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1、 高等教育自學(xué)考試畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 北京交通大學(xué)北京交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)題目: 牽引變電所變壓器常見(jiàn)故障及防范措施 姓名: 冷雪冬 專(zhuān)業(yè): 電氣工程及自動(dòng)化 工作單位: 吉林鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 職 務(wù): 學(xué) 生 準(zhǔn)考證號(hào): 291714102891 設(shè)計(jì)(論文)指導(dǎo)教師: 陳洪軍 發(fā)題日期:2015年6月 10日 完成日期:2015年6月 30日畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)評(píng)議意見(jiàn)書(shū)專(zhuān)業(yè)電氣工程及自動(dòng)化姓 名冷雪冬題目牽引變電所變壓器常見(jiàn)故障及防范措施指導(dǎo)教師評(píng)閱意見(jiàn)成績(jī)?cè)u(píng)定: 指導(dǎo)教師: 年 月 日答辯組意見(jiàn)答辯組負(fù)責(zé)人:年 月 日備注畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)任務(wù)書(shū)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)題目:牽引變電所變壓器常見(jiàn)故

2、障及防范措施一、畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)內(nèi)容本篇論文主要研究牽引變電所變壓器工作原理及結(jié)構(gòu),變壓器常見(jiàn)故障及防范措施。二、基本要求熟練掌握牽引變電所主接線,牽引變電所變壓器工作原理及結(jié)構(gòu),變壓器放電故障,變壓器絕緣故障的原因及處理。三、重點(diǎn)研究的問(wèn)題1. 牽引變電所變壓器故障類(lèi)型2. 變壓器故障產(chǎn)生的原因及解決方案3.變壓器常見(jiàn)故障的防范措施四、主要技術(shù)指標(biāo)五、其他需要說(shuō)明的問(wèn)題下達(dá)任務(wù)日期: 2015 年 06 月10 日要求完成日期: 2015 年 06 月 30 日 指導(dǎo)教師: 陳洪軍中 文 摘 要牽引變電所向電氣化鐵道或城市軌道交通電力牽引等提供電能和變換、分配電能的電氣裝置與設(shè)施。其功能是將

3、電力系統(tǒng)的三相交流電經(jīng)降壓、整流或變頻后,供電力機(jī)車(chē)和動(dòng)車(chē)組使用。 類(lèi)型與主要設(shè)施根據(jù)電力牽引采用電流制的不同,牽引變電所區(qū)分為直流、低頻交流及工頻交流三種類(lèi)型。直流牽引變電所具有降壓和整流兩種功能,主要設(shè)備有降壓變壓器及整流裝置。用于直流制電氣化鐵路、礦山與城市軌道交通電力牽引系統(tǒng)。低頻交流牽引變電所具有降壓和變頻兩種功能,主要設(shè)備有降壓變壓器、變頻設(shè)備和升壓變壓器。電力系統(tǒng)的三相工頻交流電,經(jīng)降壓并將工頻變換成低頻162/3Hz,供具有單相整流子牽引電機(jī)的機(jī)車(chē)使用。這種牽引變電所在西歐一些國(guó)家(德國(guó)、瑞士、瑞典等)得到采用。工頻交流牽引變電所的主要功能是降壓,主要設(shè)備是降壓變壓器,以及無(wú)功

4、、諧波綜合補(bǔ)償裝置等,隨著工頻交流電力牽引制的發(fā)展,這類(lèi)牽引變電所在中國(guó)、歐洲等不少?lài)?guó)家得到廣泛應(yīng)用。關(guān)鍵字:牽引變電所 變壓器 整流 電力系統(tǒng)目 錄第1章 緒 論11.1 概述11.2 牽引變配電所外部電源11.3 牽引變配電所的主接線11.3.1 開(kāi)閉所21.3.2 分區(qū)亭21.3.3 AT所21.3.4 變配電所變壓器2第2章 變壓器工作原理及結(jié)構(gòu)42.1 變壓器工作原理42.2 變壓器的結(jié)構(gòu)4第3章 短路電流引起的故障63.1 短路電流引起的故障63.2 短路電流的防范措施7第4章 變壓器放電故障及影響94.1 放電故障對(duì)變壓器的影響94.2 變壓器局部放電故障94.3 變壓器火花放電

5、故障114.4 變壓器電弧放電故障124.5 變壓器放電故障防范措施12第5章 變壓器絕緣故障145.1 固體紙絕緣故障145.2 液體油絕緣故障175.3 變壓器油的性能175.4 變壓器油劣化的原因185.5 變壓器油劣化的過(guò)程185.6 變壓器油質(zhì)分析、判斷利維護(hù)處理19參考文獻(xiàn)22第一章 緒 論1.1 概述牽引變配電所的功能是將三相的110KV(或220 KV)高壓交流電變換為兩個(gè)單相的27.5KV的交流電,然后向鐵路上、下行兩個(gè)方向的接觸網(wǎng)(額定電壓為25KV)供電。牽引變電所為了完成接受電能,高壓和分配電能的工作,其電氣主接線可分為兩部分,一次主接線和二次接線。本設(shè)計(jì)完成一次主接線

6、設(shè)計(jì),比較七種不同的基本接線形式和選定變壓器結(jié)線方式,設(shè)計(jì)出以斯科特結(jié)線變壓器為主變壓器的雙T接線AT供電系統(tǒng)牽引變電所。1.2 牽引變配電所外部電源牽引供電系統(tǒng)一般又由鐵路以外的容量較大的電力系統(tǒng)供電。電力系統(tǒng)有許多種電等級(jí)網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備,其中110KV及以上電壓等級(jí)的輸電線路,用區(qū)域變電所中的變壓器聯(lián)系起來(lái),主要用于輸送強(qiáng)大電力,利用它們向電氣化鐵路的牽引變電所輸送電力,供電牽引用力。為了保證供電的可靠性,由電力系統(tǒng)送到牽引變電所高壓輸電線路無(wú)一例外地為雙回線。兩條雙回線互為備用,平時(shí)均處于帶點(diǎn)狀態(tài),一旦一條回路發(fā)生供電故障,另一條會(huì)自動(dòng)投入,從而保證不間斷供電。1.3 牽引變配電所的主接線牽

