论文部分内容阅读
【摘 要】 变压器是变电所的重要设备，对电力系统稳定运行影响很大，而油纸绝缘是影响变压器寿命的决定因素，该文利用油色谱对变压器油中气体进行在线监测。通过采集数据，分析发现油中（CO+CO2）气体含量能够很好的反应变压器油中绝缘纸的聚合度，从反应出油纸绝缘老化速率，进而判定变压器的使用寿命。研究发现：油中气体含量的增加会加速绝缘老化的速率。
【关键词】 油纸绝缘;油色谱;老化;速率
In transformer oil gas content on the influence of Oiled paper insulation aging rate
SHU Ping
【Abstract】 State Grid Electric Power Company Panzhihua Power Supply Company of Sichuan Province， 617067， ChinaAbstract：The transformer is the important equipment， traction substations of high-speed railway PDL， and has great influence on cone insulation is transformer's life deciding factor， this paper use oil chromatographic of transformer oil gas online monitoring. Through the data collected， Founding oil gas can be good reaction， which reflects the degree of polymerization rate of ageing， so that the insulation oilpaper transformer can judge the using life. Research found that the increase of the content of oil gas will accelerate the rate of insulation aging.
【Key Words】 Oiled paper insulation; Oil chromatographic; Aging;Rate
引言：
随着现代电网装机容量的增加，对变压器容量的要求也越来越高。目前可以通过测试糠醛含量、绝缘纸纸聚合度（DP）、油中酸值、油中水分含量、油中气体分析（DGA）、抗拉强度（TS）[1]、TGA与DSC[2]测量，此外，还有基于时域介质响应技术的频域谱分析（FDS）[3]、极化/去极化电流（PDC）[4]和回复电压法（RVM）[5]。虽然糠醛仅仅来源于绝缘纸等纤维素材料的老化分解，但由于变压器本身装有热虹吸过滤器，内含硅胶吸附剂，还有部分活性氧化铝，油中一部分糠醛通過油流循环被活性氧化铝吸附去，从而影响测试结果。而PDC和RVM目前处于研究状态，还没有成型。其它几种测试方法因为取材很不方面，在现场不能及时有效的反应出老化速率，因此目前很少应用于现场。采用DGA技术能够很好的对油中气体进行在线监测，能够很快的反应出油纸绝缘的老化速率，因此得到了广泛应用。
1 油纸绝缘老化的特征
1.1绝缘油的老化
变压器油主要是以烷烃、环烷烃和少部分芳香烃为主。变压器在运行中，特别是在刚投运时，会受到电场、氧气、温度、水分以及外界环境等诸多因素的影响，会发生一系列化学反应，比如氧化、碳化和裂化等。生成低分子烃类气体以及某些氧化物等。变压油的老化主要由氧化导致，氧化过程中会生成少量的CO和CO2。但是随着变压器的日久运行，CO和CO2的含量会越来越多，将会成为油中溶解气体的主要成分，最终影响变压器的正常运行。绝缘油在老化过程中还会产生部分H2，以及少量低分子的烃类气体。
1.2绝缘纸的老化
绝缘纸在变压器长久运行中同样会发生一系列的化学反应。比如水解降解、热解降解和氧化降解等[6]。
纤维素中的葡萄糖基（C6H10O5）中1—4配糖键在高温水和酸的水溶液的作用下容易水解。当油中的氧含量较多时，一部分氢便会与氧结合生成水，导致水解进一步加速。文献[7]中表明：油纸氧化过程中产生的低分子酸越多、纸中水分越高都会加速水解反应。
热解一般只会发生在纤维素分子链的尾端，把最后一个环链断开，产生CO和CO2等多种气体，以及生产糠醛及其他呋喃化合物等液体，还有固定的碳[7]。由于纤维素纸中葡萄糖环的碳原子存在醇羟基（CH2OH），其化学性质比较活泼，于是氧很可能侵袭第六位C原子，形成醛基，进而加速氧化生成羧基。而且由于同分异构化现象，容易在葡萄糖苷碳上形成双键。于是就变得很不牢固，更加容易发生水解。羧基发生水解时纤维素迅速链断裂，因此醇羟基的氧化归根到底是纤维素链发生水解断裂。
2 老化现象
