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(rèn)同。傳統(tǒng)方法通過(guò)定期測(cè)量變壓器絕緣油中的水含量來(lái)評(píng)估其干燥度。該信息可用于評(píng)估絕緣紙中水分的含量。固體絕緣和液體絕緣中水分過(guò)多會(huì)極大地降低絕緣強(qiáng)度和局部放電水平。關(guān)于濕度對(duì)絕緣老化的影響也已經(jīng)有很多的論述,已經(jīng)證實(shí)，在高溫下繞組絕緣中的濕氣會(huì)導(dǎo)致氣泡的產(chǎn)生，從而影響整個(gè)

2、絕緣結(jié)構(gòu)的絕緣性。因?yàn)檫@些問(wèn)題的存在，人們?cè)诓恍傅膶で蟾倪M(jìn)變壓器固體絕緣中水分含量的測(cè)定方法。1.油中的濕度傳統(tǒng)的濕度檢測(cè)法需要定期地對(duì)油進(jìn)行取樣。通常使用卡爾費(fèi)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(guò)相對(duì)飽和值來(lái)評(píng)估濕度的含量。定期采樣存在一個(gè)問(wèn)題，就是水分含量會(huì)隨著負(fù)荷和隨之帶來(lái)的繞組溫度的變化而發(fā)生很大的變化。圖1說(shuō)明了這種變化，顯示了一臺(tái)25MVA變壓器在運(yùn)行狀態(tài)和停運(yùn)狀態(tài)下的相對(duì)濕度。該變壓器為一臺(tái)老式的水冷型發(fā)電站的設(shè)備。油溫，RH%油溫相對(duì)濕度圖1：運(yùn)行狀態(tài)和停運(yùn)狀態(tài)下相對(duì)濕度含量在滿負(fù)荷情況下，相對(duì)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(yùn)行。15天后，相對(duì)飽和度基本穩(wěn)定在30 %，油溫為35。卡爾費(fèi)舍滴定法測(cè)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(tái)變壓器可以明確地歸類為“濕”，但是測(cè)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(gè)新的平衡需要許多周的時(shí)間。相對(duì)飽和度的測(cè)量與傳感器中的油溫密切相關(guān)。在滿負(fù)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(yùn)行中是有效的，因?yàn)橛偷难h(huán)要比濕度轉(zhuǎn)移快的多，因此可以假定油中的絕對(duì)水含量（單位為ppm）在整個(gè)循環(huán)油中是相同的。因此，相對(duì)飽和度可以通過(guò)變壓器中任意點(diǎn)處的油溫來(lái)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(duì)于所有的油實(shí)際上是一樣的。在此圖中，x軸為1000/T，y軸為濕度的對(duì)數(shù)。在此圖中，油的相對(duì)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(guò)對(duì)同種油中兩個(gè)不同溫度處的測(cè)量來(lái)確定。當(dāng)油的濕氣含量變化時(shí)，特征直線會(huì)發(fā)生位移，但仍然與原來(lái)的直線平行。因此，在油的特征斜率確定以后，只需要一次測(cè)量就可以了。繞組過(guò)熱點(diǎn)處的油的相對(duì)飽和度：22 %2.相對(duì)濕氣飽和度（%）油中水的凝結(jié)（41）溫度（）圖2：油的相對(duì)濕度與溫度之間的關(guān)系在環(huán)境溫度很低的情況下，對(duì)變壓器的突然冷卻將導(dǎo)致水凝結(jié)，這個(gè)溫度可以從圖2中看出。在圖1所示的那臺(tái)“濕”變壓器

5、，100 %飽和度對(duì)應(yīng)的溫度為41。從此圖中還可以看出在任何油溫時(shí)的相對(duì)濕度數(shù)值。對(duì)于圖1所示的變壓器，滿負(fù)荷情況下的過(guò)熱點(diǎn)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(shí)與絕緣紙接觸的油的相對(duì)濕度為22 %。GE Syprotec的 FARADAY TMCS中實(shí)現(xiàn)了此項(xiàng)功能。因此，通過(guò)一次測(cè)量相對(duì)濕度和溫度，即可計(jì)算出任何溫度下的相對(duì)油飽和度。3.穩(wěn)定狀態(tài)下絕緣紙中的濕度如果達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，即在油和紙之間沒(méi)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(kāi)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(duì)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(duì)油飽和度（%）圖3：油與紙之間濕度分配的平衡曲線4.過(guò)渡條件下絕緣紙中的濕度對(duì)于一個(gè)負(fù)荷和周圍環(huán)境都不斷變化的變壓器，要通過(guò)油中水分含量來(lái)評(píng)估紙中含水量會(huì)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(duì)紙則正好相反）。水分分配曲線可以用于通過(guò)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(shí)間后才可以應(yīng)用。這樣的條件對(duì)于運(yùn)行中的變壓器來(lái)說(shuō)是無(wú)法滿足的，但是可以獲得準(zhǔn)穩(wěn)定的條件。對(duì)于這一結(jié)果，So

