微纳加工与智能电气设备研究部 2017.11.03 基于油-纸体系理化特性的 变压器绝缘状态评估 1 应用背景 1 传统评估技术 2 现代状态评估技术 3 油-纸绝缘替代材料评估 4 小结 5 2 3 应用背景 n电力变压器的重要性高远距离输电不可或缺 4 应用背景 n电力变压器的重要性高变电站的核心 5 应用背景 n电力变压器的复杂性高和价值高 6 应用背景 n电力变压器“三高”决定需要时刻关注变压器的运行情况 电力变压器故障影响重大； 研究变压器早期故障监测方法； 研究长期运行后继续运行的可靠性； 发展出了电力变压器故障诊断及状态监测技术； 最重要的是绝缘状态的监测； n变压器绝缘状态评估分为两类 基于电气量：击穿电压、局部放电、介损、电阻等； 基于油-纸理化特性（油、绝缘纸变压器最重要的绝缘 介质） 应用背景 1 传统评估技术 2 现代状态评估技术 3 油-纸绝缘替代材料评估 4 小结 5 7 8 传统评估技术 1、颜色/目测 比较被测油的颜色与标准油色卡/盘； 检测透明度、是否含有悬浮物和机械杂质等 色度颜色油状态 18黑色报废油 9 传统评估技术 2、微粒数目 金属微粒、碳、湿纤维等都会影响油的绝缘水平； 检测方法：消光法、光散射法、库尔特颗粒计数法等 ASTM-D6786、IEC60970；（微粒多少反映油品质） 10 传统评估技术 3、抗氧化剂浓度 绝缘油在正常运行中会受温度、电场、机械、化学等应 力作用产生氧化裂解和碳化；为了抑制该过程，变压器 油中加入了抗氧化剂； 主要DBPC-0.08%和DBP-0.3%两类 随着变压器运行抗氧化剂一直在被消耗（需要被监测） ASTM-D3487、IEC60666； 检测方法：IR 红外光谱 HPLC 高效液相色谱 GC-MS 色谱-质谱连用 11 传统评估技术 4、油中水分含量 湿度是变压器绝缘最大“敌人” ； 固体绝缘材料中湿度提升一倍，寿命降低一半； 来源：绝缘材料中残余、空气中水分渗入、材料化学分 解等； 检测方法：油中水分：Karl Fischer滴定法1-2ppm，电容 探针法； 绝缘纸中水分（难以直接测量）：介电光谱学法；通过 测量油中水分，研究纸中水分含量； 由于油中水分、绝缘纸中水分的分布随运行情况而变化 ，使得水分的测量难以比较、难以反应真实情况。 12 传统评估技术 5、DGA（油中溶解气体分析）目前最有效的故障诊断方法 H2、O2、N2、CO、CO2、CH4、C2H4、C2H6、C2H2 等。油中溶解气体的种类和浓度反应内部故障情况； 检测方法：油色谱分析、光声光谱法等。 13 传统评估技术 5、DGA（油中溶解气体分析） 存在的问题： 错判：目前的故障判据是基于经验的，不是基于科学的形成过程 油气分离较复杂，长期可靠性 气体不是由早期故障产生； 调压开关与主油箱之间气体泄漏； 焊接过程产生C2H2等气体； 油漆、垫圈等渗气； 电化学反应（金属+水+O2）； 析气； 污染物产生气体； 添加剂和钝化剂分解产气如H2和CO2； 解决办法：AI技术 14 传统评估技术 6、酸度和界面张力分析 酸度AN，反应油中极性化合物、酸性有机物的量 通过mg KOH/g测量，（0.20mg KOH/g） 油中的酸性物质含量高反应油氧化性增强，是油老化的产 物，且导致油加速老化； 界面张力IFT，反应油劣化程度； 正常油的界面张力40-50dynes；25dynes将开始产生油泥； 油泥会沉积在绕组、冷却表面，影响冷却。 AN 与IFT有很好的对应关系；均反应油的劣化。 15 传统评估技术 7、绝缘纸老化 反应绝缘纸老化最基本的量是DP（degree of polymerization 聚合度）,反应的是纸的机械强度。（直接测量法） 通常采用粘度测定法测量，反应的是聚合链的长度；通常 在1000-1300；纸劣化会低于500； 缺点样品难以获得，侵入式测量方法。 溶解气体分析CO/CO2；（间接指标1） 缺点是CO、CO2有其他来源如油老化、空气进入 测量方法：脱气后气相色谱法测量 16 传统评估技术 7、绝缘纸老化 油中糠醛含量；（间接指标2） 缺点是糠醛热稳定性较差；对于新型绝缘纸（Thermal- Upgraded），只有老化非常严重DP150报废 油 应用背景 1 传统评估技术 2 现代状态评估技术 3 油-纸绝缘替代材料评估 4 小结 5 24 25 油-纸绝缘替代材料评估 n电力变压器两种绝缘材料：油、纸 传统上油主要采用矿物油（mineral oil）； 替代：更环保的合成油、植物油 传统的纸采用牛皮纸（Kraft）、thermal-upgraded Kraft 高强度合成纤维纸Nomex纸（性能好，价格高）杜邦 3M公司采用湿法造纸工艺新型绝缘纸（低吸湿，含水时稳定 电性能、更高的热稳定温度、不易水解、可用的机械和电气 强度） n适用于新型油-纸绝缘材料的变压器绝缘状态评估欠缺 目前的评估方式都是基于传统的油-纸绝缘体系 对于新型油-纸体系，虽然可以采取相同的评估方法，但对结 果解释会有差异，需要研究 应用背景 1 传统评估技术 2 现代状态评估技术 3 油-纸绝缘替代材料评估 4 小结 5 26 27 小结 经过多年的发展开发很多种基于理化特性的油-纸体系老 化状态评估方法； 各有自己的特点：直接方法、间接方法； 有的简单易行但精度差、有的测量准确但成本高复杂； 检测对象：聚合度、糠醛、甲醇、油中溶解气体、自由 基团、溶解老化固体产物等 检测方法：DP、HPLC，FTIR，GC-MS、电子浊度计等 目前最有效的方法：DGA-通过检测气体反应油-纸体系情况 不存在完美的方案 需要研究更有效的检测方法（拉曼光谱）、更能反应油-纸老 化的对象（甲醇等）；