【正文】 冷變壓器精確溫度控制的原則和必要性。 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。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。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。通過分析，確定氧氣、水分、溫度是影響絕緣紙老化的最終要的幾個因素。我們利用氣象色譜儀依據(jù)《變壓器油中氣體分析和判斷導(dǎo)則》（DL7222000）可以準確的測量出變壓器油中的CO、CO2氣體含量，從而用來判斷變壓器固體絕緣老化情況。有研究數(shù)據(jù)顯示，絕緣紙的聚合度和紙張的抗張強度有著對應(yīng)的關(guān)系。或是不能采集到老化嚴重的部位，從而使聚合度計算結(jié)果高于老化嚴重部位的絕緣紙聚合度；或是，采樣部位的絕緣紙在異常情況下（比如引線焊接不良發(fā)熱造成的外包絕緣紙）局部老化嚴重，造成所得的聚合度計算結(jié)果不能代表變壓器內(nèi)部整體絕緣情況?？啡瑢W(xué)名呋喃甲醛,是具有苦杏仁味的淺黃色透明液體, ～ g/ cm3 , ～ ℃, 分子式為C5H4O2 , ,易溶于醇和醚。絕緣油中的糠醛含量與代表絕緣紙老化的聚合度之間有較好的線性關(guān)系，關(guān)于這種對應(yīng)關(guān)系，有近似的公式描述。這種分布與溫度有關(guān)，因此當溫度變化的時候，我們測得變壓器油中的糠醛濃度會有變化。這種情況主要是對應(yīng)于短期應(yīng)急負荷或是故障電流流過變壓器繞組時，在變壓器內(nèi)部最熱點產(chǎn)生的超出預(yù)期和設(shè)計目標的高溫情況。相對老化率以變壓器熱點溫度為98攝氏度時的絕緣老化速率為1。而同時水分又是纖維素氧化反應(yīng)的催化劑，參與各種纖維素的老化反應(yīng)。再有，絕緣紙內(nèi)的水分受熱脫離絕緣紙后，會在內(nèi)部留下空隙，從而造成絕緣薄弱的環(huán)節(jié)。匯總試驗所得數(shù)據(jù)，繪制出不同溫度下樣品聚合度變化時間曲線（圖6）、不同溫度下絕緣紙中水分含量變化時間曲線（圖7 ）、95℃時不同初始含水量的絕緣紙聚合度變化時間曲線（圖8）。這樣影響纖維素老化的兩大因素見就產(chǎn)生了聯(lián)動關(guān)系。水分含量、壓力、溫度在不同的情況下作為主要因素影響著水分的運動過程和分布情況。 （式 2－5）式中：C 絕緣紙/板中的微水濃度(%)D 為微水在油紙絕緣中的擴散系數(shù)，m2/st 為時間，s試驗假設(shè)水分的移動只發(fā)生在絕緣紙的正反兩面，因為相對面積很小因此絕緣紙的側(cè)面被忽略。這種化學(xué)鍵在高溫水及酸性環(huán)境的影響下非常容易斷裂。mol1以下，比共價鍵的鍵能小得多，而與分子間力更為接近些，因此氫鍵的形成和破壞所需的活化能較小。由于試驗用變壓器油為新品，因此認為其中不含有糠醛。同時標號為1的兩組樣品仍置于恒溫箱內(nèi)。這樣的容器即保證了良好的密封性又可以滿足變壓器油在高溫下的膨脹要求。因為本次試驗主要是考慮水分對纖維素老化的影響，因此試品的含水率考慮可以盡量的大些。這也是水分對纖維老化影響的一個主要原因。纖維素的晶粒較小，分布較分散且不規(guī)則。經(jīng)過一段時間后（平衡時間）后，水分再次在油紙之間達到穩(wěn)定的平衡分布。 式 （25）式中： S—水分在變壓器油中的溶解度 μl/L T— 絕對溫度A— 水分溶解度公式中的系數(shù)，B— 水分溶解度公式中的系數(shù)，一般為1567－1670第二，由于構(gòu)成油紙絕緣變壓器固體絕緣材料的主要成分纖維素，為多孔結(jié)構(gòu)，且為極性分子。在試驗的第一階段，水分在95攝氏度的試驗溫度下快速的從纖維素中脫離，這一階段對應(yīng)著纖維素聚合度的一個急速下降；第二個階段中，正比關(guān)系最為明顯，纖維素老化速率逐漸降低；在第三個階段中，出現(xiàn)了老化速率的加速過程，這被認為是外部水分進入纖維素所造成的。為了考察溫度對纖維素老化的影響，試驗環(huán)境溫度分別被設(shè)定在75℃、85℃、95℃。熱老化時間 h不同含水量條件下油中糠醛含量 （mg/L）%1%%2%%%4896144表2 不同含水量的絕緣紙的老化情況 圖5 120攝氏度時水分對絕緣紙老化速度的影響另外，從絕緣紙電氣老化的角度而言，水分的影響也是不容忽視的。對應(yīng)表1給出的相對老化速率的數(shù)據(jù)，近似使用六度法則，我們會發(fā)現(xiàn)在正常的運行溫度下，其實變壓器的熱老化速率已經(jīng)非常的不嚴重了。在大約80－140度的溫度范圍內(nèi)，溫度系數(shù)p基本可以保持不變，溫度每增加6度，變壓器的絕緣老化速度將增加一倍，即六度法則[15]。總體而言，纖維素受溫度影響發(fā)生的老化應(yīng)該屬于高溫解裂。選用強極性的甲醇為萃取劑,把變壓器油中的糠醛萃取出來,然后再用非極性(反相) C18色譜柱對萃取液中的糠醛進行分離,同時,選用高靈敏度的紫外檢測器對色譜柱分離出的糠醛進行檢測。運行年限1－5年5－10年10－15年15－20年糠醛含量（mg/l）表1 運行中變壓器糠醛含量參考表要用糠醛來表征變壓器固體絕緣的老化情況，我們有必要在變壓器油中糠醛含量和變壓器固體絕緣機械強度間建立起對應(yīng)關(guān)系。5methylfurfural，非常不穩(wěn)定，在產(chǎn)生后會很快消失。首先，試驗中需要對變壓器的絕緣紙進行采樣。n表示有多少個葡萄糖分子鏈接在一起構(gòu)成了一條纖維素分子鏈。