变压器油纸绝缘老化主要受氧气、水分、温度的影响。由于变压器是全密闭的，大型电力变压器储油柜中均自带有隔膜呼吸装置和胶囊，运行过程中生成的氧气和水分将大大被吸收，因此氧气和水分的含量对油纸绝缘的影响被降低到最低水平，所以油纸绝缘老化主要受温度影响，且IECC57.91[9]也规定了影响变压器绝缘使用寿命的主要因素是温度。
目前，研究油纸绝缘老化主要是以单因子作为变量来进行，本文也是基于温度作为变量来分析在不同温度下，以老化生产的产物来判断其老化速率。
糠醛是绝缘纸老化过程中产生的一种呋喃类化合物，仅仅来源于纤维素老化的分解，通过其含量可以准确的判断其老化程度。而且由于糠醛与聚合度之间存在着以下关系： lg（Fur）=1.51—0.0035DP
式中 DP—绝缘纸聚合度;lg（Fur）—聚合度对应的绝缘纸糠醛含量的对数值。
它们之间关系如图1所示。
图1 油中糠醛含量与聚合度的线性关系
Fig.1 the linear relationship of Furan content in oil and the degree of polymerization
从图中可以看出：绝缘纸聚合度与糠醛浓度的对数值成线性关系。
研究发现：无论什么情况下，平均聚合度与糠醛含量、丙酮含量、气体含量和剩余拉伸强度之间都存在一定的关系[10]，此外，丙酮也是诊断绝缘老化的一种很有效的老化生成物，它们的关系如图2所示。
图2 老化程度诊断指标之间的相互关系
Fig.2 the linear relationship of Aging degree and diagnostic indices
因此我们可以通过糠醛和CO+CO2的含量的来反应聚合度。当平均聚合度下降到500时，变压器的整体绝缘寿命已进入中期;而当平均聚合度下降到250时，变压器的整体绝缘寿命已到晚期[10]。表1是美国对9224台矿物油油浸电力变压器的统计分析[12]。
表1 油中糠醛含量的判断数据
Table1. The judgment data of the Furan content in oil
糠醛含量 相对聚合
度DP值 诊断意见 建议测试周期
含量/μgL--1 统计率/%
<100 75 444—1200 正常 1年
101—250 12 333—443 已有疑问 6个月
251—1000 9.5 237—332 明显老化 6个月
1001—2500 2 217—236 可靠性降低 6个月
>2500 1.5 <217 需更换或改造 __
3 气体含量与聚合度的关系
在DGA的7种气体（H2、CH4、C2H6、C2H4、C2H2、CO和CO2）之中，纤维素热裂解产生的气体主要有CO和CO2[13]，在同一条件下通过测试CO的含量，进而测试绝缘聚合度，从而可以直观的反映出老化速率。由于植物油中含有大量的C-O键，在高温下容易生成CO和CO2，且容易与纤维素劣化分解的碳氧化合物混合，因此判断结果很不准确。为此我们主要采用矿物油做实验，通过实验发现CO和CO2与聚合度的关系如图3、图4所示。
图3 CO与聚合度关系 图4 CO2与聚合度关系
Fig3 The relationship of CO and DP Fig.4 The relationship of CO2and DP
从图中可以看出：
CO的含量会随着聚合度的增加而减少，当聚合度低于200时，CO的含量快速增加，而在聚合度在1000左右的时候，CO的含量基本上趋于稳定状态。
CO2的含量基本上與聚合度成线性关系。CO2的含量在聚合度在600—1000的范围内可以很明显的检测出来，在聚合度在600左右的时候便达到最大。
4 结论
油纸绝缘中气体含量的多少直接关系到绝缘介质的电气性能和机械强度。通过对气体含量的分析可以准确的判断出油纸绝缘性能的好坏，研究发现：CO+CO2含量的增加会加速绝缘老化，影响绝缘寿命。通过对CO+CO2的含量分析可以准确的判断出聚合度及糠醛含量，并能及时有效的反映出绝缘老化率，因而在变压器发生故障的初期就可以很明显的反应出内部潜在故障，通过吊罩检查排除故障，从而避免重大事故的发生。
参考文献：
[1]Tapan K S.Review of modern diagnostic techniques for assessing insulation condition in aged transformers [J].IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation，2003，19（5）： 903-917.
[2]廖瑞金，巩晶，桑福敏等，利用TGA及DSC研究变压器油浸绝缘纸的老化[J]高电压技术，2010.36（3）：572-577.
LIAO Rui-jin，GONG Jing，SANG Fu-min，etal. Experimental Study on the Ageing of Transformer Oil-immersed Paper Using TGA and DSC [J].High Voltage Engineering， 2010，36 （3）：572-577.
