1、微納加工與智能電氣設(shè)備研究部 2017.11.03,基于油-紙體系理化特性的 變壓器絕緣狀態(tài)評估,1,應(yīng)用背景,1,傳統(tǒng)評估技術(shù),2,現(xiàn)代狀態(tài)評估技術(shù),3,油-紙絕緣替代材料評估,4,小結(jié),5,2,3,應(yīng)用背景,電力變壓器的重要性高遠(yuǎn)距離輸電不可或缺,4,應(yīng)用背景,電力變壓器的重要性高變電站的核心,5,應(yīng)用背景,電力變壓器的復(fù)雜性高和價值高,6,應(yīng)用背景,電力變壓器“三高”決定需要時刻關(guān)注變壓器的運行情況 電力變壓器故障影響重大； 研究變壓器早期故障監(jiān)測方法； 研究長期運行后繼續(xù)運行的可靠性； 發(fā)展出了電力變壓器故障診斷及狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)； 最重要的是絕緣狀態(tài)的監(jiān)測； 變壓器絕緣狀態(tài)評估分為兩類

2、基于電氣量：擊穿電壓、局部放電、介損、電阻等； 基于油-紙理化特性（油、絕緣紙變壓器最重要的絕緣介質(zhì)）,應(yīng)用背景,1,傳統(tǒng)評估技術(shù),2,現(xiàn)代狀態(tài)評估技術(shù),3,油-紙絕緣替代材料評估,4,小結(jié),5,7,8,傳統(tǒng)評估技術(shù),1、顏色/目測 比較被測油的顏色與標(biāo)準(zhǔn)油色卡/盤； 檢測透明度、是否含有懸浮物和機(jī)械雜質(zhì)等,9,傳統(tǒng)評估技術(shù),2、微粒數(shù)目 金屬微粒、碳、濕纖維等都會影響油的絕緣水平； 檢測方法：消光法、光散射法、庫爾特顆粒計數(shù)法等 ASTM-D6786、IEC60970；（微粒多少反映油品質(zhì)）,10,傳統(tǒng)評估技術(shù),3、抗氧化劑濃度 絕緣油在正常運行中會受溫度、電場、機(jī)械、化學(xué)等應(yīng)力作用產(chǎn)生氧化

3、裂解和碳化；為了抑制該過程，變壓器油中加入了抗氧化劑； 主要DBPC-0.08%和DBP-0.3%兩類 隨著變壓器運行抗氧化劑一直在被消耗（需要被監(jiān)測） ASTM-D3487、IEC60666； 檢測方法：IR 紅外光譜 HPLC 高效液相色譜 GC-MS 色譜-質(zhì)譜連用,11,傳統(tǒng)評估技術(shù),4、油中水分含量 濕度是變壓器絕緣最大“敵人” ； 固體絕緣材料中濕度提升一倍，壽命降低一半； 來源：絕緣材料中殘余、空氣中水分滲入、材料化學(xué)分解等； 檢測方法：油中水分：Karl Fischer滴定法1-2ppm，電容探針法； 絕緣紙中水分（難以直接測量）：介電光譜學(xué)法；通過測量油中水分，研究紙中水分含

4、量； 由于油中水分、絕緣紙中水分的分布隨運行情況而變化，使得水分的測量難以比較、難以反應(yīng)真實情況。,12,傳統(tǒng)評估技術(shù),5、DGA（油中溶解氣體分析）目前最有效的故障診斷方法 H2、O2、N2、CO、CO2、CH4、C2H4、C2H6、C2H2等。油中溶解氣體的種類和濃度反應(yīng)內(nèi)部故障情況； 檢測方法：油色譜分析、光聲光譜法等。,13,傳統(tǒng)評估技術(shù),5、DGA（油中溶解氣體分析） 存在的問題： 錯判：目前的故障判據(jù)是基于經(jīng)驗的，不是基于科學(xué)的形成過程 油氣分離較復(fù)雜，長期可靠性 氣體不是由早期故障產(chǎn)生； 調(diào)壓開關(guān)與主油箱之間氣體泄漏； 焊接過程產(chǎn)生C2H2等氣體； 油漆、墊圈等滲氣； 電化學(xué)反應(yīng)

5、（金屬+水+O2）； 析氣； 污染物產(chǎn)生氣體； 添加劑和鈍化劑分解產(chǎn)氣如H2和CO2； 解決辦法：AI技術(shù),14,傳統(tǒng)評估技術(shù),6、酸度和界面張力分析 酸度AN，反應(yīng)油中極性化合物、酸性有機(jī)物的量 通過mg KOH/g測量，（0.20mg KOH/g） 油中的酸性物質(zhì)含量高反應(yīng)油氧化性增強(qiáng)，是油老化的產(chǎn)物，且導(dǎo)致油加速老化； 界面張力IFT，反應(yīng)油劣化程度； 正常油的界面張力40-50dynes；25dynes將開始產(chǎn)生油泥； 油泥會沉積在繞組、冷卻表面，影響冷卻。 AN 與IFT有很好的對應(yīng)關(guān)系；均反應(yīng)油的劣化。,15,傳統(tǒng)評估技術(shù),7、絕緣紙老化 反應(yīng)絕緣紙老化最基本的量是DP（degre