7、引變電所(包括分區(qū)亭、開(kāi)閉所,AT所等),為了完成接受電能,高壓和分配電能的工作,其電氣接線可分為兩大部分:一次接線(主接線)和二次接線。主接線是指牽引變電所內(nèi)一次主設(shè)備(即高壓、強(qiáng)電流設(shè)備)的聯(lián)接方式,也是變電所接受電能、變壓和分配電能的通路。它反映了牽引變電所的基本結(jié)構(gòu)和功能。二次接線是指牽引變電所內(nèi)二次設(shè)備(即低電壓、弱電流的設(shè)備)的聯(lián)接方式。其作用是對(duì)主接線中的設(shè)備工作狀態(tài)進(jìn)行控制,監(jiān)察、測(cè)量以及實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)與運(yùn)動(dòng)化等。二次接線對(duì)一次主設(shè)備的安全可靠運(yùn)行起著重要作用。  主接線是根據(jù)變電所的容量規(guī)模、性能要求、電源條件及配電出線的要求確定的,其基本主接線型式有:?jiǎn)文妇€分段接線

8、、勞旁路母線的單母線分段接線、雙母線接線、橋式接線、雙T式(即分支式)接線等。 開(kāi)閉所所謂開(kāi)閉所,是指不進(jìn)行電壓變換而用開(kāi)關(guān)設(shè)備實(shí)現(xiàn)電路開(kāi)閉的配電所,一般有兩條進(jìn)線,然后多路饋出向樞紐戰(zhàn)場(chǎng)接觸各分段供電。進(jìn)線和出線均經(jīng)過(guò)斷路器,以實(shí)現(xiàn)接觸網(wǎng)各分段停、供電靈活運(yùn)行的目的。又由于斷路器對(duì)接觸網(wǎng)短路故障進(jìn)行保護(hù),從而可以縮小事故停電范圍。 分區(qū)亭分區(qū)亭設(shè)于兩個(gè)牽引變電所的中間,可使相鄰的接觸網(wǎng)供電區(qū)段(同一供電臂的上、下行或兩相鄰變電所的兩供電臂)實(shí)現(xiàn)并聯(lián)或單獨(dú)工作。如果分區(qū)廳兩側(cè)的某一區(qū)段接觸網(wǎng)發(fā)生短路故障,可由供電的牽引變電所饋電線斷路器及分區(qū)亭斷路器,在繼電保護(hù)的作用下自動(dòng)跳閘,將故障段接觸網(wǎng)

9、切除,而非故障段的接觸網(wǎng)仍照常工作,從而使事故范圍縮小一半。1.3.3 AT所牽引網(wǎng)采用AT供電方式時(shí),在鐵路沿線每隔10km左右設(shè)置一臺(tái)自耦變壓器AT,該設(shè)置處所稱(chēng)做AT所。 變配電所變壓器牽引變電所內(nèi)的變壓器,根據(jù)用途不同,分為主變壓器(牽引變壓器)、動(dòng)力變壓器、自耦變壓器(AT)、所用變壓器幾種;根據(jù)接線方式不同,又有單相變壓器、三相變壓器、三相-二相變壓器等。盡管變壓器的類(lèi)型、容量、電壓等級(jí)千差萬(wàn)別,但其基本原理都是一樣的,其作用都是變換電壓,傳輸電能,以供給不同的電負(fù)荷。適合電力機(jī)車(chē)使用的27.5KV的單相電。由于牽引負(fù)荷具有極度不穩(wěn)定、短路故障多、諧波含量大等特點(diǎn),運(yùn)行環(huán)境比一般電

10、力負(fù)荷惡劣的多,因此要求牽引變壓器過(guò)負(fù)荷和抗短路沖擊的能力要強(qiáng),這也是牽引變壓器區(qū)別于一般電力變壓器的特點(diǎn)。動(dòng)力變壓器一般是給本所以外的非牽引負(fù)荷供電,電壓等級(jí)一般為27.5/10KV,容量從幾百至幾千KVA不等。自耦變壓器(AT)是AT供電的專(zhuān)用變壓器,自身阻抗很小,一般沿牽引網(wǎng)每1020km設(shè)一臺(tái),用以降低線路阻抗,提高網(wǎng)壓水平及減少通信干擾用干擾。所用變壓器(又稱(chēng)自用電變壓器)是給本所的二次設(shè)備、檢修設(shè)備以及日常生活、照明負(fù)荷供電的設(shè)備,電壓一般為27.5/0.4KV或27.5/0.23KV,容量從幾十至幾百KVA不等。第二章 變壓器工作原理及結(jié)構(gòu)2.1 變壓器工作原理當(dāng)變壓器一次側(cè)施加

11、交流電壓,流過(guò)一次繞組的電流,則該電流在鐵芯中會(huì)產(chǎn)生交變磁通,使一次繞組和二次繞組發(fā)生電磁聯(lián)系,根據(jù)電磁感應(yīng)原理,交變磁通穿過(guò)這兩的繞組就會(huì)感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì),其大小與繞組匝數(shù)以及主磁通的最大值成正比,繞組匝數(shù)多的一側(cè)電壓高,繞組匝數(shù)少的一側(cè)電壓低,當(dāng)變壓器二次側(cè)開(kāi)路,即變壓器空載時(shí),一二次端電壓與一二次繞組匝數(shù)成正比,變壓器啟動(dòng)到變換電壓的目的。當(dāng)變壓器二次側(cè)接入負(fù)載后,在電動(dòng)勢(shì)E2的作用下,將有二次電流通過(guò),該電流產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì),也將作用在同一鐵芯上,起到反向去磁作用,但因主磁通取決于電源電壓,而U1基本保持不變,故一次繞組電流必將自動(dòng)增加一個(gè)分量產(chǎn)生磁動(dòng)勢(shì)F1,以抵消二次繞組電流所產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)F

