電力變壓器的可靠性影響因素

1、電力變壓器的可靠性影響因素摘要：隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，當(dāng)今變壓器在社會(huì)生產(chǎn)和人們生活中的作 用愈加明顯。變壓器的老化過(guò)程和健康狀態(tài)是運(yùn)維人員不容忽視的技術(shù)問(wèn)題和自 然現(xiàn)象?；诖?，本文分析了變壓器的老化進(jìn)程，幫助厘清造成變壓器老化的各 類(lèi)影響因素。并根據(jù)變壓器的生命歷程，介紹了診斷變壓器健康狀態(tài)的各類(lèi)信息， 旨在提高變壓器運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性。關(guān)鍵詞：變壓器；老化；健康變壓器的可靠性隨著其繞組的老化而逐步降低，如果用可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)來(lái)衡 量的話，其故障率隨著變壓器的逐漸老化而升高。變壓器的老化進(jìn)程，在出廠時(shí) 就開(kāi)始了，氧氣、水分在一定溫度下，對(duì)絕緣發(fā)生緩慢的作用，導(dǎo)致絕緣老化； 變壓器投運(yùn)后

2、，電場(chǎng)和磁場(chǎng)共同作用，溫度的升高，負(fù)荷的增加，加快了變壓器 的老化進(jìn)程，這期間溫度對(duì)老化進(jìn)程起著決定性作用，這塊后續(xù)會(huì)展開(kāi)討論。運(yùn) 行期間，偶然發(fā)生的短期過(guò)負(fù)荷、短路故障，導(dǎo)致變壓器繞組瞬間大電流，溫度 急劇升高，嚴(yán)重?fù)p壞了絕緣的耐壓強(qiáng)度，加快了絕緣的老化速度，根據(jù)IEEE Std C57.91-1995,變壓器熱點(diǎn)溫度為155C時(shí)的老化速率是變壓器110C時(shí)的老化速率 的100倍。變壓器的可靠性水平也要隨著這些偶然不可控因素的而發(fā)生改變?？?見(jiàn)如圖1，形象模擬了變壓器的健康狀況老化進(jìn)程：另外，GB/T 15164-94中指出以下各因素對(duì)變壓器的老化進(jìn)程起決定性作用：事故(指過(guò)電壓、系統(tǒng)中短路

3、)嚴(yán)重性；變壓器設(shè)計(jì)及質(zhì)量；變壓器各部分的溫度；繞組絕緣介質(zhì)和油中的含水量；繞組絕緣介質(zhì)、油中氧氣及其他氣體含量；雜質(zhì)的數(shù)量、大小和類(lèi)型。1、電力變壓器老化影響因素影響變壓器老化進(jìn)程的因素有很多，主要因素與變壓器運(yùn)行期間的工況和環(huán) 境密切相關(guān)。造成變壓器絕緣老化的主要原因有過(guò)電流、長(zhǎng)期高負(fù)載運(yùn)行、過(guò)熱、 水分、氧化等。熱和水分是造成固體絕緣材料老化的最主要因素，而氧化作用則 會(huì)加速繞組絕緣的劣化。變壓器在運(yùn)行時(shí)，絕緣結(jié)構(gòu)長(zhǎng)時(shí)期經(jīng)受的老化方式主要 有：熱老化、電老化、化學(xué)老化、機(jī)械應(yīng)力老化。1.1熱老化變壓器每時(shí)每刻都在進(jìn)行著熱老化，老化速率隨著溫度的高低也不同。變壓 器溫度升高的主要原因是變壓

4、器本身的負(fù)荷損耗，這與變壓器本身所采用的材料 和設(shè)計(jì)方法有很大有關(guān)，變壓器的熱老化一直以來(lái)就是研究的熱點(diǎn)。1930年 Monstsinger首次提出了絕緣壽命與溫度之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系即5C10C規(guī)則，認(rèn)為 在100C110C溫度每升高6C則絕緣壽命約減半，在大于120C溫度每升高8C 則絕緣壽命約減半，并以絕緣拉伸強(qiáng)度達(dá)到初值的50%作為壽命終結(jié)的判據(jù)。 1948年Dakin提出熱老化實(shí)際上是有聚合鏈分裂等作用的氧化反應(yīng)，當(dāng)纖維溫度 達(dá)到200C或以上，就會(huì)與氧化物或水發(fā)生反應(yīng)生成葡萄糖、CO、CO2和有機(jī)酸， 并加速了正常氧化的油的反應(yīng)速度，在1984年，戴金的研究表明：任何可測(cè)量 的絕緣材料的

5、物理性質(zhì)的改變速率都遵循阿列紐斯的反應(yīng)速率理論，該理論可以以反應(yīng)速率的形式表述:式中：A和B為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。顯然，溫度越高，絕緣的老化速度越快。并導(dǎo)致高分子材料的裂解，使材料 的抗拉強(qiáng)度下降以及電性能如耐電強(qiáng)度、介質(zhì)損耗、絕緣電阻等性能變劣，并使 材料變脆或開(kāi)裂。1.2電老化變壓器油紙絕緣結(jié)構(gòu)的電老化取決于其局部放電的積累程度。礦物油與纖維 素的相對(duì)介電常數(shù)分別為2.2和6.6，因此油隙上的電場(chǎng)強(qiáng)度比較高，易于發(fā)生 局部放電。礦物油中主要成分為碳?xì)浠衔?，即烴類(lèi)包括烷烴、環(huán)烷烴、和芳香 烴，在高電場(chǎng)作用下，因離子撞擊作用使礦物油分子分解，產(chǎn)生氣體包括H2， CH4，C2H2，C2H4 C2H6等，

