变压器油纸绝缘老化的频域介质响应试验及仿真研究

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1、重庆大学硕士学位论文1绪论纤维素是一种天然的高分子化合物，其分之结构中有环状结构，环和环之间是醚键连接的，每一个六角环中有一个氧原子，每一个环上连有三个羟基，其中有一个是伯醇，反应能力较强，而醚键具有一定的柔软性，羟基具有一定的极性和亲水性，纤维素大分子内部或分之间都可以生成氢键[16]。纤维素的分子结构式如图1.1所示[17]，是由许多D-吡喃型葡萄糖彼此以1,4-β-苷键连接而成的线性高分子聚合物。图1.1绝缘纸纤维素中葡萄糖单体分子结构式Fig.1.1Figureofanhydroglucose-mono

2、mericunits绝缘纸同样会由于在变压器运行过程中受到电、热、机械等多种应力的综合作用而发生老化，导致其电气性能和机械强度逐渐降低。变压器固体绝缘纤维素大分子的老化过程就是纤维素的降解过程，它是由水解、氧化裂解、光化学裂解、热裂解、微生物分解等[18]多种外界因素、多种降解过程综合作用的结果，但起主要作用的是水解、氧化降解和热降解三种降解方式[19-22]。①水解由于纤维素大分子中的1,4-β-苷键对于高温、水及酸的水溶液的作用是不稳定的，容易断裂导致水解反应的产生，生成自由糖，从而使得纤维素的聚合度降低，

3、使纤维缩短、变弱。由于纤维素中相邻两个葡萄糖环与水发生氧化反应生成两个OH基，导致聚合物分裂为两部分，同时每次分裂消耗1个水分子。因而绝缘材料中所含水分越多，纤维素的水解速度就越快。同时，绝缘油中的酸起着催化作用，加速了水解反应的速度。②氧化降解由于纤维素中的葡萄糖基上存在醇羟基，其化学性质很活泼，非常容易被氧化剂氧化，根据不同条件生成醛基、酮基或羧基。再进一步反应，可引起聚合物断链。在变压器中，除了外部渗入的少量氧和器身内部残留的氧之外，变压器油的老化产物中也含有不容忽视的氧化剂。纤维素纸葡萄糖环中的碳原子含

4、有醇基(CH2OH)，由于其化学性活泼，第六位4重庆大学硕士学位论文1绪论碳原子很容易被氧侵袭生成醛基，醛基再氧化变成羧基，由于同分异构化，在葡萄糖昔碳上产生双键。导致葡萄糖昔碳键变得很不牢固发生水解。由于羧基发生水解时纤维素链断裂，因此醇羧基的氧化归根到底是纤维素链发生水解。③热降解纤维素分子链发生解环或断裂即热降解。当温度超过150℃～240℃时，纤维素结构中的化学结合水开始被脱除，并有去氢反应。如果温度再高，纤维素大分子的一些C－C键和苷键逐渐断开，并产生低分子挥发性产物及其他产物。当温度升高到700℃以

5、上时，逐渐发生碳化。在变压器中，纤维素热降解主要生成葡萄糖、水分、CO、CO2和有机酸等。由以上分析可知，由于受电、热、机械、化学等多种应力的综合作用，绝缘纸和绝缘油在运行过程中其内部的大分子链不断老化降解为小分子链，使得油纸绝缘的微观结构发生改变。而微观结构的改变必将引起其介质响应特性的变化。同时，油纸绝缘系统在不断老化的过程中会产生水、酸性化合物及其他极性小分子物质，这些极性分子将影响绝缘系统的极化特性，同时也会对介电响应特性有所影响。故变压器油纸绝缘老化的状态信息可通过介电响应法进行评估诊断。1.1油纸绝

6、缘老化诊断的判据始于上世纪60年代的变压器油纸绝缘老化研究，到目前为止，基本上有三种公认的油纸绝缘老化判据[23-28]：①CO、CO2含量IEC导则推荐以CO/CO2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；日本田村等人测定了（CO＋CO2）生成量与绝缘纸平均聚合度残留率的关系，结论是当（CO＋CO2）生成量约为1mL/g时，平均聚合度残留率为50%；（CO＋CO2）生成量约为3m

7、L/g，平均聚合度残留率为30%。这种利用变压器单位纸重分解并溶于油中碳的氧化物总量即（CO＋CO2）mL/g来诊断变压器油纸绝缘老化的方法虽有一定的参考价值，但是国产变压器的材料、绝缘结构及油纸比例等随电压等级、型号、容量、生产工艺及年代的不同而有很大差别，故每台变压器中绝缘纸的合计质量不可能完全搞清，仅凭部分实测统计数据及模拟试验不足以作为判据适用于各种类型的变压器。此外，变压器运行环境的变化也会使CO及CO2的含量在一年中有较大的波动，因而难以用某一次的测试结果来准确反映变压器绝缘老化的状况。②油中糠醛含

8、量糠醛是一种呋喃类化合物，在常温下和变压器运行温度范围内呈液态。油中5重庆大学硕士学位论文1绪论糠醛是由于变压器绝缘纸在运行过程中不断老化而产生的，并且只来源于绝缘纸的老化分解。DL/T596－1996《电力设备预防性试验》中详细规定了非正常老化和严重老化的糠醛含量限值，当糠醛含量达到0.5mg/L时，变压器的整体绝缘水平处于其寿命中期；当糠醛含量大于4mg/L时变压器的整体绝缘水平处