12、2,在一二次繞組電流L1、L2作用下,作用在鐵芯上的總磁動(dòng)勢(shì)(不計(jì)空載電流I0),由式可知,I1和I2相同,所以由式可知,一二次電流比與一二次電壓比互為倒數(shù),變壓器一二次繞組功率基本不變,(因變壓器自身?yè)p耗較其傳輸功率相對(duì)較?。?,二次繞組電流I2的大小取決于負(fù)載的需要,所以一次繞組電流I1的大小也取決于負(fù)載的需要,變壓器起到了功率傳遞的作用。2.2 變壓器的結(jié)構(gòu)鐵心是變壓器中主要的磁路部分。通常是由含硅量較高,厚度為 0.35 或 0.5 mm,表面涂有絕緣漆的熱軋或冷軋硅鋼片疊裝而成。鐵心分為鐵心柱和鐵軛倆部分,鐵心柱套有繞組;鐵軛起到閉合磁路之用。鐵心結(jié)構(gòu)的基本形式有心式和殼式兩種 繞組是

13、變壓器的電路部分,它是用紙包的絕緣扁線或圓線繞成。變壓器的基本原理是電磁感應(yīng)原理,以單相雙繞組變壓器為例說(shuō)明,當(dāng)一次側(cè)繞組加上電壓U1時(shí),流過(guò)電流I1,在鐵芯中就產(chǎn)生交變磁通Ø1,這些磁通稱(chēng)為主磁通,在它作用下,兩側(cè)繞組分別感應(yīng)電勢(shì)E1,E2,感應(yīng)電勢(shì)公式為:E=4.44fNØm 式中: E-感應(yīng)電勢(shì)有效值 f-頻率 N-匝數(shù) Øm-主磁通最大值 由于二次繞組與一次繞組匝數(shù)不同,感應(yīng)電勢(shì)E1和E2大小也不同,當(dāng)略去內(nèi)阻抗壓降低后,電壓U1和U2大小也就不同。 當(dāng)變壓器二次側(cè)空載時(shí),一次側(cè)僅流過(guò)主磁通的電流(I0),這個(gè)電流稱(chēng)為激磁電流。當(dāng)二次側(cè)加負(fù)載流過(guò)負(fù)載電流I

14、2時(shí),也在鐵芯中產(chǎn)生磁通,力圖改變主磁通,但一次電壓不變時(shí),主磁通是不變的,一次側(cè)就要流過(guò)兩部分電流,一部分為激磁電流I0,一部分為用來(lái)平衡I2,所以這部分電流隨著I2變化而變化。當(dāng)電流乘以匝數(shù)時(shí),就是磁勢(shì)。上述的平衡作用實(shí)質(zhì)上是磁勢(shì)平衡作用,變壓器就是通過(guò)磁勢(shì)平衡作用實(shí)現(xiàn)了一、二次側(cè)的能量傳遞。第三章 短路電流引起的故障3.1 短路電流引起的故障如果變壓器內(nèi)部發(fā)生短路,其短路電流的大小很難通過(guò)計(jì)算得到,因?yàn)槎搪肺恢玫牟煌?,將決定變壓器內(nèi)部實(shí)際起作用的阻抗的大小。實(shí)際上越靠近高電壓引線變壓器的阻抗就越小,短路電流越大。例:如果在低壓引線發(fā)生短路,則變壓器線圈的阻抗基本上都起限流作用,這時(shí)短路電

15、流較小。如果是高壓引線發(fā)生故障,則線圈沒(méi)有限流作用,在限制短路電流的基本上只有系統(tǒng)阻抗了。短路電動(dòng)力引起繞組變形故障。變壓器繞組變形頻率響應(yīng)測(cè)試儀,根據(jù)對(duì)變壓器內(nèi)部繞組特征參數(shù)的測(cè)量,目前世界發(fā)達(dá)國(guó)家正在開(kāi)發(fā)完善的內(nèi)部故障頻率響應(yīng)分析(FRA)方法,能對(duì)變壓器內(nèi)部故障作用準(zhǔn)確判斷。變壓器設(shè)計(jì)制造完成后,其線圈和內(nèi)部結(jié)構(gòu)就確定下來(lái),因此對(duì)一臺(tái)多繞組的變壓器線圈而言,如果電壓等級(jí)相同、繞制方法相同,則每個(gè)線圈對(duì)應(yīng)參數(shù)(Ci、Li)就應(yīng)該確定。因此每個(gè)線圈的頻域特征響應(yīng)也隨之確定,對(duì)應(yīng)的三相線圈之間其頻率圖譜具有一定可比性。變壓器在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)生匝間、相間短路,或在運(yùn)輸過(guò)程中發(fā)生沖撞,造成線圈相位移

16、動(dòng),以及運(yùn)行過(guò)程中在短路和故障狀態(tài)下因電磁拉力造成線圈變形,就會(huì)使變壓器繞組的分布參數(shù)發(fā)生變化。進(jìn)而影響并改變變壓器原有的頻域特征,即頻率響應(yīng)發(fā)生幅度變化和諧振頻點(diǎn)偏移等。并根據(jù)響應(yīng)分析研制開(kāi)發(fā)的HX021變壓器繞組頻率響應(yīng)測(cè)試儀,就是這樣一種新穎的變壓器內(nèi)部故障無(wú)損檢測(cè)設(shè)備,它適用于63KV500KV電力變壓器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)故障檢測(cè)。變壓器繞組變形頻率響應(yīng)測(cè)試儀是將變壓器內(nèi)部繞組參數(shù)在不同領(lǐng)域的響應(yīng)變化經(jīng)量化處理后,根據(jù)其變化量值的大小、頻響變化的幅度、區(qū)域和頻響變化的趨勢(shì),來(lái)確定變壓器內(nèi)部繞組的變化程度,進(jìn)而可以根據(jù)測(cè)量結(jié)果判斷變壓器是否已經(jīng)受到嚴(yán)重破壞、是否需要進(jìn)行大修。對(duì)于運(yùn)行中的變壓器而

17、言,無(wú)論過(guò)去是否保存頻域特征圖,通過(guò)比較故障變壓器線圈間特征圖譜的差異,也可以對(duì)故障程度進(jìn)行判斷。當(dāng)然,如果保存有一套變壓器原有的繞組特征圖,更易對(duì)變壓器的運(yùn)行狀況、事故后分析和維護(hù)檢修提供更為精確有力的依據(jù)。3.2 短路電流的防范措施1、做好短路電流的計(jì)算,正確選擇及校驗(yàn)電氣設(shè)備,電氣設(shè)備的額定電壓要和線路的額定電壓相符。2、正確選擇繼電保護(hù)的整定值和熔體的額定電流,采用速斷一保護(hù)裝置,以便發(fā)生短路時(shí),能快速切斷短路電流,減少短路電流持續(xù)時(shí)間,減少短路所造成的損失。3、在變電站安裝避雷針,在變壓器四周和線路上安裝避雷器,減少雷擊損害。4、保證架空線路施工質(zhì)量,加強(qiáng)線路維護(hù),始終保持線路弧垂一