7、kolov(2) 開(kāi)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(bào)道，如果變壓器在最高油溫60至70之間運(yùn)行三天，那么濕氣轉(zhuǎn)移的速率就會(huì)非常的低，足以表示已經(jīng)接近達(dá)到平衡。因此，此時(shí)油中水的相對(duì)飽和度可以用于計(jì)算固體絕緣中水分的含量。如果能夠?qū)λ忠苿?dòng)的過(guò)渡特點(diǎn)進(jìn)行建立一個(gè)模型，則將會(huì)十分誘人。但是吸附和解吸附機(jī)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(huì)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(duì)于一個(gè)在負(fù)荷急劇增加情況下的 500-kVA 配電變壓器，解吸附過(guò)程的平衡時(shí)間為幾天的時(shí)間，

8、而吸附過(guò)程的平衡時(shí)間卻是幾周的時(shí)間。在高壓繞組的樣本中，Azizian(4)和Davydov(5)還發(fā)現(xiàn)平衡時(shí)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(shí)還顯示，即使引進(jìn)了一個(gè)變化的時(shí)間常數(shù)，這種移動(dòng)現(xiàn)象也不能使用簡(jiǎn)單的指數(shù)函數(shù)進(jìn)行建模?？紤]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(guò)水分移動(dòng)的動(dòng)態(tài)行為建立一個(gè)用于在線監(jiān)視的實(shí)用模型。將嘗試使用準(zhǔn)穩(wěn)定周期以及問(wèn)題的簡(jiǎn)化處理來(lái)解決濕氣移動(dòng)監(jiān)視。5.考察點(diǎn)為薄絕緣層位置在變壓器中，大部分的水分都是存儲(chǔ)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(shí)間常數(shù)很長(zhǎng)，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(wú)法接觸到油，從而妨礙了濕氣的進(jìn)一步傳輸。幸運(yùn)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(shí)絕緣組件會(huì)受到熱老化的影響，這就是在高過(guò)載條件下產(chǎn)生氣泡的原因。因此，將紙中水分的計(jì)算局限在計(jì)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(duì)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(jiǎn)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(cè)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(duì)于投入實(shí)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(guò)熱點(diǎn)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?yàn)樗脑黾又饕亢艽蟮臒崂匣铀僖蜃拥挠绊憽Ｔ谳^低的溫度下，無(wú)論怎樣，老化的速度都是很慢的，濕度計(jì)算的精度對(duì)整體的老化沒(méi)有顯著的影響。釋放出的自由氣泡所帶來(lái)的危險(xiǎn)也只是在高溫條件下才值得注意。事實(shí)表明在高溫下，絕緣紙中駐留的濕度會(huì)導(dǎo)致釋放出自由氣泡。這種情況無(wú)論如何都應(yīng)該避免，因?yàn)樗鼘?duì)整體絕緣造成嚴(yán)重的威脅。在高應(yīng)力區(qū)域內(nèi)發(fā)生的氣泡會(huì)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(jiǎn)化關(guān)系圖。這些研究由McNutt(7)率先進(jìn)行，后來(lái)又得到Oommen(8)和Davydov (9) 的認(rèn)可，研究表明對(duì)于一個(gè)紙中含水量為5 %的“濕”變壓器，起泡溫度大約為100，而對(duì)于一個(gè)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(shí)可以接受較大的誤差范圍，因?yàn)樵诘蜏貢r(shí)紙中的濕氣含量不會(huì)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(kuò)散時(shí)間目前還沒(méi)有太多的數(shù)據(jù)可以用于評(píng)估繞組絕緣的擴(kuò)散時(shí)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(cè)試對(duì)象為模擬的高壓繞組。時(shí)間常數(shù)定義為在溫度成階梯變化，達(dá)到平衡的63 %時(shí)所需要的時(shí)間。文獻(xiàn)中已經(jīng)提到薄絕緣材料理論上的擴(kuò)散時(shí)間常數(shù)，在圖5中也已標(biāo)出。需要進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)工作來(lái)驗(yàn)證實(shí)際運(yùn)行的變壓器的繞組絕緣擴(kuò)散時(shí)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(lái)表征在過(guò)熱點(diǎn)區(qū)域繞組絕緣的擴(kuò)散時(shí)間常數(shù)。注意到實(shí)驗(yàn)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(guò)程的時(shí)間要長(zhǎng)的多，但尚無(wú)充分的數(shù)據(jù)來(lái)評(píng)估所應(yīng)用的時(shí)間常數(shù)。對(duì)于冷卻階段，使用較短的時(shí)間常數(shù)是一個(gè)比較保守的方法，因?yàn)樗腔诶@組絕緣吸