[3]J.Blennom. Field experiences with measurements of dialectic response in frequency domain for power transformer diagnosis[J].IEEE Transformer on Power Delivery，2006，21（2）： 681-688
[4]李军浩，司文荣，姚秀等.油纸绝缘变压器老化状态评估的极化/去极化电流技术研究[J].仪器仪表学报.2009，30（12）.2605-2610.
Li Jun-hao， Si Wen-rong，YAO Xiu，etal. Study of polarization and depolarization current measurements for assessment of aging state of oil-paper insulated transformers [J] Chinese Journal of Scientific Instrument. 2009，30（12）：2605-2610. [5]李明华，董明，严璋.一种新的绝缘测试方法—回复电压法[J].高电压技术，2002.28（8）：43-45.
LI Ming-hua，DONG Ming，Yan Zhang. A New Insulation Testing Method-Return Voltage Method[J].High Voltage Engineering， 2002，28（8） ：43-45.
[6]桑福敏.电力变压器油纸绝缘老化的热分析动力学参数研究. [D]重庆大学硕士论文.2009.
[7]孙才新，陈伟根，李俭，廖瑞金.电气设备油中气体在线监测与故障诊断技术[M].北京：科学出版社，2003.
[8]L. Lundgaard， Ageing of oil Impregnated paper in power transformer[J].IEEE Transformer on Power Delivery，2004，19（1）： 230-238.
[9]叶代勇.纤维素化学研究进展[J].化工学报.2006，57（8）：1782-1791.
YE Dai-yong. Advances in cellulose chemistry[J].Journal of Chemical Industry and Engineering. 2006，57（8）：1782-1791.
[10]薛辰东.用油中糠醛含量估计变压器绝緣老化故障[R].电力部电力科学研究院，1990.
[11]程涣超.电力变压器油纸绝缘单因子热老化特性及其统计分析[D].重庆大学硕士论文.2006.
[12] J.R.Sans， Large scale survey of furanic compounds in operating Transformers and implications for estimating service life [C].IEEE International Symposium on ElectricalInsulation Arlington， USA， 1998：543-553.
[13]Kachler.Aging of celluloseat transformer service temperatures. Part 1：Influence of type of oil and air on the degree of polymerization of pressboard dissolved gases and furanic compounds in oil[J]. IEEE Electrical Insulation Magazine，2005，21（2）：15-21.
作者简介：舒萍，男，（1977—），主要从事高电压与绝缘在线监测相关方面的工作 。
【关键词】 油纸绝缘;油色谱;老化;速率
In transformer oil gas content on the influence of Oiled paper insulation aging rate
SHU Ping
【Abstract】 State Grid Electric Power Company Panzhihua Power Supply Company of Sichuan Province， 617067， ChinaAbstract：The transformer is the important equipment， traction substations of high-speed railway PDL， and has great influence on cone insulation is transformer's life deciding factor， this paper use oil chromatographic of transformer oil gas online monitoring. Through the data collected， Founding oil gas can be good reaction， which reflects the degree of polymerization rate of ageing， so that the insulation oilpaper transformer can judge the using life. Research found that the increase of the content of oil gas will accelerate the rate of insulation aging.