18、致并符合規(guī)定。5、帶電安裝和檢修電氣設(shè)備,注重力要集中,防止誤接線,誤操作,在帶電部位距離較近的部位工作,要采取防止短路的措施。6、加強(qiáng)治理,防止小動(dòng)物進(jìn)入配電室,爬上電氣設(shè)備。7、及時(shí)清除導(dǎo)電粉塵,防止導(dǎo)電粉塵進(jìn)入電氣設(shè)備。8、在電纜埋設(shè)處設(shè)置標(biāo)記,有人在四周挖掘施工,要派專(zhuān)人看護(hù),并向施工人員說(shuō)明電纜敷設(shè)位置,以防電纜被破壞引發(fā)短路。9、電力系統(tǒng)的運(yùn)行、維護(hù)人員應(yīng)認(rèn)真學(xué)習(xí)規(guī)程,嚴(yán)格遵守規(guī)章制度,正確操作電氣設(shè)備,禁止帶負(fù)荷拉刀閘、帶電合接地刀閘。線路施工,維護(hù)人員工作完畢,應(yīng)立即拆除接地線。要經(jīng)常對(duì)線路、設(shè)備進(jìn)行巡視檢查,及時(shí)發(fā)現(xiàn)缺陷,迅速進(jìn)行檢修。第四章 變壓器放電故障及影響4.1 放電

19、故障對(duì)變壓器的影響放電對(duì)絕緣有兩種破壞作用:一種是由于放電介質(zhì)點(diǎn)直接轟擊絕緣,使局部絕緣受到破壞并逐步擴(kuò)大,使絕緣擊穿。另一種是放電產(chǎn)生的熱、臭氧、氧化氮等活性氣體的化學(xué)作用,使局部絕緣受到腐蝕,介質(zhì)損耗增大,最后導(dǎo)致熱擊穿。1、絕緣材料電老化是放電故障的主要形式。(1)局部放電引起絕緣材料中化學(xué)鍵的分離、裂解和分子結(jié)構(gòu)的破壞。(2)放電點(diǎn)熱效應(yīng)引起絕緣的裂解或促進(jìn)氧化裂解,增大了介質(zhì)的電導(dǎo)和損耗產(chǎn)生惡性循環(huán),加速老化過(guò)程。(3)放電過(guò)程生成的臭氧、氮氧化物遇到水分生成硝酸化學(xué)反應(yīng)腐蝕絕緣體,導(dǎo)致絕緣性能劣化。(4)放電過(guò)程的高能輻射,使絕緣材料變脆。(5)放電時(shí)產(chǎn)生的高壓氣體引起絕緣體開(kāi)裂,

20、并形成新的放電點(diǎn)。2、固體絕緣的電老化。固體絕緣的電老化是形成和發(fā)展是樹(shù)枝狀,電場(chǎng)集中處產(chǎn)生放電,引起樹(shù)枝狀放電痕跡,并逐步發(fā)展導(dǎo)致絕緣擊穿。3、液體浸漬絕緣的電老化。如局部放電一般先發(fā)生在固體或油內(nèi)的小氣泡中,而放電過(guò)程又使油分解產(chǎn)生氣體并被油部分吸收,如產(chǎn)生速率高,氣泡將擴(kuò)大、增多,使放電增強(qiáng),同時(shí)放電產(chǎn)生的X蠟沉積在固體絕緣上使散熱困難、放電增強(qiáng)、出現(xiàn)過(guò)熱,促使固體絕緣損壞。4.2 變壓器局部放電故障在電壓的作用下,絕緣結(jié)構(gòu)內(nèi)部的氣隙、油膜或?qū)w的邊緣發(fā)生非貫穿性的放電現(xiàn)象稱(chēng)為局部放電。局部放電剛開(kāi)始時(shí)是一種低能的放電,變壓器內(nèi)部出現(xiàn)這種放電時(shí),情況比較復(fù)雜,根據(jù)絕緣介質(zhì)的不同,可將局部

21、放電分為氣泡局部放電和油中局部放電;根據(jù)絕緣部位來(lái)分,有固體絕緣中空穴、電極尖端、油角間隙、油與絕緣紙板中的油隙和油中沿固體絕緣表面等處的局部放電1、局部放電的原因(1)當(dāng)油中存在氣泡或固體絕緣材料中存在空穴或空腔,由于氣體的介電常數(shù)小,在交流電壓下所承受的場(chǎng)強(qiáng)高,但其耐壓強(qiáng)度卻低于油和紙絕緣材料,在氣隙中容易首先引起放電。(2)外界環(huán)境條件的影響。如油處理不徹底或下降使油中析出氣泡等,都會(huì)引起放電。(3)由于制造質(zhì)量不良。如某些部位有尖角高而出現(xiàn)放電。帶進(jìn)氣泡、雜物和水分,或因外界氣溫漆瘤等,它們承受的電場(chǎng)強(qiáng)度較高。(4)金屬部件或?qū)щ婓w之間接觸不良而引起的放電。局部放電的能量密度雖不大,若

22、進(jìn)一步發(fā)展將會(huì)形成放電的惡性循環(huán),最終導(dǎo)致設(shè)備的擊穿損壞,而引起嚴(yán)重的事故。2、放電產(chǎn)生氣體的特征。放電產(chǎn)生的氣體,由于放電能量不同而有所不同。如放電能量密度在以下時(shí),一般總烴不高,主要成分是氫氣,其次是甲烷。氫氣占?xì)錈N總量的80%90%;當(dāng)放電能量密度為時(shí),則氫氣相應(yīng)降低,而出現(xiàn)乙炔,但乙炔這時(shí)在總烴中所占的比例不到2%,這是局部放電區(qū)別于其他放電現(xiàn)象的主要標(biāo)志。隨著變壓器故障診斷技術(shù)的發(fā)展,人們?cè)絹?lái)越認(rèn)識(shí)到,局部放電是變壓器諸多有機(jī)絕緣材料故障和事故的根源,因而該技術(shù)得到了迅速發(fā)展,出現(xiàn)了多種測(cè)量方法和實(shí)驗(yàn)裝置,亦有離線測(cè)量的。3、測(cè)量局部放電的方法。 (1)測(cè)量法。利用示波器、局部放電儀

