变压器固体绝缘老化状态诊断方法

Operation&Maintenance运行维护25RURALELECTRIFICATION2012年第06期 总第301期电力设备的实际寿命通常依赖于固体绝缘状态及其运行条件，也就是说，运行年限接近的设备，由于其运行条件状态不同造成剩余寿命可能不同。因此，对电力设备固体绝缘状态、老化程度的综合评估意义重大。1 化学诊断方法1.1 聚合度分析（DP）变压器绝缘纸、纸板等是以木材纸浆为原料，其主要成分是由约1200个葡萄糖环n单体组成的链状多分子化合物的纤维素，其中n称为聚合度(DegreeofPolymerization，DP)。变压器在运行中由于温度、水分和氧气的作用，纤维素会逐渐降解，使聚合度降低，从而降低纸板的抗拉强度和绝缘性能。通常采用粘度测试法来测定绝缘纸的聚合度，操作方法为：先将纸中的油脂、金属离子及其它填充剂提抽干净，然后粉碎，使之溶解于乙酸乙酯溶剂中，利用粘度计测定溶液的粘度，求出纸的聚合度。利用该方法进行绝缘纸老化寿命判别的标准为：当平均聚合度下降到500时，变压器整体绝缘处于寿命中期；当平均聚合度下降到250时，认为变压器寿命已终止；聚合度下降到150时，绝缘纸的机械强度几乎为零。聚合度是最能表征绝缘纸老化程度的指标，非常可靠、准确，是有效的判据。聚合度与抗张强度(TensileStrength，TS)存在一定的函数关系，能够间接地反映绝缘纸板的机械强度。但是需要采取吊芯，不能从最能反映绝缘真实状况的关键处取样，聚合度数值的分布具有一定的分散性，实现起来比较困难。1.2 油中溶解气体分析（DGA）变压器固体绝缘发生劣化时，会有烃类气体和CO、CO2的产生。在绝缘老化诊断中，将CO、CO2作为特征气体，其含量在一定程度上反映了变压器绝缘老化的状况。IEC导则推荐采用三比值法，即建立在DGA数据基础之上，导则以CO/CO2的比值作为判据，即该比值大于0.33或小于0.99表示可能有纤维绝缘分解故障。对于隔膜式变压器，CO/CO2大于0.5，对于氮式变压器，CO/CO2大于0.2，即可能存在异常。DGA技术是目前对油浸变压器进行故障诊断最方便、有效的手段之一。然而，由于变压器油氧化时也有CO和CO2产生，其含量及比值规律不能直接反映变压器绝缘老化的程度，仅依靠CO和CO2含量、产气速率和CO/CO2的比值来判断变压器绝缘老化状况，将带来很大的不确定性，只能作为一种参考判据。1.3 糠醛含量分析（Furan）20世纪70年代末，在分析2台400/22kV发电机变压器的事故原因时，检测到溶解在油中的以糠醛为主的呋喃类化合物，并发现变压器油中糠醛仅仅来自于绝缘纸等纤维素材料的老化分解，而与变压器油无关，由此开始了基于糠醛分析的固体绝缘诊断方法的研究。该方法可以在变压器不停运情况下，取油样，然后测出油中糠醛含量。一般来讲，如果油中糠醛含量达到0.5mg/L时，变压器整体绝缘程度处于寿命中期；糠醛达到1～2mg/L时，绝缘劣化严重；糠醛达到4mg/L时，变压器寿命终止。糠醛测定之所以能被广泛应用于现场的变压器绝缘老化分析，首先是因为它适合于在线监测。其次是糠醛含量与聚合度之间存在log(Furan)=1.065－0.0027DP的对应关系，其中Furan为糠醛含量（mg/L），DP为聚合度。故可以借助于糠醛分析可近似地估算绝缘纸的平均聚合度，从聚合度的角度进行诊断分析。当变压器换油或进行油处理后，溶解于油中的糠醛含量与聚合度的对应关系会发生改变，这就需要在换油或油处理之前以及之后数周多次测量油中糠醛的含量，以便在综合分析绝缘实际老化状况时，把换油或油处理前后糠醛含量变化的差值考虑进去。油中糠醛含量可直接反映绝缘老化状态，但它受诸多因素的影响，含量相对不稳定。为此国外有人提出应用油中丙酮含量来诊断绝缘老化，以提高判断的精确度。1.4 水分分析变压器油纸绝缘介质老化的主要产物是水分。固体绝缘材料中的水分在老化过程中扮演着催化剂的角色来加速老化进程，导致构成纸板的纤维素分子链加速断裂，使纸板聚合度降低，进而使绝缘系统的机械强度降低。利用卡尔费休滴定法，可以测出变压器油中的含水量，然后根据油水平衡关系，可以得到绝缘纸中的含水量。2 电气诊断方法2.1 常规方法目前常规的用于直接对变压器固体绝缘进行检测并判断其绝缘状态的试验方法，主要为一些离线的电气无损测量，如绝缘电阻、极化指数、介质损耗角正切值、局部放变压器固体绝缘老化状态诊断方法孙……杰（北京市电力公司变电公司，北京…朝阳…100054）运行维护Operation&Maintenance26RURALELECTRIFICATION2012年第06期 总第301期电等，这些方法已被广泛使用。但是在判断绝缘老化方面仍然受到各种因素的影响，特别是这类测试方法的测值与老化程度并不具有一一对应的关系，所以运用该方法时，必须注意与该变压器历年的测值相比较，还要与处于同样运行条件的同类设备相比较。