【正文】 基于變壓器固體絕緣老化機理的風(fēng)冷變壓器精確溫度控制1．緒論電力變壓器作為電網(wǎng)重要的主設(shè)備，根據(jù)設(shè)計和經(jīng)濟性的原則，我們一般期望它的運行壽命應(yīng)該達到3540年[1]。《電力變壓器選用導(dǎo)則》GBT/174682008規(guī)定，在外部冷卻空氣為20 ℃ ，變 壓 器以額定電流運行，以某種溫度等級的絕緣材料發(fā)生熱老化而損壞時，規(guī)定變壓器的壽命一般為20年[2]。電力行業(yè)標(biāo)準《油浸式變壓器絕緣老化判斷導(dǎo)則》（DL/T 984－2005）也特別提到正常運行的 變壓器應(yīng)該有30年的壽命，如果達不到預(yù)期壽命而退役，通常是設(shè)備隱患或其它原因所致。油紙絕緣變壓器的使用壽命基本上決定于其絕緣系統(tǒng)。其絕緣系統(tǒng)由變壓器油和絕緣紙構(gòu)成。其中絕緣油即使使用了30 年時間,絕緣擊穿性能的下降也只有10 %左右。而且在變壓器的運行過程中，檢修人員還可以通過凈化或者換油的方式來改善油的絕緣性能。因此，運行中的油浸式電力變壓器的使用壽命應(yīng)該主要取決于固體絕緣，尤其是絕緣紙。國內(nèi)外大量的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，變壓器事故大部分都與變壓器絕緣特別是固體絕緣老化和破壞有關(guān)。美國 HSB 公司工程部總工程師 William Bartley 先生在過去的 10 年中變壓器故障進行了統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)在造成故障的起因中，絕緣老化列在第二位。由于絕緣老化的因素，變壓器的平均壽命僅有 年，大大低于預(yù)期為 35 ～ 40 年的壽命！中國電科院進行的《2004年度110kV及以上變壓器事故統(tǒng)計分析》中的數(shù)據(jù)顯示， 2004年度變壓器損壞事故以絕緣事故為主，%。%，變壓器的運行壽命令人擔(dān)憂[3]。在運行過程中，變壓器的固體絕緣在電、熱、空氣、水分等因素的作用下，不斷產(chǎn)生退化。這種退化，表現(xiàn)在電氣絕緣性能上沒有明顯的變化。數(shù)據(jù)表明有些處在生命末期的變壓器，其絕緣的電氣性能還完好如初。而老化了的變壓器絕緣紙的機械性能會明顯變差，從而為變壓器損壞事故的發(fā)生埋下了隱患。構(gòu)成絕緣紙的主要成分為纖維素，纖維素是由葡萄糖基組成的聚合度很高的鏈狀高聚合碳氫化合物。絕緣紙的老化實際上是纖維素分子鏈不斷斷裂，鏈長不斷變小的過程。隨著分子鏈的斷裂，絕緣紙的機械性能不斷變差。當(dāng)發(fā)生短路等大的外部沖擊的時候，失去延展能力的絕緣紙會被破壞，進而引發(fā)絕緣事故。另外，變壓器內(nèi)部還有很多絕緣紙材料構(gòu)成的壓板、墊塊等結(jié)構(gòu)，他們在變壓器中起著固定、壓緊變壓器線圈的作用。這些元件的老化會使固定作用變差，在大的沖擊下，會造成線圈的變形、扭曲或是松散，從而造成變壓器的損壞。根據(jù)國內(nèi)外的大量研究，我們已經(jīng)知道影響變壓器絕緣老化的主要因素是氧氣、水分和溫度。考慮到目前運行的變壓器中，絕大部分絕緣系統(tǒng)與空氣是隔離的，不存在外部空氣進入的問題。而運行中產(chǎn)生的氧氣數(shù)量不大且無法控制。因此本課題在考慮變壓器固體絕緣老化的時候?qū)⒉话蜒鯕庾鳛橹饕蛩?，而將主要關(guān)注水分、溫度對變壓器絕緣的影響，以及水分、溫度兩者的關(guān)系。變壓器的溫度是絕緣老化的一個重要因素。變壓器的溫度控制主要由兩個方面決定。一是包括變壓器空載損耗、負載損耗、漏磁損耗等在內(nèi)的各種發(fā)熱因素，另一方面是變壓器的散熱能力。這兩方面最終決定了變壓器的運行溫度。對于運行中的變壓器，其發(fā)熱因素是固定的或不可控的。自冷的散熱方式，在投入運行的變壓器中也是無法調(diào)整的。