿命的中期；当聚合度降低到250左右时，绝缘纸抗张强度会出现突然的降低；当聚合度降低到200（150）时，绝缘纸的机械抗张强度基本上降低到初始机械强度的20%，这时

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候可以认为绝缘纸已经丧失了在变压器中继续运行的机械强度，绝缘纸和变压器固体绝缘的寿命也到了终期。

目前测量绝缘纸聚合度的方法基本上时基于马丁(Martin)的经验公式，通过测量绝缘纸溶于铜乙二铜溶剂中的溶液特性粘度来计算绝缘纸的聚合度。由于绝缘纸是由不同聚合度纤维素组成的混合体，因此测量的聚合度是平均聚合度。

测试方法，主要如下：

A. 溶解绝缘纸的溶剂为铜乙二胺（CED）,其分子式为[Cu

（NH2-CH2-CH2-NH2）2](OH)2 。溶液中每升1.0mol铜和2.0mol

乙二胺，乙二胺浓度与铜浓度的克分子比CED/CCU=2。

B. 试验仪器主要有：

溶解试样用仪器：溶解瓶、震荡装置、玻璃球、抽取器 测量用仪器：毛细管粘度计、恒温水浴、秒表、 承重仪器和烘箱

试验过程中，将采样得到的变压器绝缘纸制成纤维状，经过干燥，然后溶解在试剂中并根据GB/T265的要求测定流出时间。

根据式（2－1）计算比粘度ηs=(ts-t0)/t0 式（2－1）

式中：

t0 ――溶剂平均流出时间，s ts ――溶液平均流出时间，s

根据马丁（Marting）公式由比粘度ηs和干纸浓度C计算特性

粘度。表1为按照马丁公式（k＝0.14）计算的作为比粘度η

s

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函数的（η）*C 的乘积值。

表1为按照马丁公式（k＝0.14）计算的作为比粘度ηs函数

的（η）*C 的乘积值

最后根据式（2－2）计算纸样品的聚合度DP。

DP＝(η)/K 式（2-2） 式中，K＝7.5×10-3

如上所述，测量绝缘纸的聚合度可以较准确的确定变压器绝缘纸老化情况，但是这一方法的采用存在着一定的局限性和非确定性。

首先，试验中需要对变压器的绝缘纸进行采样。而采样往往需要将变压器进行吊检，至少要进行钻检，因此非常不方便，特别是无法对运行中的变压器进行采样和测定。

其次，对变压器绝缘纸进行采样或许会对变压器的固体绝缘造成一定的伤害。

再次，我们对变压器绝缘纸进行的采样并不能真正的反映变压器固体绝缘的整体情况。或是不能采集到老化严重的部位，从而使聚合度计算结果高于老化严重部位的绝缘纸聚合度；或是，采样部位的绝缘纸在异常情况下（比如引线焊接不良发热造成的外包绝缘纸）局部

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老化严重，造成所得的聚合度计算结果不能代表变压器内部整体绝缘情况。

2.2.3.4 测量纤维素分子量判断变压器固体绝缘老化情况

如上所述，变压器固体绝缘的老化就是纤维素分子链断裂的过程和结果。在分子链断裂的过程中，纤维素的分子量会逐渐变小，高所分子量的分子链与低分子量的分子量数量相比也逐渐减少。同时，随着纤维素老化产物的散失，纤维素整体的重量也在减少。有试验显示当绝缘纸DP值从1200降低到小于150时，纤维素的重量损失大约为5%。因此通过测量纤维素分子量，可以也可以判断变压器固体绝缘的老化情况[12]。

2.2.3.5测量变压器油中糠醛含量判断变压器固体绝缘老化情况 变压器绝缘纸老化过程中，会产生很多化合物产物。其中呋喃类化合物是重要的产物之一。主要有2-furfuryl alcohol, furfural, 2-acetylfuran 和 5-methylfurfural。这些产物溶解在变压器油中，根据扩散定律，处于均匀分布状态。这种分布在变压器油和固体绝缘材料中也存在着平衡分布的状态。这些产物也随时间处于不断退化过程中。5-methylfurfural，非常不稳定，在产生后会很快消失。2-furfuryl alcohol的不稳定性处于第二位，当纤维素分解产生该物质后，它的浓度会很快达到峰值并迅速下降。furfural（糠醛）在各种纤维素分解产物中最稳定，且浓度总是最高。同时，变压器非纤维素绝缘材料和变压器油老化时都不会产生糠醛，因此糠醛可以被用来

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