2.2 介电响应方法2.2.1…回复电压法（RVM）回复电压法是近年国外使用的一种简便、有效的绝缘检测方法，其原理是：绝缘介质施加直流高压时会呈现极化现象，表面出现束缚电荷，内部偶极子定向排列。撤去外施电压并短接两极后，表面电荷立即释放，同时介质内部会发生去极化过程。去掉两极间的短接线后，去极化过程仍在继续，自由电荷会在电极之间呈现一个电势差。该电压称为回复电压UR。绝缘受潮、脏污或老化时，介电性能的变化使其回复电压明显改变。目前已有采用此原理的成套测量仪器，国内一些地区已将此方法试用于电力变压器、电缆等的绝缘测试。在单次测量中，主要有三个参数反应绝缘状况：回复电压最大值Um，Um出现时间tm，回复电压起始斜率dU/dt。现有研究结果认为，绝缘老化越严重，Um、tm、dU/dt的值都越大。可以用极化谱来描述RVM特性。在不同的充电时间tc下（如从0.1s～10ks），充、放电时间比tc/td取恒定值（如取为2）进行一系列的RVM试验；然后将各次的RVM曲线中的峰值Um与其对应的充电时间tc绘成曲线，称之为极化谱。极化谱曲线可读出三个特征参数，即最大回复电压Urmax(V)、起始斜率(Initialslope)dUr/dt(V/s)和主时间常数(Dominant或Centraltimeconstant)τcd(s)。后两个参数用来判断纸绝缘的受潮和老化状态。通常，主时间常数愈大，起始斜率愈小，绝缘状态愈佳。2.2.2…极化去极化电流法（PDC）极化去极化电流法同样基于介质极化理论，其具体测量方法为：在一定时间TP即极化时间内，将约100V的直流阶跃电压施加在高压和低压绕组之间，在电压施加瞬间就会产生一个脉冲电流，该电流在整个极化时间内会逐渐降低，一直降到一个比较稳定的值，该值由绝缘系统本身的直流电导率决定。极化时间TP过后，将开关S拨到另一个位置，将介质经安培表短路。此时放电电流会突变并跳跃到一个负值上然后逐渐衰减至零。以上两种电流均被称为松弛电流，存储在PDC分析仪中。2.2.3…频域介电谱分析（FDS）变压器绝缘诊断的频谱分析法主要基于介质极化的频率响应特性。FDS绝缘诊断技术是在不同的频率点上对损耗因数(tanδ)和复电容进行测量的一种绝缘诊断手段，其主要原理是将测量介质和复电容作为一种频率函数。目前FDS实验仪器均为IDAX系列绝缘诊断分析仪，其主要功能是在特定的频率和电压幅值下测量绝缘阻抗，并计算绝缘的复电容和损耗因数。计算得出的电容和损耗因数与其对应的频率值绘制成频率特性曲线，再根据以往的经验曲线进行对比分析，或者利用该测试仪配套的MODS分析软件进行曲线拟合，便可以计算出被测试品的含水量、电导率等相关的参数。研究表明，对于各向同性的线性均匀介质，RVM、PDC、FDS三种方法反映的介质绝缘特性是一致的，都反映了油纸绝缘介质最基本的极化特性。但是比较而言，RVM虽然能够为绝缘诊断提供有效信息，但是很容易受到干扰的影响，并且缺乏分别诊断油和绝缘纸状态的能力。PDC能够区分油和绝缘纸，但是却无法测量其开关动作瞬间的暂态电流，无法全面反映绝缘信息。而FDS则由于采用频域测量，抗干扰性好，能区分油和纸的状态，被认为是最有应用前景的诊断方法。3 结束语变压器在运行过程中，会受到电、热、化学、机械等各方面的作用而使绝缘材料逐渐老化。为充分发挥变压器的经济价值，同时确保电网安全稳定，须对变压器进行绝缘诊断。目前DGA方法使用最广泛，其他化学诊断方法也分别有所应用。但是每种诊断方法都有一定的不足之处，并不能单凭某一种方法的诊断结果对变压器的绝缘状况做出结论。各种方法综合应用，取长补短，才是未来的发展趋势。随着测量技术和数据分析技术的发展，介电响应理论诊断方法在现场测量中展现出很大的优势，将会成为传统绝缘诊断方法的重要补充。参考文献[1] 董明. 油浸式电力变压器状态诊断技术及维修策略的研究[D]. 西安: 西安交通大学, 2006.[2] 吕键, 詹怀宇, 晋华春. 电力力变压器绝缘纸的性能及其绝缘老化[J]. 中国造纸. 2008, 27(5): 54-58.[3] GB 7252-1987. 变压器油中溶解气体分析和判断导则[S]. [4] 尚勇, 董明, 赵文彬, 等. 油浸电力变压器固体绝缘老化的诊断[J]. 变压器， 2002, 39(12): 35-39.[5] 捧辰东, 范起明. 变压器油处理对油中糠醛含量的影响[J]. 华北电力技术, 1992, (11): 18-20.[6] 中华人民共和国电力工业部. DL/T596-1996 电力设备预防性试验规程[S]. [7] 李明华, 董明, 严璋. 一种新的绝缘测试方法——回复电压法[J]. 高电压技术. 2002, 28(8): 43-45.[8] 许维宗, 刘勇, 许文蕾, 等. 电力变压器油纸绝缘状态的诊断——回复电压法[J]. 华中电力, 2007, 20(4): 4-7.（责任编辑：贺大亮）