水分對油紙絕緣熱老化及壽命的影響與熱老化程度表征研究.pdf

1、由普通絕緣紙與礦物油組成的油紙絕緣系統(tǒng)是變壓器內(nèi)絕緣的主要組成形式,其在溫度、水分、氧氣等應(yīng)力作用下的老化是大型電力變壓器出現(xiàn)故障的主要原因。在這些老化應(yīng)力中,溫度對油紙絕緣的老化速率有主導(dǎo)作用,然而,水分對變壓器絕緣狀態(tài)及壽命的影響同樣不可忽視。伴隨著變壓器中水分的增加,油紙絕緣系統(tǒng)的電氣性能迅速降低,同時其老化速率增加從而導(dǎo)致壽命減短。因此,水分被認(rèn)為是除溫度以外電力變壓器的“頭號敵人”。目前,國內(nèi)外開展了大量的變壓器油紙絕緣熱老化

2、研究,但水分對油紙絕緣熱老化過程及相關(guān)特征參量的影響規(guī)律尚有待深入研究,缺乏系統(tǒng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù),同時計及水分影響的油紙絕緣熱老化壽命模型也鮮有文獻(xiàn)報道。因此,研究油紙絕緣熱老化過程中的水分變化趨勢,及水分對油紙絕緣熱老化速率、熱老化特征參量的影響機(jī)制,建立考慮水分加速老化作用的壽命模型,開展基于頻域介電參量的油紙絕緣水分含量與老化狀態(tài)的表征研究,對變壓器老化狀態(tài)評估、故障診斷和壽命預(yù)測有重要意義。
　　 本文以三種不同初始含水量(1

3、％、3％、5％)的絕緣紙與礦物油組成的固液兩相復(fù)合絕緣系統(tǒng)為研究對象,在三種溫度(90℃、110℃、130℃)下開展了加速熱老化試驗(yàn)。首先,系統(tǒng)地研究了熱老化過程中絕緣油與絕緣紙中含水量的變化趨勢,探討了水分對絕緣紙降解速率、油中糠醛含量以及油中酸值的影響規(guī)律;其次,采用分子動力學(xué)模擬技術(shù),研究了水分與纖維素、礦物油之間的相互作用,分析了水分在油紙之間的平衡分布以及水分對絕緣紙降解的加速作用;此外,運(yùn)用聚合度損失累積動力學(xué)模型分析了溫度

4、和水分協(xié)同作用下的絕緣紙聚合度變化規(guī)律,基于時溫疊加理論及聚合度損失累積模型,建立了溫度和水分協(xié)同作用下的油紙絕緣壽命預(yù)測模型;最后,探索了水分及老化對油紙絕緣頻域介電特性的影響規(guī)律,并采用頻域介電特征參量對變壓器油紙絕緣水分及老化狀態(tài)進(jìn)行了表征分析。論文取得的主要創(chuàng)新性研究成果有:
　　 ①研究得到了不同初始水分含量對礦物油一纖維素絕緣紙熱老化特征參量的影響規(guī)律。溫度較低(90℃)時,水分的增加對絕緣紙老化的加速效果明顯,溫度

5、較高(110℃、130℃)時,水分含量的增加對絕緣紙老化的加速作用將趨于飽和;
　　 ②采用分子動力學(xué)模擬技術(shù)分析了水分與油紙絕緣之間的相互作用。結(jié)果表明:水分與纖維素之間的相互作用能遠(yuǎn)大于與礦物油的相互作用能,并且水分與纖維素之間能夠形成穩(wěn)定的氫鍵,導(dǎo)致大部分水分被束縛于纖維素中;隨著溫度的增加,水分與纖維素之間的相互作用能不斷減小,纖維素對水分的束縛作用逐漸降低,因此,水分對纖維素降解的加速作用逐漸減弱,模擬結(jié)果解釋了“較高

6、溫度(110℃、130℃)時,隨水分含量的增加,絕緣紙的老化加速效果趨于飽和”的試驗(yàn)現(xiàn)象;
　　 ③采用時溫平移因子計算得到了油浸絕緣紙在水分與溫度聯(lián)合應(yīng)力下的表觀活化能為(101±15)kJ/mol,并基于時溫疊加理論與聚合度損失累積模型,改進(jìn)了油紙絕緣壽命預(yù)測的方程,使該方程能夠預(yù)測溫度和水分兩因子作用下油紙絕緣的老化壽命;
　　 ④提出了表征油紙絕緣水分含量及老化狀態(tài)的頻域介電譜特征參量(相對介電常數(shù)εr和介質(zhì)損耗