电力变压器油纸绝缘特征气体随温度的变化.pdf

第3 5 卷第4 期 ( 2 0 1 6 ，0 4 )仪表电号 电力变压器油纸绝缘特征气体随温度的变化 侯 英洒 李洁 赵 建利 摘要 ：绝缘油中溶解的特征 气体是 油浸式 变压器中绝缘纸绝缘能力的直观量度。为探 究温度对绝缘 油中的特征 气体作用情 况，在 实验 室中制备样品 ，进行 色谱试验 ，测出 C O、C O 、cH 和 c H 四种 特 征 气体 在 不 同温 度 下随 老化 时间 的 变化情 况 ，并绘 制 曲 线进行分析。结果表 明，温度 能促使特征 气体在不 同老化 阶段幅值有所增大，能对特 征 气 体 曲线 变化 趋 势产 生 显 著影 响 ；通 过 特 征 气体 曲线 变化 趋 势 能对 绝 缘 纸老 化 状 况 进行 判 定 ，为 绝缘 纸 老化 状 况的评 估提供 更进 一步 的基础 数据 。 关键词：变压器 ；温度 ；溶解气体 ；老化时间 ；绝缘油 D o i ： 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 6 - 6 8 9 6 ． 2 0 1 6 ． 4 ． 0 2 5 St udy on t he Change of Tem per at ur e t o O i l - 。paper I ns ul at i on Char ac t er i s t i c Gas i n Pow er Tr ans f or m er Ho u Yi n g s a ，L i j i e ， Zh a o J i o n l i A bs t r a c t： Th e c h a r a c t e r i s t i c g a s i n i n s ul o t i on oi l i s di r e c t l y me a s u r e t o t h e i ns u l o t i on c a p a bi l — j t v o f i ns u f a t i n g p a p e r i n o i l j mm e r s e d t r a n s f o r me r ． 1 n or de r t o s t u d y t he e ffe c t o f " t e rnp e r a t u r e t o c h a r a c t e r i s t i c g a s i n i ns u [ a t i n g oi l ， s a mp i e s we r e pr e p a r e d i n t h e l a bo r a t o r y t o de v e l op t h e c h r o ma t og r a phi c t e s t ． The c h a n g e o ff ou r c h a r a c t e r i s t i c g a s e s Co ， CO 2 ， CH 4 a n d C2 H 2 u n — d e r d i Ve r e nt t e rnp e r a t u r e wi t h a gi n g t i me we r e me a s u r e d． t he c u r y e wa s d r o wn t o a n a l y z e ． R e s u I t s s h ow t ha t t e rnpe r a t u r e C OU l d p r oma t e g a s c h d r a c t e r i s t i c s i n c r e a s e d o f-g a s c h d r d c t e r i s t i c s c u r y e a t d i ffe r e nt a gi ng s t a ge s a m p l i t u de， b r i n g d s i g ni fi c 0 n t e ffe c t t o t h e c h a n ge t r e n d． The i n s u l o t i on p a p e r a g i ng wa s de t e r mi ne t h r ou g h t he c h a n g e t r e n d o f c h a r a c t e r i s t i c g a s c u r ye． a nd i t c a n p r o v i d e b a s i c d a t a o f-f u r t h e r s t a t u s f o r t h e a s s e s s me n t o f-i n s ul o t i on p a p e r a g i n g c o n— di t i on ． K ey wa r ds ： t r a n s f or m e r ； t e rnp e r a t u r e ； d i s s ol v e d g a s ； a g i ng t i m e； i n s u l a t i n g oi l 油 浸 式 变压 器 是 电 网中 电压 转 换 的核 心器 件 ， 对整个 电网的安全运行有极为关键的作用。绝缘油 和绝 缘 纸组 成 的 内绝缘 系统 是油 浸 式 电力变 压器 主 要的绝缘系统 ，其绝缘能力 的好坏是变压器经济寿 命 和运 行稳 定 性 的重要 指标 。加 强 对油 浸式 电力 变 压器绝缘能力的监测 ，研究 内绝缘系统老化特征产 物的产生和作用机理有重要意义 。 变 压器 运行 过程 中 ，绝 缘纸 的 老化速 度 远远 低 于 绝 缘 油 。 随 运行 时 间 的延 长 ，绝 缘 纸 的 老 化 产 物 ( 如 气体 、糠 醛 等 )会溶 于油 中 ，可通 过 判断 油 中的老化产物对绝缘纸老化状况进行评估 。国内外 针对油纸绝缘系统老化的影响因素和作用机理已进 行了大量研究 ，得出了很多重要的结论 ，但针对油 纸 绝 缘 老 化 的 特 征 产 物 —— 特 征 气 体 的研 究 还 很 少 ，这方 面 的理论 还有 待补 充 。 