電力變壓器油中濕度變化

1、電力變壓器油中濕度變化Jacques Aubin, GE Syprotec, Pointe-Claire, Quebec, Canada （加拿大魁北克?。㏄ierre Gervais, Hydro-Quebec, Montreal, Quebec, Canada（加拿大魁北克?。┮噪娏ψ儔浩髦袧穸裙芾淼闹匾砸呀?jīng)得到大家的認同。傳統(tǒng)方法通過定期測量變壓器絕緣油中的水含量來評估其干燥度。該信息可用于評估絕緣紙中水分的含量。固體絕緣和液體絕緣中水分過多會極大地降低絕緣強度和局部放電水平。關(guān)于濕度對絕緣老化的影響也已經(jīng)有很多的論述,已經(jīng)證實，在高溫下繞組絕緣中的濕氣會導(dǎo)致氣泡的產(chǎn)生，從而影響整個

2、絕緣結(jié)構(gòu)的絕緣性。因為這些問題的存在，人們在不懈的尋求改進變壓器固體絕緣中水分含量的測定方法。1.油中的濕度傳統(tǒng)的濕度檢測法需要定期地對油進行取樣。通常使用卡爾費休爾滴定法處理油樣本，得出油中含水量（單位為ppm）。或者，通過相對飽和值來評估濕度的含量。定期采樣存在一個問題，就是水分含量會隨著負荷和隨之帶來的繞組溫度的變化而發(fā)生很大的變化。圖1說明了這種變化，顯示了一臺25MVA變壓器在運行狀態(tài)和停運狀態(tài)下的相對濕度。該變壓器為一臺老式的水冷型發(fā)電站的設(shè)備。油溫，RH%油溫相對濕度圖1：運行狀態(tài)和停運狀態(tài)下相對濕度含量在滿負荷情況下，相對飽和度為83 %，傳感器中的油溫為43。三天后，該設(shè)備停

3、止運行。15天后，相對飽和度基本穩(wěn)定在30 %，油溫為35。卡爾費舍滴定法測定的兩種狀態(tài)下的油樣中水分含量分別為80和32 ppm。雖然這臺變壓器可以明確地歸類為“濕”，但是測量的不連續(xù)性顯示出如此巨大的差異，使得確定絕緣紙中水含量的可靠數(shù)值很困難。從上圖中可以看出，建立一個新的平衡需要許多周的時間。相對飽和度的測量與傳感器中的油溫密切相關(guān)。在滿負荷狀態(tài)下，油處于循環(huán)狀態(tài)，可以假定是均勻的。這種假定在正常的運行中是有效的，因為油的循環(huán)要比濕度轉(zhuǎn)移快的多，因此可以假定油中的絕對水含量（單位為ppm）在整個循環(huán)油中是相同的。因此，相對飽和度可以通過變壓器中任意點處的油溫來確定。圖2顯示出了油飽和度

4、的特征，此關(guān)系是Voltesso 35的特征，但斜率對于所有的油實際上是一樣的。在此圖中，x軸為1000/T，y軸為濕度的對數(shù)。在此圖中，油的相對濕度與溫度是一種線性關(guān)系。如果油的特征未知，此線性關(guān)系可以通過對同種油中兩個不同溫度處的測量來確定。當(dāng)油的濕氣含量變化時，特征直線會發(fā)生位移，但仍然與原來的直線平行。因此，在油的特征斜率確定以后，只需要一次測量就可以了。繞組過熱點處的油的相對飽和度：22 %2.相對濕氣飽和度（%）油中水的凝結(jié)（41）溫度（）圖2：油的相對濕度與溫度之間的關(guān)系在環(huán)境溫度很低的情況下，對變壓器的突然冷卻將導(dǎo)致水凝結(jié)，這個溫度可以從圖2中看出。在圖1所示的那臺“濕”變壓器

5、，100 %飽和度對應(yīng)的溫度為41。從此圖中還可以看出在任何油溫時的相對濕度數(shù)值。對于圖1所示的變壓器，滿負荷情況下的過熱點溫度為85。可以假設(shè)與絕緣紙接觸的油與紙表面的溫度相同，濕度也相等。在85時與絕緣紙接觸的油的相對濕度為22 %。GE Syprotec的 FARADAY TMCS中實現(xiàn)了此項功能。因此，通過一次測量相對濕度和溫度，即可計算出任何溫度下的相對油飽和度。3.穩(wěn)定狀態(tài)下絕緣紙中的濕度如果達到穩(wěn)定狀態(tài)，即在油和紙之間沒有顯著的水交換，則可以應(yīng)用油-紙分配曲線。圖3顯示出了Oommen(1) 開發(fā)的濕度平衡曲線。此曲線可應(yīng)用于熱平衡條件下，可以將油的相對濕度轉(zhuǎn)換為固體絕緣中水分含