如果在較高溫度下纖維素發(fā)生裂解，在生成水分的同時還會生成大量的CO和CO2。這是因為，水分不僅參與 多種形式的老化反應(yīng)過程，同時其本身又是絕緣紙老化的產(chǎn)物。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。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%。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。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)。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。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。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，%。變壓器的溫度是絕緣老化的一個重要因素。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。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。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。盡管絕緣紙浸變壓器油后，絕緣性能非常良好?？紤]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。然而，采用DGA檢測變壓器油中CO、CO2 的含量的方法來描述變壓器固體絕緣正常老化狀況的方法在實際應(yīng)用中并不精確。絕緣紙的機械抗張強度對著聚合度的降低而下降。 測量纖維素分子量判斷變壓器固體絕緣老化情況 如上所述，變壓器固體絕緣的老化就是纖維素分子鏈斷裂的過程和結(jié)果。由于正常運行的油浸變壓器中，纖維素固體絕緣也出在不斷老化的過程中，盡管速度較慢。：即(f)＝。即使變壓器更換了新油或?qū)τ瓦M行了充分處理后，但由于變壓器固體絕緣中會已經(jīng)吸收一定的糠醛。另一個溫度范圍為150攝氏度以下，這一溫度一般對應(yīng)于過負荷或是冷卻系統(tǒng)發(fā)生故障的情況。通常專業(yè)領(lǐng)域認為，在這個溫度下，變壓器絕緣的老化速率可以滿足對變壓器壽命的預(yù)期要求。著將是一個正反饋模式，因此水分對纖維素老化的影響不可忽視。以上三點綜合的效果，就是容易引起絕緣紙發(fā)生局部放電，進而破壞整個絕緣系統(tǒng)。 圖6 不同溫度下樣品聚合度變化時間曲線 圖7 不同溫度下絕緣紙中水分含量變化時間曲線分析圖6所給定的曲線，我們發(fā)現(xiàn)只有在最初始的階段很短的時間內(nèi)絕緣紙的老化速率和溫度的關(guān)系符合我們的預(yù)期，也就是老化速率與溫度基本上成正比。如前所述，水分是影響纖維素老化的重要因素。比如對變壓器油進行過濾處理后，絕緣紙中和變壓器油中水分含量的不平衡性驅(qū)使水分由固體絕緣中向變壓器油中運動；在真空脫水的過程中，壓力成為水分脫離固體絕緣的動力；而在變壓器的運行過程中，溫度的變化則是水分在變壓器油和固體絕緣中運動的主要決定因素。試驗數(shù)據(jù)驗證了前面提到的，溫度對水分在變壓器油和固體絕緣間交換有著重要影響的論斷，得出了溫度與平衡時間成線性關(guān)系的結(jié)論。而運行中的變壓器中恰恰這兩種環(huán)境都存在。再考慮變壓器運行過程中，纖維素所處環(huán)境溫度相對較高，因此在水分脫離纖維素的過程中，氫鍵當然會發(fā)生斷裂。對于試驗樣品，我們用高效液相色譜儀對試品變壓器油中的糠醛含量進行檢測。冷卻結(jié)束后，將標號為2的樣品再次置于恒溫箱內(nèi)，同標號為1的樣品同時加熱。容器上端用法蘭和膠墊進行密封。絕緣紙進行適當?shù)钠扑橐约铀倮匣^程。因此，纖維素原有的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)必然會遭到一定的破壞。和其它大分子材料一樣，絕緣紙中的纖維素分子也存在晶區(qū)和非晶區(qū)，其中約70%的纖維素處于晶區(qū)之中,其余30%為無定型部分。當溫度從一個溫度變到另一個溫度時，水分總要從一種物質(zhì)里進入到另一種物質(zhì)里。 圖9 水分在變壓器油中溶解度的溫度曲線水分在變壓器油中的溶解度可以用式 （25）描述?？傮w上講，試驗環(huán)境溫度確定的情況下，纖維素的老化速率與含水量基本上成正比關(guān)系。具體的試驗情況如下：為了考察水分對纖維素老化的影響，絕緣紙樣品的初始水分含量分別為1%、4%、10%。表5是在120攝氏度進行老化試驗時得到的絕緣紙老化速率與含水量的關(guān)系圖，與以上兩個試驗的結(jié)論基本一致，也證明了絕緣紙含水量與老化速度基本上成正比。分析表中數(shù)據(jù)，我們可以得出結(jié)論：大部分的變壓器，即使在重負荷的條件下，其熱點溫度也不會很高。通過對式（21）、(22)、（23）的分析，我們可以得到一個關(guān)于變壓器絕緣熱老化的重要結(jié)論。前面已經(jīng)討論過，纖維素的長鏈分子實際是很多個葡萄糖分子單體間通過化學(xué)鍵進行連接。其原理是基于糠醛為一種極性化合物,分子結(jié)構(gòu)內(nèi)存在一多元共軛體系,該分子在紫外光區(qū)有吸收。超過表中提供的參考值，應(yīng)跟蹤檢測。這些產(chǎn)物也隨時間處于不斷退化過程中。 DP＝(η)/K 式（22