對于風(fēng)冷變壓器，我們則可以通過調(diào)整風(fēng)扇的啟動溫度，風(fēng)扇的投入數(shù)量來控制變壓器的散熱能力，進而控制變壓器的運行溫度。水分是影響絕緣老化的另一個重要因素。有研究顯示，水分在絕緣紙和變壓器油中保持與溫度有關(guān)的動態(tài)平衡。溫度的變化會引起水分不斷進出絕緣紙。從而，溫度和水分這兩個決定變壓器絕緣老化的重要因素間存在動態(tài)的相互關(guān)聯(lián)，通過對溫度的控制也可以對水分產(chǎn)生影響。目前唐山供電公司負責(zé)運行的變壓器中常見的散熱方式為ONAN(自冷)和ONAF(風(fēng)冷)。110kV以上電壓等級的油紙絕緣變壓器共有204臺，其中有110臺為風(fēng)冷變壓器。風(fēng)冷卻系統(tǒng)的控制部分由接觸器進行簡單的邏輯搭接，其功能簡單，控制策略不靈活。本課題主要通過分析中外大量的試驗數(shù)據(jù)和結(jié)論，總結(jié)溫度和水分共同影響絕緣老化的機理。結(jié)合現(xiàn)場實際數(shù)據(jù)，進行必要的試驗，提出風(fēng)冷變壓器精確溫度控制的原則和必要性。通過設(shè)計新的智能型的風(fēng)冷系統(tǒng)控制裝置，改善現(xiàn)有控制方案隨意性大、方式簡單、控制效果差的缺點。通過對溫度、水分這兩個可控因素的控制，延緩變壓器老化速度，延長其安全使用壽命。 變壓器的固體絕緣 由纖維素為主構(gòu)成的變壓器絕緣紙由于浸油后具有良好的電氣絕緣性能、良好的穩(wěn)定性和低廉的造價，油紙絕緣變壓器中，纖維素材料被用作各種形式的固體絕緣材料，比如絕緣紙、絕緣紙板等。變壓器用絕緣紙和絕緣紙板一般含有約90％的纖維素，6－7％的半纖維素和大約3－4％的木質(zhì)素。纖維素是由葡萄糖基組成的聚合度很高的鏈狀高聚合碳氫化合物，新紙的聚合度（degree of polymerization 簡稱DP）可達2000。纖維素的結(jié)構(gòu)方程式如圖1所示。半纖維素的聚合度約為200或更小些，它的存在可以促進氫鍵的產(chǎn)生，這對機械強度起著決定性的作用。但是半纖維素的含量不能超過10％，否則反而會造成機械強度的下降。圖1 纖維素分子結(jié)構(gòu)圖 Fig1：Structural formula of cellulose纖維素（C6H10O5）分子結(jié)構(gòu)為鏈狀，分子中含有羥基。纖維素耐油，不易溶解；結(jié)構(gòu)上，纖維呈管狀，纖維之間多孔，因此具有很強的吸水性和吸油性；正常情況下其擊穿電壓、機械強度均不高，但浸漬變壓器油后，電氣性能非常好。因此油紙絕緣被廣泛的應(yīng)用于油浸式變壓器的絕緣結(jié)構(gòu)中[4]。圖2為纖維素制作的絕緣紙在變壓器絕緣結(jié)構(gòu)中的典型應(yīng)用。出線裝置壓板壓板絕緣管絕緣紙筒角環(huán)煙囪角環(huán)帶絕緣紙的銅導(dǎo)線靜電環(huán)絕緣墊塊 圖2 絕緣紙在變壓器絕緣結(jié)構(gòu)中的典型應(yīng)用 變壓器絕緣紙的特性絕緣紙的特殊用途決定了其有著與其它類型的紙材料相比，在機械性能、電氣性能和熱穩(wěn)定性等方面有著不同的特性。 機械強度絕緣紙必須有較高的機械強度，主要是抗張強度和伸長率。有關(guān)制造標(biāo)準要求，厚度為75ｕm的變壓器匝絕緣紙的縱、 kN／m，縱、% %[5]。 電氣性能絕緣紙是用于電器中的一種絕緣介質(zhì)，也稱為電介質(zhì)，除了滿足一定的物理和化學(xué)性能要求外，還必須滿足電氣性能要求。絕緣紙的電氣性能就是指其在電場作用下發(fā)生的極化、電導(dǎo)、介質(zhì)損耗和擊穿特性。因為構(gòu)成絕緣紙的纖維素分子中含有羥基，具有一定的極性，因此絕緣紙的介電常數(shù)較大。20攝氏度時，在工頻電壓下。20℃時，纖維素的電導(dǎo)率約為l0－14Ωcm－1。當(dāng)絕緣紙中雜質(zhì)和水分含量高時，其導(dǎo)電性能會增大，導(dǎo)致泄漏電流值增大。這在絕緣紙的生產(chǎn)過程中和絕緣紙的使用過程中需要我們給予重視，要嚴格控制絕緣紙產(chǎn)品中的雜質(zhì)和水分含量。