【Key Words】 Oiled paper insulation; Oil chromatographic; Aging;Rate
引言：
随着现代电网装机容量的增加，对变压器容量的要求也越来越高。目前可以通过测试糠醛含量、绝缘纸纸聚合度（DP）、油中酸值、油中水分含量、油中气体分析（DGA）、抗拉强度（TS）[1]、TGA与DSC[2]测量，此外，还有基于时域介质响应技术的频域谱分析（FDS）[3]、极化/去极化电流（PDC）[4]和回复电压法（RVM）[5]。虽然糠醛仅仅来源于绝缘纸等纤维素材料的老化分解，但由于变压器本身装有热虹吸过滤器，内含硅胶吸附剂，还有部分活性氧化铝，油中一部分糠醛通過油流循环被活性氧化铝吸附去，从而影响测试结果。而PDC和RVM目前处于研究状态，还没有成型。其它几种测试方法因为取材很不方面，在现场不能及时有效的反应出老化速率，因此目前很少应用于现场。采用DGA技术能够很好的对油中气体进行在线监测，能够很快的反应出油纸绝缘的老化速率，因此得到了广泛应用。
1 油纸绝缘老化的特征
1.1绝缘油的老化
变压器油主要是以烷烃、环烷烃和少部分芳香烃为主。变压器在运行中，特别是在刚投运时，会受到电场、氧气、温度、水分以及外界环境等诸多因素的影响，会发生一系列化学反应，比如氧化、碳化和裂化等。生成低分子烃类气体以及某些氧化物等。变压油的老化主要由氧化导致，氧化过程中会生成少量的CO和CO2。但是随着变压器的日久运行，CO和CO2的含量会越来越多，将会成为油中溶解气体的主要成分，最终影响变压器的正常运行。绝缘油在老化过程中还会产生部分H2，以及少量低分子的烃类气体。
1.2绝缘纸的老化
绝缘纸在变压器长久运行中同样会发生一系列的化学反应。比如水解降解、热解降解和氧化降解等[6]。
纤维素中的葡萄糖基（C6H10O5）中1—4配糖键在高温水和酸的水溶液的作用下容易水解。当油中的氧含量较多时，一部分氢便会与氧结合生成水，导致水解进一步加速。文献[7]中表明：油纸氧化过程中产生的低分子酸越多、纸中水分越高都会加速水解反应。
热解一般只会发生在纤维素分子链的尾端，把最后一个环链断开，产生CO和CO2等多种气体，以及生产糠醛及其他呋喃化合物等液体，还有固定的碳[7]。由于纤维素纸中葡萄糖环的碳原子存在醇羟基（CH2OH），其化学性质比较活泼，于是氧很可能侵袭第六位C原子，形成醛基，进而加速氧化生成羧基。而且由于同分异构化现象，容易在葡萄糖苷碳上形成双键。于是就变得很不牢固，更加容易发生水解。羧基发生水解时纤维素迅速链断裂，因此醇羟基的氧化归根到底是纤维素链发生水解断裂。
2 老化现象
变压器油纸绝缘老化主要受氧气、水分、温度的影响。由于变压器是全密闭的，大型电力变压器储油柜中均自带有隔膜呼吸装置和胶囊，运行过程中生成的氧气和水分将大大被吸收，因此氧气和水分的含量对油纸绝缘的影响被降低到最低水平，所以油纸绝缘老化主要受温度影响，且IECC57.91[9]也规定了影响变压器绝缘使用寿命的主要因素是温度。
目前，研究油纸绝缘老化主要是以单因子作为变量来进行，本文也是基于温度作为变量来分析在不同温度下，以老化生产的产物来判断其老化速率。
糠醛是绝缘纸老化过程中产生的一种呋喃类化合物，仅仅来源于纤维素老化的分解，通过其含量可以准确的判断其老化程度。而且由于糠醛与聚合度之间存在着以下关系： lg（Fur）=1.51—0.0035DP
式中 DP—绝缘纸聚合度;lg（Fur）—聚合度对应的绝缘纸糠醛含量的对数值。
它们之间关系如图1所示。
图1 油中糠醛含量与聚合度的线性关系
Fig.1 the linear relationship of Furan content in oil and the degree of polymerization
从图中可以看出：绝缘纸聚合度与糠醛浓度的对数值成线性关系。
研究发现：无论什么情况下，平均聚合度与糠醛含量、丙酮含量、气体含量和剩余拉伸强度之间都存在一定的关系[10]，此外，丙酮也是诊断绝缘老化的一种很有效的老化生成物，它们的关系如图2所示。
图2 老化程度诊断指标之间的相互关系
Fig.2 the linear relationship of Aging degree and diagnostic indices
因此我们可以通过糠醛和CO+CO2的含量的来反应聚合度。当平均聚合度下降到500时，变压器的整体绝缘寿命已进入中期;而当平均聚合度下降到250时，变压器的整体绝缘寿命已到晚期[10]。表1是美国对9224台矿物油油浸电力变压器的统计分析[12]。
表1 油中糠醛含量的判断数据
Table1. The judgment data of the Furan content in oil
糠醛含量 相对聚合
度DP值 诊断意见 建议测试周期
含量/μgL--1 统计率/%
<100 75 444—1200 正常 1年
101—250 12 333—443 已有疑问 6个月
251—1000 9.5 237—332 明显老化 6个月
1001—2500 2 217—236 可靠性降低 6个月
>2500 1.5 <217 需更换或改造 __
3 气体含量与聚合度的关系
在DGA的7种气体（H2、CH4、C2H6、C2H4、C2H2、CO和CO2）之中，纤维素热裂解产生的气体主要有CO和CO2[13]，在同一条件下通过测试CO的含量，进而测试绝缘聚合度，从而可以直观的反映出老化速率。由于植物油中含有大量的C-O键，在高温下容易生成CO和CO2，且容易与纤维素劣化分解的碳氧化合物混合，因此判断结果很不准确。为此我们主要采用矿物油做实验，通过实验发现CO和CO2与聚合度的关系如图3、图4所示。
图3 CO与聚合度关系 图4 CO2与聚合度关系
Fig3 The relationship of CO and DP Fig.4 The relationship of CO2and DP