6、量。紙中的水分含量（凈重的百分比）相對油飽和度（%）圖3：油與紙之間濕度分配的平衡曲線4.過渡條件下絕緣紙中的濕度對于一個負荷和周圍環(huán)境都不斷變化的變壓器，要通過油中水分含量來評估紙中含水量會有一定的難度。紙板和紙都是吸水材料，容易吸收所有存在的水分，而油為疏水材料只能攜帶微量的水分。而且，油和紙的飽和度特征隨溫度的變化向相反的方向發(fā)展（熱油可以比冷油攜帶更多的水分，對紙則正好相反）。水分分配曲線可以用于通過油中水分含量確定紙中水分的含量。但是，這些關(guān)系只能在變壓器處于穩(wěn)定的溫度狀態(tài)一段時間后才可以應(yīng)用。這樣的條件對于運行中的變壓器來說是無法滿足的，但是可以獲得準(zhǔn)穩(wěn)定的條件。對于這一結(jié)果，So

7、kolov(2) 開發(fā)的一種方法可以用于近似確定主絕緣體內(nèi)水分的含量。據(jù)報道，如果變壓器在最高油溫60至70之間運行三天，那么濕氣轉(zhuǎn)移的速率就會非常的低，足以表示已經(jīng)接近達到平衡。因此，此時油中水的相對飽和度可以用于計算固體絕緣中水分的含量。如果能夠?qū)λ忠苿拥倪^渡特點進行建立一個模型，則將會十分誘人。但是吸附和解吸附機理本身是非常復(fù)雜的，應(yīng)用于變壓器的絕緣結(jié)構(gòu)中將會更加復(fù)雜。固體絕緣中有少部分很薄可以很好地被絕緣油浸入，而主要部分是很厚的絕緣體，不能一直與循環(huán)油直接接觸。Oommen(3)已經(jīng)顯示，對于一個在負荷急劇增加情況下的 500-kVA 配電變壓器，解吸附過程的平衡時間為幾天的時間，

8、而吸附過程的平衡時間卻是幾周的時間。在高壓繞組的樣本中，Azizian(4)和Davydov(5)還發(fā)現(xiàn)平衡時間的巨大差異取決于紙是否將水分釋放到油中或者從油中吸收水分。同時還顯示，即使引進了一個變化的時間常數(shù)，這種移動現(xiàn)象也不能使用簡單的指數(shù)函數(shù)進行建模。考慮到吸附/解吸附現(xiàn)象的復(fù)雜性以及變壓器絕緣的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，不能期望通過水分移動的動態(tài)行為建立一個用于在線監(jiān)視的實用模型。將嘗試使用準(zhǔn)穩(wěn)定周期以及問題的簡化處理來解決濕氣移動監(jiān)視。5.考察點為薄絕緣層位置在變壓器中，大部分的水分都是存儲在大量的絕緣材料中，這些絕緣材料構(gòu)成了繞組之間的絕緣介質(zhì)。這些主要的絕緣體占總的固體絕緣重量的90 %以上。由

9、于這些厚的纖維組件的時間常數(shù)很長，因此很難在這些絕緣體和周圍油之間獲得平衡的狀態(tài)。而且，絕緣體中的某些部分可能無法接觸到油，從而妨礙了濕氣的進一步傳輸。幸運的是我們最感興趣的絕緣體是繞組內(nèi)部的匝間絕緣，構(gòu)成此絕緣體的材料能夠很好地被油浸入。同時絕緣組件會受到熱老化的影響，這就是在高過載條件下產(chǎn)生氣泡的原因。因此，將紙中水分的計算局限在計算繞組中最熱部分的紙的含水量是可以接受的。6.僅在高溫下才需要精確濕度對于絕緣老化的影響是顯著的。纖維素的老化速率近似與其中水的含量成正比(6)。這種簡單的方法就是如果濕度從0.5 %增加到1.0 %，則老化速率變成兩倍。在老化測試中，樣品材料的濕度的基準(zhǔn)值為重

10、量的0.2至0.3 %。對于投入實際應(yīng)用的變壓器，將正常的老化速率參考值定為0.5或1 %是比較合乎情理的。但是，過熱點溫度仍然是主要的老化因素，隨著溫度的增加成指數(shù)下降。因此，水分含量的精度主要在高溫下才顯得重要，因為它的增加主要靠很大的熱老化加速因子的影響。在較低的溫度下，無論怎樣，老化的速度都是很慢的，濕度計算的精度對整體的老化沒有顯著的影響。釋放出的自由氣泡所帶來的危險也只是在高溫條件下才值得注意。事實表明在高溫下，絕緣紙中駐留的濕度會導(dǎo)致釋放出自由氣泡。這種情況無論如何都應(yīng)該避免，因為它對整體絕緣造成嚴重的威脅。在高應(yīng)力區(qū)域內(nèi)發(fā)生的氣泡會導(dǎo)致主絕緣的絕緣擊穿。圖4所示為水分含量和氣泡