23、或無(wú)線電干擾儀,查找放電的波形或無(wú)線電干擾程度。電測(cè)法的靈敏度較高,測(cè)到的視在放電量,分辨率可達(dá)幾皮庫(kù)。(2)超聲測(cè)法。利用檢測(cè)放電中出現(xiàn)的超聲波,并將聲波變換為電信號(hào),錄在磁帶上進(jìn)行分析。超聲測(cè)法的靈敏度較低,大約幾千皮庫(kù),它的優(yōu)點(diǎn)是抗干擾性好,且可“定位”。有的利用電信號(hào)和聲信號(hào)的傳遞時(shí)間差異,可以估計(jì)探測(cè)點(diǎn)到放電點(diǎn)的距離。(3)化學(xué)測(cè)法。檢測(cè)溶解油內(nèi)各種氣體的含量及增減變化規(guī)律。此法在運(yùn)行監(jiān)測(cè)上十分適用,簡(jiǎn)稱(chēng)“色譜分析”?;瘜W(xué)測(cè)法對(duì)局部過(guò)熱或電弧放電很靈敏,但對(duì)局部放電靈敏不高。而且重要的是觀察其趨勢(shì),例如幾天測(cè)一次,就可發(fā)現(xiàn)油中含氣的組成、比例以及數(shù)量的變化,從而判定有無(wú)局部放電或局部

24、過(guò)熱。4.3 變壓器火花放電故障發(fā)生火花放電時(shí)放電能量密度大于的數(shù)量級(jí)。1、懸浮電位引起火花放電。高壓電力設(shè)備中某金屬部件,由于結(jié)構(gòu)上原因,或運(yùn)輸過(guò)程和運(yùn)行中造成接觸不良而斷開(kāi),處于高壓與低壓電極間并按其阻抗形成分壓,而在這一金屬部件上產(chǎn)生的對(duì)地電位稱(chēng)為懸浮電位。具有懸浮電位的物體附近的場(chǎng)強(qiáng)較集中,往往會(huì)逐漸燒壞周?chē)腆w介質(zhì)或使之炭化,也會(huì)使絕緣油在懸浮電位作用下分解出大量特征氣體,從而使絕緣油色譜分析結(jié)果超標(biāo)。懸浮放電可能發(fā)生于變壓器內(nèi)處于高電位的金屬部件,如調(diào)壓繞組,當(dāng)有載分接開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換極性時(shí)的短暫電位懸??;套管均壓球和無(wú)載分接開(kāi)關(guān)撥叉等電位懸浮。處于地電位的部件,如硅鋼片磁屏蔽和各種緊固用

25、金屬螺栓等,與地的連接松動(dòng)脫落,導(dǎo)致懸浮電位放電。變壓器高壓套管端部接觸不良,也會(huì)形成懸浮電位而引起火花放電。2、油中雜質(zhì)引起火花放電。變壓器發(fā)生火花放電故障的主要原因是油中雜質(zhì)的影響。雜質(zhì)由水分、纖維(主要是受潮的纖維)等構(gòu)成。水的介電常數(shù)e約為變壓器油的40倍,在電場(chǎng)中,雜質(zhì)首先極化,被吸引向電場(chǎng)強(qiáng)度最強(qiáng)的地方,即電極附近,并按電力線方向排列。3、火花放電的影響。一般來(lái)說(shuō),火花放電不會(huì)很快引起絕緣擊穿,主要反映在油色譜分析異常、局部放電量增加或輕瓦斯動(dòng)作,比較容易被發(fā)現(xiàn)和處理,但對(duì)其發(fā)展程度應(yīng)引起足夠的認(rèn)識(shí)和注意。4.4 變壓器電弧放電故障電弧放電是高能量放電,常以繞組匝間層間絕緣擊穿為常

26、見(jiàn),其次為引線斷裂或?qū)Φ亻W絡(luò)和分接開(kāi)關(guān)飛弧等故障。電弧放電的影響。電弧放電故障由于放電能量密度大,產(chǎn)生急劇,常以電子崩形e沖擊電介質(zhì),使絕緣紙擊穿、燒焦或炭化,使金屬材料變形或熔化燒毀,嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成I備燒損,甚至發(fā)生爆炸事故,這種事故一般事先難以預(yù)料,也無(wú)明顯預(yù)兆,常以突發(fā)的形式暴露出來(lái)。電弧放電的氣體特征。出現(xiàn)電弧放電故障后,氣體繼電器中的氫和乙炔等成分常高達(dá)幾千UL/L,變壓器油亦炭化而變黑。油中特征氣體的主要成分是氫氣和乙炔,其次乙烷和甲烷。當(dāng)放電故障涉及到固體絕緣時(shí),除了上述氣體外,還會(huì)產(chǎn)生一氧化碳和二氧化碳。綜上所述,三種放電的形式既有區(qū)別又有一定的聯(lián)系,區(qū)別是指放電等級(jí)和產(chǎn)生氣體的

27、成分,聯(lián)系是指局部放電是其他兩種放電的前兆,而后者又是前者發(fā)展后的一種必然結(jié)果。由于變壓器內(nèi)部出現(xiàn)的故障,常處于逐步發(fā)展的狀態(tài),同時(shí)大多不是單一類(lèi)型的故障,往往是一種類(lèi)型伴隨著另一種類(lèi)型,或幾種類(lèi)型同時(shí)出現(xiàn),因此,更需要認(rèn)真分析,具體對(duì)待。4.5 變壓器放電故障防范措施1、加強(qiáng)色譜跟蹤色譜分析是目前保障設(shè)備安全運(yùn)行的一項(xiàng)重要手段。正是由于我們牢牢抓住了色譜分析這個(gè)重要環(huán)節(jié),才避免了變壓器燒損事故的發(fā)生。2、加裝在線監(jiān)測(cè)裝置,實(shí)現(xiàn)連續(xù)監(jiān)測(cè)1997年7月安裝了H201R變壓器在線監(jiān)測(cè)儀取得了很好的效果、繼續(xù)記錄好監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、觀察數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)、并與色譜比較進(jìn)行綜合分析。3、定期進(jìn)行局部放電測(cè)試和紅外線