13、收水分的速度比實(shí)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(shí)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(kuò)散時(shí)間常數(shù)（小時(shí)）圖5：薄絕緣材料上的理論和實(shí)驗(yàn)擴(kuò)散時(shí)間常數(shù)8.紙中濕度的在線監(jiān)視實(shí)用方法FARADAY TMCS含有一個(gè)濕度分析模型，可以對(duì)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(píng)估繞組絕緣紙水分含量的模型是建立在對(duì)下列歷史數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上：l 油中的相對(duì)濕度l 濕度傳感器溫度l 最高油溫l 負(fù)荷電流這種模型按照?qǐng)D6所示的順序執(zhí)行。過(guò)熱點(diǎn)溫度由油溫、負(fù)荷電流和變壓器特征進(jìn)行計(jì)算。如果過(guò)熱點(diǎn)溫度低于80，則不進(jìn)行進(jìn)一步的計(jì)算，紙中水分的含量假定為上次計(jì)算的數(shù)值。如果過(guò)熱點(diǎn)溫度等于或高于80，則需將下列參數(shù)在穩(wěn)定時(shí)期內(nèi)取平均值：l 平均過(guò)熱點(diǎn)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(jì)算出在熱點(diǎn)溫度下與繞組絕緣體接觸的油的相對(duì)濕度。然后應(yīng)用油-紙分配曲線將油中的相對(duì)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(jì)算值用于更新默認(rèn)數(shù)值

15、紀(jì)錄。在過(guò)熱點(diǎn)溫度以及熱穩(wěn)定性無(wú)法使用平衡曲線時(shí)使用此默認(rèn)數(shù)值。最高油溫負(fù)荷電流9.紙中濕度模型計(jì)算用于計(jì)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(diǎn)溫度計(jì)算熱點(diǎn)溫度下油中的水分含量計(jì)算紙中的水分含量 刷新紙中水分含量的默認(rèn)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(duì)濕度傳感器如GE Syprotec的 AQUAOIL 300可以對(duì)變壓器油中的水份含量進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，通過(guò)所取得的信息可以方便地得出水凝結(jié)溫度。從相對(duì)飽和度特征中還可以推出繞組絕緣體接觸的油的相對(duì)濕度。為了評(píng)估固體絕緣中的水分含量，需要進(jìn)行一些折衷的辦法來(lái)處理紙和油之間水

16、分移動(dòng)的復(fù)雜的動(dòng)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(duì)于紙中水分的主要關(guān)注為加速老化和起泡風(fēng)險(xiǎn)。這些有害的影響只在繞組絕緣體高溫時(shí)才值得擔(dān)心。因此，只對(duì)過(guò)熱點(diǎn)溫度條件下的水分含量進(jìn)行精確評(píng)估是足夠的。充分利用這兩種簡(jiǎn)化方法，可以進(jìn)行在線條件下的監(jiān)測(cè)，從而識(shí)別出準(zhǔn)穩(wěn)定狀態(tài)下的過(guò)熱點(diǎn)溫度，使用該溫度來(lái)評(píng)估在大多數(shù)惡劣運(yùn)行條件下的絕緣紙中水分的含量。參考文獻(xiàn)1. T.V. Oommen“Moisture Equilibrium in Paper-Oil Insulation Systems”Proc. Electrical Insulation Confer

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