11、初始溫度的簡化關(guān)系圖。這些研究由McNutt(7)率先進行，后來又得到Oommen(8)和Davydov (9) 的認可，研究表明對于一個紙中含水量為5 %的“濕”變壓器，起泡溫度大約為100，而對于一個含有0.5 %濕氣的干變壓器，起泡溫度要高于180。因此，關(guān)注高溫下的精度是合理的，在低溫時可以接受較大的誤差范圍，因為在低溫時紙中的濕氣含量不會產(chǎn)生馬上不良后果。氣泡起始溫度（）Davydov et al.(9)Oommen et al.(8)紙中的濕氣含量（%）圖4：氣泡演變的臨界溫度7.高溫下薄絕緣體內(nèi)的擴散時間目前還沒有太多的數(shù)據(jù)可以用于評估繞組絕緣的擴散時間常數(shù)。圖5中搜集了少量的已

12、經(jīng)出版的數(shù)據(jù)(10)，測試對象為模擬的高壓繞組。時間常數(shù)定義為在溫度成階梯變化，達到平衡的63 %時所需要的時間。文獻中已經(jīng)提到薄絕緣材料理論上的擴散時間常數(shù)，在圖5中也已標(biāo)出。需要進一步的實驗工作來驗證實際運行的變壓器的繞組絕緣擴散時間常數(shù)，在此之前我們可以使用圖3中以虛線繪出的近似函數(shù)。這是在FARADAY TMCS中使用的函數(shù)，用來表征在過熱點區(qū)域繞組絕緣的擴散時間常數(shù)。注意到實驗參考總是參照解吸附階段（紙中的水分正在向油中釋放）。眾所周知在冷卻階段吸附過程的時間要長的多，但尚無充分的數(shù)據(jù)來評估所應(yīng)用的時間常數(shù)。對于冷卻階段，使用較短的時間常數(shù)是一個比較保守的方法，因為它是基于繞組絕緣吸

13、收水分的速度比實際要快的假設(shè)。Davydov et al.(5) （繞組模型）Davydov et al.(5) （紙板）Griffin(11) （絕緣導(dǎo)體）Sokolov 和 Vanin(2) （真實尺寸變壓器）Oommen(3)（配電變壓器）Du et al.(12) （理論值）Von Guggenberg(13) （理論值）Sokolov et al.(14) （理論值）FARADAY 模型近似值溫度（）擴散時間常數(shù)（小時）圖5：薄絕緣材料上的理論和實驗擴散時間常數(shù)8.紙中濕度的在線監(jiān)視實用方法FARADAY TMCS含有一個濕度分析模型，可以對水冷凝溫度、絕緣紙的水分含量以及起泡起始溫

14、度提供連續(xù)的監(jiān)視。這種評估繞組絕緣紙水分含量的模型是建立在對下列歷史數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上：l 油中的相對濕度l 濕度傳感器溫度l 最高油溫l 負荷電流這種模型按照圖6所示的順序執(zhí)行。過熱點溫度由油溫、負荷電流和變壓器特征進行計算。如果過熱點溫度低于80，則不進行進一步的計算，紙中水分的含量假定為上次計算的數(shù)值。如果過熱點溫度等于或高于80，則需將下列參數(shù)在穩(wěn)定時期內(nèi)取平均值：l 平均過熱點溫度l 油中的平均濕氣含量l 平均傳感器溫度從這些數(shù)值中計算出在熱點溫度下與繞組絕緣體接觸的油的相對濕度。然后應(yīng)用油-紙分配曲線將油中的相對濕度轉(zhuǎn)換為固體絕緣體中濕氣的含量。絕緣中水分含量的計算值用于更新默認數(shù)值

15、紀(jì)錄。在過熱點溫度以及熱穩(wěn)定性無法使用平衡曲線時使用此默認數(shù)值。最高油溫負荷電流9.紙中濕度模型計算用于計算周期的平均值l 油中的水分含量l 濕度傳感器的溫度l 熱點溫度計算熱點溫度下油中的水分含量計算紙中的水分含量 刷新紙中水分含量的默認數(shù)值10.老化加速模型起泡模型起泡溫度老化加速因子凝結(jié)溫度圖 6:水分管理模型結(jié)論使用相對濕度傳感器如GE Syprotec的 AQUAOIL 300可以對變壓器油中的水份含量進行在線監(jiān)測，通過所取得的信息可以方便地得出水凝結(jié)溫度。從相對飽和度特征中還可以推出繞組絕緣體接觸的油的相對濕度。為了評估固體絕緣中的水分含量，需要進行一些折衷的辦法來處理紙和油之間水

16、分移動的復(fù)雜的動態(tài)特征。關(guān)注薄繞組絕緣紙，而忽略隱藏大量水分的主絕緣體，這種處理方法是合理的。對于紙中水分的主要關(guān)注為加速老化和起泡風(fēng)險。這些有害的影響只在繞組絕緣體高溫時才值得擔(dān)心。因此，只對過熱點溫度條件下的水分含量進行精確評估是足夠的。充分利用這兩種簡化方法，可以進行在線條件下的監(jiān)測，從而識別出準(zhǔn)穩(wěn)定狀態(tài)下的過熱點溫度，使用該溫度來評估在大多數(shù)惡劣運行條件下的絕緣紙中水分的含量。參考文獻1. T.V. Oommen“Moisture Equilibrium in Paper-Oil Insulation Systems”Proc. Electrical Insulation Confer

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