换油周期对变压器油纸绝缘老化性能影响规律

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摘要

哈尔滨理工大学工程电介质及其应用教育部重点实验室、哈尔滨理工大学电介质工程国家重点实验室培育基地、黑龙江电力科学研究院的研究人员张明泽、刘骥、吕佳璐、陈庆国、贾海峰、陈昕，在2019年第22期《电工技术学报》上撰文指出，油纸绝缘老化评估的准确性决定了变压器的使用寿命，为研究不同换油周期对变压器油纸绝缘老化状态影响的变化规律，该文制备了三组变压器XY等效模型，并进行不同换油周期的加速老化试验，在不同老化天数时进行频域介电响应测试以及变压器油中的水分、酸值、绝缘纸板聚合度的测试。

根据对比实验结果发现：换油周期越长，曲线拐点越明显，随着温度升高，曲线拐点向高频移动；换油周期越长，换油前后介质损耗因数曲线在低频段下降越明显，随着测试温度的升高，换油前后在高频段重合程度越大；换油前后介质损耗因数曲线不同，频段平移方法计算绝缘纸板活化能大小基本相同，同时建立换油周期内后酸值增量与绝缘纸板聚合度的定量计算关系。

该文通过对比实验，分析不同换油周期对变压器内部绝缘老化影响的变化规律，提出换油前后变压器等效模型油纸绝缘中绝缘纸板活化能的计算方法，为后续研究换油周期、老化温度与变压器油纸绝缘寿命的定量表征建立了理论基础。

变压器是电网中电能输送的核心设备，运行工况稳定显得尤为重要，在其投运阶段，由于受到电、热、振动等多种老化因素的联合作用，其内部油纸绝缘系统绝缘可靠性下降，老化速率加快，因此，运行一定年限的变压器，当变压器油绝缘程度下降较大时会采用换油处理，用纯新变压器油替换老化的变压器油，不仅使得变压器的绝缘程度得以提高，还增加了变压器的剩余使用寿命，同时减少了更换变压器所需的成本，因此换油对提高变压器的绝缘状态具有重要的意义。

变压器油纸绝缘性能检测主要是采用以下方法：①化学分析法，通过测试变压器油中的水分、酸值、糠醛、绝缘纸板中的水分、聚合度等理化参量可有效评估变压器内部油纸绝缘老化程度；②无损介电响应测试，通过时频域介电响应测量，例如：极化去极化电流法（Polarization and Depolarization Current, PDC）、回复电压法（Recovery Voltage Method, RVM）和频域介电法[12-16]（Frequency Domain Spectroscopy , FDS），根据曲线变化趋势可有效评估油纸绝缘状态，该方法现在广泛应用在油纸绝缘电力设备的状态评估当中。

现阶段，针对变压器油纸绝缘状态评估的研究主要分为以下几个方面：

①以频域介电谱为研究重点，通过频域介电谱最小值点、不同频域范围积分面积、不同频率点损耗因数数值迭代计算等方式建立油浸纸板中的含水量、老化程度的定量表征关系或数据指纹识别库，实现对变压器的老化状态及使用寿命的准确评估；

②以纤维素断裂的二阶动力学模型或绝缘纸聚合度损失累积模型为基础，通过时温叠加理论建立了平移因子与绝缘纸板活化能、水分、温度之间的定量关系，得到绝缘纸板与温度、水分等有关的油纸绝缘寿命预测方法；

③以时域介电谱中的极化去极化电流为研究重点，通过不同温度、不同老化程度的油浸纸板极化去极化电流的变化规律，定性反映两种极化类型，再通过极化去极化电量或稳定电量，定量计算油浸纸板聚合度、含水量，也可应用Debye模型，进行模型参数提取，得到最大或最小极化支路对应的R、C值，定量表征油纸绝缘的老化程度；