6、在絕緣層中形成氣隙和氣泡，加劇了局部放電，同 時(shí)，油分子鏈還可以生成固態(tài)蠟狀物使絕緣導(dǎo)熱困難而導(dǎo)致熱破壞。當(dāng)外施加電 場(chǎng)運(yùn)低于絕緣材料的擊穿強(qiáng)度時(shí)，或外施電壓遠(yuǎn)低于絕緣的局部放電起始電壓， 則絕緣材料將在非常長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)耐受該電場(chǎng)而不擊穿。1.3化學(xué)老化當(dāng)絕緣紙板中的水分增加、變壓器油老化生成的酸性成分增加或由于接觸空 氣使氧與纖維分子里的碳原子反應(yīng)生成醛類(lèi)和酸，纖維素水解速度加快，會(huì)導(dǎo)致 聚合度降低、纖維變短、強(qiáng)度變?nèi)鯊亩绊懡^緣件的機(jī)械強(qiáng)度，而氧化過(guò)程使絕 緣材料釋放出水、CO、CO2也會(huì)導(dǎo)致聚合度降低，同時(shí)又生成CO、CO2，從而導(dǎo) 致其物理化學(xué)性能的劣化。1.4機(jī)械應(yīng)力老化牽引變壓器在運(yùn)

7、行過(guò)程中，不可避免地遇到短路作用，使繞組產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力， 同時(shí)在正常運(yùn)行中因電流及磁場(chǎng)的存在也有這樣的作用。當(dāng)絕緣材料疲勞而產(chǎn)生 裂紋時(shí)就易誘發(fā)電樹(shù)枝的形成，從而導(dǎo)致使絕緣老化。短路瞬間的大電流產(chǎn)生的 電動(dòng)力引發(fā)變壓器絕緣位移、線圈變形，造成電場(chǎng)分布不均勻，也會(huì)加速變壓器 老化進(jìn)程。2、電力變壓器可靠性評(píng)估信息分析電力變壓器在其整個(gè)服役期間，內(nèi)部各個(gè)器件都在緩慢的發(fā)生老化，人們不 能直接觀察到各器件的老化程度，但可通過(guò)變壓器的各種外部表征或試驗(yàn)檢測(cè)或 日常數(shù)據(jù)記錄，間接的了解變壓器當(dāng)前狀況。例如，可根據(jù)油質(zhì)測(cè)試情況了解變 壓器油的狀況，根據(jù)頻譜響應(yīng)曲線對(duì)比了解變壓器內(nèi)部繞組變形情況。正確獲得這些

8、變壓器狀態(tài)信息，并科學(xué)、合理的進(jìn)行分析，便可真實(shí)的評(píng)估 當(dāng)前變壓器的狀況。從設(shè)計(jì)生產(chǎn)、投產(chǎn)運(yùn)行、例行試驗(yàn)、定期檢修的變壓器生命 歷程，可把變壓器的狀態(tài)信息對(duì)應(yīng)的分為4部分，分別為基礎(chǔ)信息、運(yùn)行信息、 試驗(yàn)信息、故障及缺陷（或維修）信息。2.1基礎(chǔ)信息基礎(chǔ)信息為變壓器自身所固有的信息，包括變壓器的額定容量、額定電壓、 額定電壓比、絕緣水平、空載損耗和空載電流、負(fù)載損耗和短路阻抗、繞組聯(lián)結(jié) 組標(biāo)號(hào)，同時(shí)還有冷卻方式、變壓器油溫升、繞組溫升，還包括制造廠家、出廠 日期、投運(yùn)日期，及本系列設(shè)備的家族缺陷等。2.2運(yùn)行信息運(yùn)行信息為變壓器運(yùn)行期間狀態(tài)信息的記錄，包括變壓器的負(fù)載情況，變壓 器外部所在環(huán)境

9、情況（溫度、污穢等級(jí)），冷卻系統(tǒng)的工作狀況、調(diào)壓開(kāi)關(guān)的工 作狀況等其它輔助機(jī)構(gòu)的狀態(tài)信息。2.3 .試驗(yàn)信息試驗(yàn)信息具體包括預(yù)防性試驗(yàn)信息、油簡(jiǎn)化試驗(yàn)(酸度、擊穿電壓、微水、 介質(zhì)損耗)信息、油色譜試驗(yàn)(氫氣、甲烷、乙烷、乙烯、乙炔)信息、糠醛試 驗(yàn)信息。2.4故障缺陷(或維修)信息故障故障缺陷(或維修)信息變壓器最近5年的各種故障信息(包括故障大 小、故障持續(xù)時(shí)間、維修更換情況等)，如短路故障(要有故障電流、故障時(shí)間 記錄，故障后的直阻測(cè)試、電容量測(cè)試、頻譜測(cè)試分析等)。3、結(jié)束語(yǔ)變壓器是由多個(gè)構(gòu)件組成的共同體，由鐵心、高壓繞組低壓繞組、主絕緣、 絕緣油、油箱、套管、輔助設(shè)備等部件構(gòu)成，各個(gè)

10、構(gòu)件對(duì)變壓器可靠性的影響水 平是不一樣的。本部分主要對(duì)變壓器的可靠性影響因素進(jìn)行分析，介紹了可能引 起絕緣劣化的4個(gè)因素：熱老化，電老化，化學(xué)老化和機(jī)械應(yīng)力老化；以及根據(jù) 全生命周期，講解了變壓器的4個(gè)狀態(tài)評(píng)估信息：基礎(chǔ)信息，運(yùn)行信息，試驗(yàn)信 息，和故障缺陷(或維修)信息。參考文獻(xiàn)Guo Yongji, Dai Youjie, Xi Yongjia. A New Methodology for Lifetime Evaluation of Transformer: Patt I Theory of Lifetime Evaluation. In: Proceedings of Lifetime

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