28、故障異常測(cè)試、了解局部放電的部位和發(fā)展趨勢(shì)。4、改善冷卻系統(tǒng)、控制運(yùn)行溫度采用低轉(zhuǎn)速、大流量潛油泵,改善潛油泵運(yùn)行方式、合理控制油循環(huán)路徑。夏季控制油溫(負(fù)荷)、定期沖洗散熱器、保證上層油溫不超過(guò)60。5、采用高質(zhì)量圍屏,進(jìn)一步改善電場(chǎng)分布。由于固體絕緣材料差、運(yùn)行溫度超過(guò)60時(shí)、絕緣材料嚴(yán)重老化、絕緣性能變壞,產(chǎn)生大量CO、CO2,油中氣體趨于飽和,氣泡溢出、形成氣泡游離放電,嚴(yán)重時(shí)發(fā)展為圍屏樹(shù)枝放電。 6、提高大修質(zhì)量,防止二次污染1997年8月6日大修后,鐵芯多點(diǎn)接地,這是由于大修時(shí)本體清除不徹底、殘存一些金屬微粒和雜質(zhì),造成二次污染。第五章 變壓器絕緣故障目前應(yīng)用最廣泛的電力變壓器是油

29、浸變壓器和干式樹(shù)脂變壓器兩種,電力變壓器的絕緣即是變壓器絕緣材料組成的絕緣系統(tǒng),它是變壓器正常工作和運(yùn)行的基本條件,變壓器的使用壽命是由絕緣材料(即油紙或樹(shù)脂等)的壽命所決定的。實(shí)踐證明,大多變壓器的損壞和故障都是因絕緣系統(tǒng)的損壞而造成。據(jù)統(tǒng)計(jì),因各種類(lèi)型的絕緣故障形成的事故約占全部變壓器事故的85%以上。對(duì)正常運(yùn)行和注意進(jìn)行維修管理的變壓器,其絕緣材料具有很長(zhǎng)的使用壽命。國(guó)外根據(jù)理論計(jì)算及實(shí)驗(yàn)研究表明,當(dāng)小型油浸配電變壓器的實(shí)際溫度維持在95時(shí),理論壽命將可達(dá)400年。設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)說(shuō)明,維護(hù)很好的變壓器,實(shí)際壽命能達(dá)到5070年:而按制造廠的設(shè)計(jì)要求和技術(shù)指標(biāo),一般把變壓器的預(yù)期壽命

30、為2040年。因此,保護(hù)變壓器的正常運(yùn)行和加強(qiáng)對(duì)絕緣系統(tǒng)的合理維護(hù),很大程度上可以保證變壓器具有相對(duì)較長(zhǎng)的使用壽命,而預(yù)防性和預(yù)知性維護(hù)是提高變壓器使用壽命和提高供電可靠性的關(guān)鍵。油浸變壓器中,主要的絕緣材料是絕緣油及固體絕緣材料絕緣紙、紙板和木塊等,所謂變壓器絕緣的老化,就是這些材料受環(huán)境因素的影響發(fā)生分解,降低或喪失了絕緣強(qiáng)度。5.1 固體紙絕緣故障固體紙絕緣是油浸變壓器絕緣的主要部分之一,包括:絕緣紙、絕緣板、絕緣墊、絕緣卷、絕緣綁扎帶等,其主要成分是纖維素,化學(xué)表達(dá)式為(C6H10O6)n,式中n為聚合度。一般新紙的聚合度為1300左右,當(dāng)下降至250左右,其機(jī)械強(qiáng)度已下降了一半以上,

31、極度老化致使壽命終止的聚合度為150200。絕緣紙老化后,其聚合度和抗張強(qiáng)度將逐漸降低,并生成水、CO、CO2,其次還有糠醛(呋喃甲醛)。這些老化產(chǎn)物大都對(duì)電氣設(shè)備有害,會(huì)使絕緣紙的擊穿電壓和體積電阻率降低、介損增大、抗拉強(qiáng)度下降,甚致腐蝕設(shè)備中的金屬材料。固體絕緣具有不可逆轉(zhuǎn)的老化特性,其機(jī)械和電氣強(qiáng)度的老化降低都是不能恢復(fù)的。變壓器的壽命主要取決于絕緣材料的壽命,因此油浸變壓器固體絕緣材料,應(yīng)既具有良好的電絕緣性能和機(jī)械特性,而且長(zhǎng)年累月的運(yùn)行后,其性能下降較慢,即老化特性好。1、紙纖維材料的性能。絕緣紙纖維材料是油浸變壓器中最主要的絕緣組件材料,紙纖維是植物的基本固體組織成分,組成物質(zhì)分

32、子的原子中有帶正電的原子核和圍繞原子核運(yùn)行的帶負(fù)電的電子,與金屬導(dǎo)體不同的是絕緣材料中幾乎沒(méi)有自由電子,絕緣體中極小的電導(dǎo)電流主要來(lái)自離子電導(dǎo)。纖維素由碳、氫和氧組成,這樣由于纖維素分子結(jié)構(gòu)中存在氫氧根,便存在形成水的潛在可能,使紙纖維有含水的特性。此外,這些氫氧根可認(rèn)為是被各種極性分子(如酸和水)包圍著的中心,它們以氫鍵相結(jié)合,使得纖維易受破壞:同時(shí)纖維中往往含有一定比例(約7左右)的雜質(zhì),這些雜質(zhì)中包括一定量的水分,因纖維呈膠體性質(zhì),使這些水分尚不能完全除去。這樣也就影響了紙纖維的性能。極性的纖維不但易于吸潮(水分使強(qiáng)極性介質(zhì)),而且當(dāng)紙纖維吸水時(shí),使氫氧根之間的相互作用力變?nèi)?,在纖維結(jié)構(gòu)