④以时域介电谱中的恢复电压为研究重点，通过回复电压的峰值、极化谱的中心时间常数、回复电压曲线的初始斜率、半峰值周期以及稳定回复电压值等建立与油纸绝缘聚合度、含水量的关系方程，或通过回复电压测试曲线进行解谱分析，将回复电压谱线中的弛豫响应特征展开成回复电压各子谱线的形式，从而判断油纸绝缘设备的绝缘状况，然而现阶段开展的变压器油纸绝缘状态评估中没有考虑变压器在运行多年期间出现换油对油纸绝缘老化状态评估或寿命预测所带来的影响，目前仅重庆大学课题组针对油纸绝缘试样在不同老化阶段换油后油中糠醛含量及扩散规律进行了分析。

为了研究换油周期对变压器内部油纸绝缘老化状态的影响规律，本文以与变压器等效的XY模型为基础，在实验条件下进行了三组不同换油周期下变压器等效的XY模型的加速热老化试验，并进行了换油前后的变温（30℃、50℃、70℃、90℃）频域介电响应测量以及变压器油中的水分、酸值、绝缘纸板聚合度的测试，低频激励作用下，老化后变压器油电导率增加，累积电荷能力增加，变压器油与纸板接触面界面极化作用增强。

换油周期越长，变压器油中累积电荷作用越大，受绝缘结构界面极化影响的介质损耗因数曲线拐点越明显，随着温度升高，曲线拐点向高频移动；换油周期越长，换油前后介质损耗因数曲线在低频段下降越明显，随着测试温度的升高，换油前后在高频段重合程度越大，而且重合频率点向低频移动。

换油前后在不同频段内，用模型介质损耗因数曲线平移方法计算得到绝缘纸板活化能大小基本相同。换油后，中频与低频范围内，变压器内部绝缘结构对模型频域介质损耗因数曲线的影响要小。

本文研究了换油周期对变压器内部绝缘老化影响的基础变化规律，并提出换油前后老化模型内绝缘纸板活化能的计算方法，对本文后续研究换油周期、老化温度与模型绝缘寿命的定量表征关系奠定了理论基础。 

图2  试验测试示意图

图3  频域测试接线图

图4  油纸绝缘含水率测试装置示意图

结论

本文进行了不同换油周期下变压器油纸绝缘等效模型的介电性能、理化性能试验，建立并根据换油前后频域介质损耗因数曲线，提出换油前后不同频率范围平移模型介质损耗因数曲线计算老化后绝缘纸板活化能的方法，得到主要结论如下： 

1）低频激励作用下，老化后变压器油电导率增加，累积电荷能力增加，变压器油与纸板接触界面极化作用增强，模型结构对界面极化作用明显（曲线出现拐点）。换油周期越长，变压器油中累积电荷作用越大，介质损耗因数曲线拐点越明显，且随着温度升高，受绝缘结构界面极化影响的曲线拐点向高频移动。

2）换油周期越长，换油前后介质损耗因数曲线在低频段下降越明显；随着测试温度的升高，换油前后曲线在高频段重合程度越大，重合频率点向低频移动。

3）根据不同换油周期下，变压器油纸绝缘模型内部油浸纸板聚合度、换油前后酸值、含水量增量的变化规律，得到不同换油周期，换油后油中小分子酸与绝缘纸板聚合度的定量表征方程。

4）换油前后不同频段内模型介质损耗因数曲线平移方法计算绝缘纸板活化能大小基本相同。换油后，中频与低频范围电源激励作用下，变压器内部绝缘结构对模型频域介质损耗因数曲线的影响减小。

根据本文研究成果，对运行变压器换油前后及换油周期对油纸绝缘老化影响变化规律进行了初步探索，在后续的研究工作中，将会本文提出的低频频温平移方式运用到计算变压器XY等效模型绝缘纸板的寿命预测方法中，结合二阶动力学模型、纤维素累积损失模型，合理预测不同换油周期、老化温度下变压器XY等效模型的绝缘寿命。

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