从图中可以看出：
CO的含量会随着聚合度的增加而减少，当聚合度低于200时，CO的含量快速增加，而在聚合度在1000左右的时候，CO的含量基本上趋于稳定状态。
CO2的含量基本上與聚合度成线性关系。CO2的含量在聚合度在600—1000的范围内可以很明显的检测出来，在聚合度在600左右的时候便达到最大。
4 结论
油纸绝缘中气体含量的多少直接关系到绝缘介质的电气性能和机械强度。通过对气体含量的分析可以准确的判断出油纸绝缘性能的好坏，研究发现：CO+CO2含量的增加会加速绝缘老化，影响绝缘寿命。通过对CO+CO2的含量分析可以准确的判断出聚合度及糠醛含量，并能及时有效的反映出绝缘老化率，因而在变压器发生故障的初期就可以很明显的反应出内部潜在故障，通过吊罩检查排除故障，从而避免重大事故的发生。
参考文献：
[1]Tapan K S.Review of modern diagnostic techniques for assessing insulation condition in aged transformers [J].IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation，2003，19（5）： 903-917.
[2]廖瑞金，巩晶，桑福敏等，利用TGA及DSC研究变压器油浸绝缘纸的老化[J]高电压技术，2010.36（3）：572-577.
LIAO Rui-jin，GONG Jing，SANG Fu-min，etal. Experimental Study on the Ageing of Transformer Oil-immersed Paper Using TGA and DSC [J].High Voltage Engineering， 2010，36 （3）：572-577.
[3]J.Blennom. Field experiences with measurements of dialectic response in frequency domain for power transformer diagnosis[J].IEEE Transformer on Power Delivery，2006，21（2）： 681-688
[4]李军浩，司文荣，姚秀等.油纸绝缘变压器老化状态评估的极化/去极化电流技术研究[J].仪器仪表学报.2009，30（12）.2605-2610.
Li Jun-hao， Si Wen-rong，YAO Xiu，etal. Study of polarization and depolarization current measurements for assessment of aging state of oil-paper insulated transformers [J] Chinese Journal of Scientific Instrument. 2009，30（12）：2605-2610. [5]李明华，董明，严璋.一种新的绝缘测试方法—回复电压法[J].高电压技术，2002.28（8）：43-45.
LI Ming-hua，DONG Ming，Yan Zhang. A New Insulation Testing Method-Return Voltage Method[J].High Voltage Engineering， 2002，28（8） ：43-45.
[6]桑福敏.电力变压器油纸绝缘老化的热分析动力学参数研究. [D]重庆大学硕士论文.2009.
[7]孙才新，陈伟根，李俭，廖瑞金.电气设备油中气体在线监测与故障诊断技术[M].北京：科学出版社，2003.
[8]L. Lundgaard， Ageing of oil Impregnated paper in power transformer[J].IEEE Transformer on Power Delivery，2004，19（1）： 230-238.
[9]叶代勇.纤维素化学研究进展[J].化工学报.2006，57（8）：1782-1791.
YE Dai-yong. Advances in cellulose chemistry[J].Journal of Chemical Industry and Engineering. 2006，57（8）：1782-1791.
[10]薛辰东.用油中糠醛含量估计变压器绝緣老化故障[R].电力部电力科学研究院，1990.
[11]程涣超.电力变压器油纸绝缘单因子热老化特性及其统计分析[D].重庆大学硕士论文.2006.
[12] J.R.Sans， Large scale survey of furanic compounds in operating Transformers and implications for estimating service life [C].IEEE International Symposium on ElectricalInsulation Arlington， USA， 1998：543-553.
[13]Kachler.Aging of celluloseat transformer service temperatures. Part 1：Influence of type of oil and air on the degree of polymerization of pressboard dissolved gases and furanic compounds in oil[J]. IEEE Electrical Insulation Magazine，2005，21（2）：15-21.
作者简介：舒萍，男，（1977—），主要从事高电压与绝缘在线监测相关方面的工作 。