33、不穩(wěn)定的條件下機(jī)械強(qiáng)度急劇變壞,因此,紙絕緣部件一般要經(jīng)過(guò)干燥或真空子燥處理和浸油或絕緣漆后才能使用,浸漆的目的是使纖維保持潤(rùn)濕保證其有較高的絕緣和化學(xué)穩(wěn)定性及具有較高的機(jī)械強(qiáng)度。同時(shí),紙被漆密封后,可減少紙對(duì)水分的吸收,阻止材料氧化,還町填充空隙,以減小可能影響絕緣性能、造成局部放電和電擊穿的氣泡。但也有的認(rèn)為浸漆后再浸油,可能有些漆會(huì)慢慢溶人油內(nèi),影響油的性能,對(duì)這類(lèi)油漆的應(yīng)用應(yīng)充分子以注意。當(dāng)然,不同成分纖維材料的性質(zhì)及相同成分纖維材料的不同品質(zhì),其影響大小及性能也不同,如棉花中纖維成分最高,大麻中纖維最結(jié)實(shí),某些進(jìn)口絕緣紙板由于其處理加工好,使性能明顯優(yōu)于國(guó)產(chǎn)某些材質(zhì)的紙板等。變壓器大

34、多絕緣材料都是用各種型式的紙(如紙帶、紙板、紙的壓力成型件等)作絕緣的。因此在變壓器制造和檢修中選擇好纖原料的絕緣紙材料是非常重要的。纖維紙的特殊優(yōu)點(diǎn)是實(shí)用性強(qiáng)、價(jià)格低、使用加工方便,在溫度不高時(shí)成型和處理簡(jiǎn)單靈活,且重量輕,強(qiáng)度適中,易吸收浸漬材料(如絕緣漆、變壓器油等)。2、紙絕緣材料的機(jī)械強(qiáng)度。油浸變壓器選擇紙絕緣材料最重要的因素除紙的纖維成分、密度、滲透性和均勻性以外,還包括機(jī)械強(qiáng)度的要求,包括耐張強(qiáng)度、沖壓強(qiáng)度、撕裂強(qiáng)度和堅(jiān)韌性:(1)耐張強(qiáng)度:要求紙纖維受到拉伸負(fù)荷時(shí),具有能耐受而不被拉斷的最大應(yīng)力(2)沖壓強(qiáng)度:要求紙纖維具有耐受壓力而不被折斷的能力的量度。(3)撕裂強(qiáng)度:要求紙

35、纖維發(fā)生撕裂所需的力符合相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。(4)堅(jiān)韌性:是紙折疊或紙板彎曲時(shí)的強(qiáng)度能滿(mǎn)足相應(yīng)要求。判斷固體絕緣性能可以設(shè)法取樣測(cè)量紙或紙板的聚合度,或利用高效液相色譜分析技測(cè)量油中糠醛含量,以便于分析變壓器內(nèi)部存在故障時(shí),是否涉及固體絕緣或是否存在引起線圈絕緣局部老化的低溫過(guò)熱,或判斷固體絕緣的老化程度。對(duì)紙纖維絕緣材料在運(yùn)行及維護(hù)中,應(yīng)注意控制變壓器額定負(fù)荷,要求運(yùn)行環(huán)境空氣流通、散熱條件好,防止變壓器溫升超標(biāo)和箱體缺油。還要防止油質(zhì)污染、劣化等造成纖維的加速老化,而損害變壓器的絕緣性能、使用壽命和安全運(yùn)行。3、紙纖維材料的劣化。主要包括三個(gè)方面:(1)纖維脆裂。當(dāng)過(guò)度受熱使水分從纖維材料中脫離,更

36、會(huì)加速纖維材料脆化。由于紙材脆化剝落,在機(jī)械振動(dòng)、電動(dòng)應(yīng)力、操作波等沖擊力的影響下可能產(chǎn)生絕緣故障而形成電氣事故。(2)纖維材料機(jī)械強(qiáng)度下降。纖維材料的機(jī)械強(qiáng)度隨受熱時(shí)間的延長(zhǎng)而下降,當(dāng)變壓器發(fā)熱造成絕緣材料水分再次排出時(shí),絕緣電阻的數(shù)值可能會(huì)變高,但其機(jī)械強(qiáng)度將會(huì)大大下降,絕緣紙材將不能抵御短路電流或沖擊負(fù)荷等機(jī)械力的影響。(3)纖維材料本身的收縮。纖維材料在脆化后收縮,使夾緊力降低,可能造成收縮移動(dòng),使變壓器繞組在電磁振動(dòng)或沖擊電壓下移位摩擦而損傷絕緣。5.2 液體油絕緣故障液體絕緣的油浸變壓器是1887年由美國(guó)科學(xué)家湯姆遜發(fā)明的,1892年被美國(guó)通用電氣公司等推廣應(yīng)用于電力變壓器,這里所

37、指的液體絕緣即變壓器油絕緣。油浸變壓器的特點(diǎn):大大提高了電氣絕緣強(qiáng)度,縮短了絕緣距離,減小了設(shè)備的體積;大大提高了變壓器的有效熱傳遞和散熱效果,提高了導(dǎo)線中允許的電流密度,減輕了設(shè)備重量,它是將運(yùn)行變壓器器身的熱量通過(guò)變壓器油的熱循環(huán),傳遞到變壓器外殼和散熱器運(yùn)行散熱,從而提高了有效的冷卻降溫水平;由于油浸密封而降低了變壓器內(nèi)部某些零部件和組件的氧化程度,延長(zhǎng)了使用壽命5.3 變壓器油的性能運(yùn)行的變壓器油必須具有穩(wěn)定優(yōu)良的絕緣性能和導(dǎo)熱性能。從石油中提煉取得絕緣油是各種烴、樹(shù)脂、酸和其他雜質(zhì)的混合物,其性質(zhì)不能都是穩(wěn)定的,在溫度、電場(chǎng)及光合作用等影響下會(huì)不斷地氧化。正常情況下絕緣油的氧化過(guò)程進(jìn)