6、e of polymerization聚合度）,反應(yīng)的是紙的機(jī)械強(qiáng)度。（直接測量法） 通常采用粘度測定法測量，反應(yīng)的是聚合鏈的長度；通常在1000-1300；紙劣化會低于500； 缺點樣品難以獲得，侵入式測量方法。 溶解氣體分析CO/CO2；（間接指標(biāo)1） 缺點是CO、CO2有其他來源如油老化、空氣進(jìn)入 測量方法：脫氣后氣相色譜法測量,16,傳統(tǒng)評估技術(shù),7、絕緣紙老化 油中糠醛含量；（間接指標(biāo)2） 缺點是糠醛熱穩(wěn)定性較差；對于新型絕緣紙（Thermal-Upgraded），只有老化非常嚴(yán)重DP400才有效； 其他指標(biāo)：如油中甲醇、丙酮、乙醛、丁醇等；其中甲醇最受關(guān)注； 甲醇被認(rèn)為是反應(yīng)紙老化

7、的最佳指標(biāo)；對早期老化有效 測量方法：HPLC-高效液相色譜；精度高，可靠性高； 流程復(fù)雜前處理復(fù)雜需要先從油中洗提出糠醛或甲醇； 目前糠醛或甲醇的含量與DP值還不能建立可靠關(guān)系；,17,傳統(tǒng)評估技術(shù),8、傳熱特性 傳熱特性涉及：油的傾點、動力粘度、熱容、密度、熱導(dǎo)率等；是上述幾個量的綜合結(jié)果。 同時油的聚合度、氧化、溶解碳和氧、以及水、空氣、油泥都會影響傳熱特性。 傳熱特性反應(yīng)了變壓器的散熱能力。,18,現(xiàn)代狀態(tài)評估技術(shù),9、腐蝕性硫 指單質(zhì)硫以及會對變壓器內(nèi)部銅、銀金屬產(chǎn)生腐蝕作用的熱不穩(wěn)定硫化合物。主要存在形式是Cu2S 來源：原油； 會嚴(yán)重破壞導(dǎo)體表面、影響紙絕緣材料、降低絕緣電阻。

8、檢測方法：腐蝕性銅片法、腐蝕性銀片法、裹絕緣紙銅片法 銅片在 140的絕緣油中保持19h，根據(jù)生成的硫化物腐蝕銅片而變色的原理來判斷試驗樣品是否具有腐蝕性。 定性，判斷有無；定量方法不完善 目前的措施是油中添加有機(jī)鈍化劑。,應(yīng)用背景,1,傳統(tǒng)評估技術(shù),2,現(xiàn)代狀態(tài)評估技術(shù),3,油-紙絕緣替代材料評估,4,小結(jié),5,19,20,現(xiàn)代狀態(tài)評估技術(shù),1、基于FTIR技術(shù)的狀態(tài)評估 油中不同的組分物質(zhì)化學(xué)鍵的紅外吸收譜段有所不同； 該方法可以辨識溶解的油氧化或裂解產(chǎn)物，以此反應(yīng)油和紙的老化情況；如C=O（1800-1670cm-1）；SO2、SO3（ 1180-1120cm-1 ） 檢測水分含量；（相

9、比KF法可以實現(xiàn)自動化） 需要與初始干 凈油樣做對比；,21,現(xiàn)代狀態(tài)評估技術(shù),2、基于GC-MS技術(shù)的狀態(tài)評估 氣相色譜-質(zhì)譜連用；色譜分離混合物、質(zhì)譜作為檢測器識別化合物種類、確定濃度。 被測對象應(yīng)該易揮發(fā)、熱穩(wěn)定性好； 間接評估方法： 可以測量油中溶解氣體等,22,現(xiàn)代狀態(tài)評估技術(shù),3、基于UV/Visible光譜技術(shù)的狀態(tài)評估 紫外（190-400nm）和可見光（400-800nm）光譜技術(shù)。 基于吸收光譜的技術(shù)；基本原理是達(dá)朗比爾定律： 檢測溶解氧化產(chǎn)物的含量 圖譜分析檢測糠醛 檢測油中自由基團(tuán)含量 （反應(yīng)老化速度）,23,現(xiàn)代狀態(tài)評估技術(shù),4、渾濁度分析 反應(yīng)的是光線透過時受到阻礙

10、地程度表示油對于光線散射和吸收地能力。它不僅與懸浮物地含量有關(guān)，而且還與油中雜質(zhì)地成分、顆粒大小、形狀及其表面地反射性能有關(guān) 采用濁度計測量90散射光；單位是NTU；（價格高） 濁度增大，反應(yīng)油被污染的程度；,應(yīng)用背景,1,傳統(tǒng)評估技術(shù),2,現(xiàn)代狀態(tài)評估技術(shù),3,油-紙絕緣替代材料評估,4,小結(jié),5,24,25,油-紙絕緣替代材料評估,電力變壓器兩種絕緣材料：油、紙 傳統(tǒng)上油主要采用礦物油（mineral oil）； 替代：更環(huán)保的合成油、植物油 傳統(tǒng)的紙采用牛皮紙（Kraft）、thermal-upgraded Kraft 高強(qiáng)度合成纖維紙Nomex紙（性能好，價格高）杜邦 3M公司采用濕法造紙工藝新型絕緣紙（低吸濕，含水時穩(wěn)定電性能、更高的熱穩(wěn)定溫度、不易水解、可用的機(jī)械和電氣強(qiáng)度） 適用于新型油-紙絕緣材料的變壓器絕緣狀態(tài)評估欠缺 目前的評估方式都是基于傳統(tǒng)的油-紙絕緣體系 對于新型油-紙體系，雖然可以采取相同的評估方法，但對結(jié)果解釋會有差異，需要研究,應(yīng)用背景,1,傳統(tǒng)評估技術(shù),2,現(xiàn)代狀態(tài)評估技術(shù),3,油-紙絕緣替代材料評估,4,小結(jié),5,26,27,小結(jié),經(jīng)過多年的發(fā)展開發(fā)很多種基于理化特性的油-紙體系老化狀態(tài)評估方法； 各有自己的特點：直接方法、間接方法；