%，水分控制在6% ～9%范圍內(nèi)。對于變壓器所用的絕緣紙來說，介質(zhì)損耗是一個非常重要的指標(biāo)。在100℃，而金屬離子的存在會增加電導(dǎo)損耗因此制造工藝標(biāo)準要求變壓器匝絕緣紙灰分中的鈉離子含量的極限值為30 mg／kg 熱穩(wěn)定性變壓器內(nèi)的絕緣材料會長時間工作在溫度較高的環(huán)境中，其熱穩(wěn)定性的大小決定了它的使用壽命。絕緣紙在高溫情況下老化過程加快，會逐步喪失它的機械和電氣性能。變壓器內(nèi)部的絕緣材料除個別地方使用熱穩(wěn)定紙之外，絕大部分的絕緣材料都為A級絕緣。A級絕緣的定義：IEC: 在105攝氏度的溫度下，連續(xù)工作7年后，絕緣材料的機械強度的降低小于50%。IEEE: 在110攝氏度的溫度下，連續(xù)工作65000小時后，絕緣材料的機械強度的降低小于50%。 《電氣絕緣耐熱性分級》（GB/T 110212007）中也有類似的規(guī)定[6]，標(biāo)定的耐熱等級為105攝氏度。 變壓器固體絕緣的老化 纖維素的化學(xué)、物理結(jié)構(gòu)絕緣紙中的主要化學(xué)成分是纖維素。纖維素是由許多D－吡喃型葡萄糖彼此以1，4β苷鍵連接而成的線性高分子聚合物。纖維素是一種天然的高分子化合物，其分子結(jié)構(gòu)中有環(huán)狀結(jié)構(gòu)，環(huán)和環(huán)之間是醚鍵連接的，每一個六角環(huán)中有一個氧原子，每一個環(huán)上連有3 個羥基，其中有一個是伯醇，反應(yīng)能力較強，而醚鍵具有一定的柔軟性，羥基具有一定的極性和親水性，纖維素大分子內(nèi)部或分子間都可以生成氫鍵。而纖維素的老化本質(zhì)上就是這些化學(xué)鍵在外接因素影響下發(fā)生斷裂。變壓器固體絕緣的老化，歸根結(jié)底就是固體絕緣材料的主要構(gòu)成部分――纖維素的老化過程。纖維素是由葡萄糖單體通過化學(xué)鍵結(jié)合構(gòu)成的自然大分子化合物，其自然形態(tài)為鏈狀。纖維素的老化就是在電場、機械力、氧氣、水分、酸性物質(zhì)等各種因素綜合作用下，纖維素鏈狀分子持續(xù)發(fā)生斷裂的過程，這種斷裂往往發(fā)生在兩個葡萄糖單體鍵聯(lián)絡(luò)的化學(xué)鍵位置。圖3為變壓器中固體絕緣材料的老化機理示意圖。 變壓器油氧化 外部氧氣的侵入 CO2 CO 水 CO2纖維素氧化 氧氣高溫分解水解酸水酸脫水解聚作用左旋葡聚糖分裂左旋葡聚糖分子鏈斷裂水氧氣COCO2呋喃型化合物溫度 圖3 變壓器固體絕緣老化機理示意圖在整個老化過程中，纖維素分子鏈長不斷變小。相應(yīng)的絕緣紙的延展性和機械性能不斷下降。表征纖維素老化程度的最好的參數(shù)是纖維素的聚合度（DP－ degree of polymerisation ）。纖維素的分子式可以表示為(C6H10O5)n , n 為聚合度,表示纖維素是由多少個葡萄糖基構(gòu)成。新變壓器絕緣紙的聚合度一般在1000－1200之間，隨著絕緣紙的老化，通常認為當(dāng)絕緣紙的聚合度達500時為壽命中期，聚合度達到200（或250）時，絕緣紙的壽命已經(jīng)到達極限。此時變壓器絕緣紙的機械強度降低到了初始機械強度的50％以下，機械力的喪失開始急劇加速。這種情況下，變壓器內(nèi)部的絕緣紙等由纖維素構(gòu)成的固體絕緣強度已經(jīng)無法承受外來大的沖擊的影響。類似出口或近區(qū)短路故障的故障電流引起的電動力往往會對變壓器造成損壞。絕緣紙的老化形式主要有電老化、熱老化、機械力老化、水分參與的老化等幾種。電老化是指絕緣紙在運行變壓器中強電場的作用下，由于局部放電等情況逐步造成的絕緣紙電氣性能的退化和機械性能的老化。盡管絕緣紙浸變壓器油后，絕緣性能非常良好。但我們無法排除生產(chǎn)和安裝過程中絕緣系統(tǒng)內(nèi)部會存在一些或大或小的微觀缺陷，同時一些通過各種途徑進入絕緣系統(tǒng)的微粒也會造成內(nèi)部電場的畸變，進