38、行得很緩慢,如果維護(hù)得當(dāng)甚至使用20年還可保持應(yīng)有的質(zhì)量而不老化,透明度渾濁,所含水分、酸價(jià)、灰分增加等,使油的性質(zhì)劣化。5.4 變壓器油劣化的原因變壓器油質(zhì)變壞,按輕重程度可分為污染和劣化兩個(gè)階段。污染是油中混入水分和雜質(zhì),這些不是油氧化的產(chǎn)物,污染油的絕緣性能會(huì)變壞,擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度降低,介質(zhì)損失就增大。劣化是油氧化后的結(jié)果,當(dāng)然這種氧化并不僅指純凈油中烴類(lèi)的氧化,而是存在于油中雜質(zhì)將加速氧化過(guò)程,特別是銅、鐵、鋁金屬粉屑等。氧來(lái)源于變壓器內(nèi)的空氣,即使在全密封的變壓器內(nèi)部仍有容積為0.25%左右的氧存在,氧的溶解度較高,因此在油中溶解的氣體中占有較高的比率。變壓器油氧化時(shí),作為催化劑的水分及

39、加速劑的熱量,使變壓器油生成油泥,其影響主要表現(xiàn)在:在電場(chǎng)的作用下沉淀物粒子大;雜質(zhì)沉淀集中在場(chǎng)強(qiáng)最強(qiáng)的區(qū)域,對(duì)變壓器的絕緣形成導(dǎo)電的“橋”;沉淀物并不均勻而是形成分離的細(xì)長(zhǎng)條,同時(shí)可能按電力線方向排列,這樣無(wú)疑妨礙了散熱,加速了絕緣材料老化,并導(dǎo)致絕緣電阻降低和絕緣水平下降。5.5 變壓器油劣化的過(guò)程油在劣化過(guò)程中主要階段的生成物有過(guò)氧化物、酸類(lèi)、醇類(lèi)、酮類(lèi)和油泥。早期劣化階段。油中生成的過(guò)氧化物與絕緣纖維材料反應(yīng)生成氧化纖維素,使絕緣纖維機(jī)械強(qiáng)度變差,造成脆化和絕緣收縮。生成的酸類(lèi)是一種粘液狀的脂肪酸,盡管腐蝕性沒(méi)有礦物酸那么強(qiáng),但其增長(zhǎng)速度及對(duì)有機(jī)絕緣材料的影響是很大的。后期劣化階段。是

40、生成油泥,當(dāng)酸腐蝕銅、鐵、絕緣漆等材料時(shí),反應(yīng)生成油泥。油泥是一種粘稠而類(lèi)似瀝青的聚合型導(dǎo)電物質(zhì),它能適度溶解于油中,在電場(chǎng)的作用下生成速度很快,粘附在絕緣材料或變壓器箱殼邊緣,沉積在油管及冷卻器散熱片等處,使變壓器工作溫度升高,耐電強(qiáng)度下降。油的氧化過(guò)程是由兩個(gè)主要反應(yīng)條件構(gòu)成的,其一是變壓器中酸價(jià)過(guò)高,油呈酸性。其二是溶于油中的氧化物轉(zhuǎn)變成不溶于油的化合物,從而逐步使變壓器油質(zhì)劣化。5.6 變壓器油質(zhì)分析、判斷利維護(hù)處理1、絕緣油變質(zhì)。包括它的物理和化學(xué)性能都發(fā)生變化,從而使其電性能變壞。通過(guò)測(cè)試絕緣油的酸值、界面張力、汕泥析出、水溶性酸值等項(xiàng)目,可判斷是否屬于該類(lèi)缺陷,對(duì)絕緣油進(jìn)行再生處

41、理,可能消除油變質(zhì)的產(chǎn)物,但處理過(guò)程中也可能去掉了天然抗氧劑。2、絕緣油進(jìn)水受潮,由于水是強(qiáng)極性物質(zhì)。在電場(chǎng)的作用下易電離分解,而增加了絕緣油的電導(dǎo)電流,因此,微量的水分可使絕緣油介質(zhì)損耗顯著增加。通過(guò)測(cè)試絕緣油的微水,叮判斷是否屬于該類(lèi)缺陷。對(duì)絕緣油進(jìn)行壓力式真空濾油,一般能消除水分。3、絕緣油感染微生物細(xì)菌。例如在主變壓器安裝或吊芯時(shí),附在絕緣件表面的昆蟲(chóng)和安裝人員殘留的閂:漬等都有可能攜帶細(xì)菌,從而感染了絕緣油:或者絕緣油本身已感染微生物。主變壓器·般運(yùn)行在4080的環(huán)境下,非常有利于這些微生物的生長(zhǎng)、繁殖。由于微生物及其排泄物中的礦物質(zhì)、蛋白質(zhì)的絕緣性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于絕緣油,從而使

42、得絕緣油介損升高。這種缺陷采用現(xiàn)場(chǎng)循環(huán)處理的方法很難處理好,因?yàn)闊o(wú)論如何處理,始終有一部分微生物殘留在絕緣固體上。處理后,短期內(nèi)主變壓器絕緣會(huì)有所恢復(fù),但由于主變壓器運(yùn)行環(huán)境非常有利于微生物的生長(zhǎng)、繁殖,這些殘留微生物還會(huì)逐年生長(zhǎng)繁殖,從而使某些主變壓器絕緣逐年下降;4、含有極性物質(zhì)的醇酸樹(shù)脂絕緣漆溶解在油中。在電場(chǎng)的作用下,極性物質(zhì)會(huì)發(fā)生偶極松弛極化,在交流極化過(guò)程中要消耗能量,所以使油的介質(zhì)損耗上升。雖然絕緣漆在出廠前經(jīng)過(guò)固化處理,但仍可能存在處理不徹底的情況。主變壓器運(yùn)行一段時(shí)間后,處理不徹底的絕緣漆逐漸溶解在油中,使之絕緣性能逐漸下降。該類(lèi)缺陷發(fā)生的時(shí)間與絕緣漆處理的徹底程度有關(guān),通過(guò)一兩次吸附處理可取得一定的效果。5、油中只混有水分和雜質(zhì)。這種污染情況并不改變油的基本性質(zhì)。對(duì)于水分可用干燥的辦法加以排除;對(duì)于雜質(zhì)可用過(guò)濾的辦法加以清除;油中的空氣可通過(guò)抽真空的辦法加以排除。6、兩種及兩種以上不同來(lái)源的絕緣汕混合使用。油的性質(zhì)應(yīng)符合相關(guān)規(guī)定;油的比重相同、凝固溫度相同、粘度相同、閃點(diǎn)相近;且混合后油的安定度也符合要求。對(duì)于混油后劣化的油,由于油

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