本文 针对 变压 器 绝缘 纸在 劣化 过程 中生 成 的溶 解 于 矿物 油 中的 C 0、C O 。 、C H 和 C 。 H 四种 特 征 气 体进行研究。在实验室中制备油纸绝缘样品进行实 验 ，获得气体含量数据并绘制曲线分析 ，得 出温度 对 四种特征气体的影响规律，可为变压器的绝缘能 力监测和评估提供参考 。 1 特征气体的产生及种类 变压 器 中绝缘 纸 主要 成分 是纤 维素 ，另 外还 有 少量的半纤维素和木质素。在变压器工作过程 中， 绝缘纸受温度、酸和水分的影响 ，内部的纤维素等 大分 子会 发 生裂解 和 碳化 反应 ，变 成小 分子 ，并 产 生氢气和一些烃类气体。油中的溶解气体主要由绝 内蒙古 科技大 学信 息工 程学院 内蒙古电力币 斗 学研究院 油气田地面工ilN h t t p d ／ w ww ． y q t d m g c ．C O rn 73 仪 表 电 与 侯英洒等：电力变压器油纸绝缘特征气体随温度的变化 缘 纸 的 劣化 而 产 生 。纤 维 素 、半 纤 维 素 中有 很 多 低热稳定性的左旋糖环和碳氧键 ，在外界温度、水 分等因素和内部催化剂作用下 ，会裂解产生水 、气 体 和其他一 些小分子产物 。C O和 C O 的产生速度 与 温度 、纸 中水 分 也有 很大 关 系 ，温度 上升 时产 生 气体速度加快 ，绝缘纸 中大分子发生反应生成的气 体有 C O、C O 、C H 和C H 。 等 。本文将研究温度对 这 四种 特征 气体 的影 响规 律 。 2绝缘油溶解气体 实验 ( 1 )将 0 ． 8 m m魏德 曼 新 纸裁 剪 成 圆 形 ，共 6 0 张 ，分 为 4 份 ，每份 1 5 张 ；放人 干燥 实验箱 中烘 干 ，时间设 定 为 1 0 h 。 ( 2 )将 纸 样 品 分 别 放 入 6 O个 磨 口玻 璃 瓶 中 ； 将干燥处理的绝缘油按照 1 0： 1 的比例添加进磨 口 瓶 中；为更真实模拟油纸绝缘系统 ，需在每个磨 口 瓶 中加入 一 片直径 为 i 0 mm的 圆形铜 片 ，室 温 中放 置 4 8 h 。 ( 3 )将 4 份 油纸 样 品( 每份 1 5 个 )分 别放 入 4 个同型号加速老化试验箱中 ，将试验箱 的温度设定 为 3 0 、5 0 、8 0 和 l 1 0。 C，测 量 不 同 温 度 下 样 品 的 变化情 况 。 ( 4 )在 不 同 老化 时 间 时 ，用 大 针筒 吸取 1 0 mL 油样 ，放人干燥震荡仪 中进行震荡 ，5 0 rai n 后用小 针管吸取震荡结束后大针筒上层的气体 ，注入色谱 分析 仪 中进行 分析 。 ( 5 )从色谱分析软件 中，读出不同温度样品的 C O、C O 。 、C H 和 C H 的含 量 ，对 多 组 数 据 取 平 均 值 以减小 误 差 ，并将 最终结 果 绘制 出 曲线 。 3结 果及 分 析 提 前对 色谱 仪 进行 预热 ，并 注入 标 准气 体进 行 标准值测定 ，多次注入后得 出平均标准值。以标准 值 为基 础 ，对样 品测量 数据 进行 对 比，得 出样 品 的 色谱数据。通过色谱仪读取不同温度不 同老化时间 下 油样 品里 C O、C 0 、C H 和 C 。 H 气 体含 量 的数 据 ，从而 绘 制气 体 含量 随老 化 时 间 的变 化 曲线 ( 图 1 一 图 4 ) 。 从图 1 — 4 可 以看出，随着温度的升高 ，绝缘油 样品中四种特征气体的幅值均在变大 ，整体均表现 为初期快速上升到后期平缓 ；但四种气体不同温度 下随老化时间的加大幅值趋势却不相同 ，含量值也 有差别 。图 1中 ，C O含量 随老化开始 急剧增 大 ， 达 到峰值之后 缓慢下 降 ，并最 终保持恒 定 ；图 2 中，C O 含量在老化初期迅速上升 ，并最终保持恒 7 4 8 0 O 7 0 0 6 0 0 0 0 4 0 0 警3 0 o 2 O 0 l 0 O O 9 0 0 8 0 0 7 0 0 4 ． 5 4 3 ‘ ： 2 。 营 t． 1 0 ． 5 0 0 2 0 4 0 6 0 ‘ 老化时间／ d 图 1 c 0 含量的变化 曲线 2 0 4 0 6 0 老化 时间／ d c 0 含量 的变化 曲线 0 t 0 2 0 3 0 4 0 5 O 老化时闻／ d 图3 O H 含量的变化曲线 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 老化时问／ d 图4 C 2 H 含量的变化 曲线 油气 田地面工程 h t t p d ／ w w w ． y q t d m g c ． C O IT I 啪 耋 莩 枷 喜 } 瑚 0 一 r ， I ． ，I ＼ 唧姐 8 2 图 O 7 6 5 4 3 2 l O ( 1 ^ 1 ． ， I e＼ 黼如《u 第3 5 卷第4 期 【 2 0 1 6 ． 0 4 )仪表电号 定值 ，虽在低温时曲线有波动 ，但整体趋势基本不 发生 变化 ；图 3和 图 4 是 油 中的烃类 气体变 化 曲 线 ，溶解 于绝 缘 油 中烃类 的其他 气体( 如 C 。 H 、 C 。 H。 )含量 均在 老化开始时快速增加 ，之后趋 于 稳定 ，变化 曲线和 C H 的变化曲线相类似 ，故在此 仅作 出 C H 的变化 曲线 ；图4中乙炔( C 。 H 。 )在色 谱分 析时含量较少 ，其在老化初期先缓慢增 加 ， 在 老化 时 间达 到 2 0 天 之后 快 速 增 加 ，在 4 0 天 以后 保持恒定。 在变压器工作过程中，油浸式 电力变压器 的内 缘系统受到温度 、酸等影响因素的作用 ，纤维素中 大分子会发生裂解反应 ，生成醇 、醛 、酮等 中间 氧化 物 ，并伴 随生成 C O 。 、C H 等气体 ，也 可根据 溶解气体的含量变化来诊断出绝缘纸劣化状态 。绝 缘油在温度为 3 0 ~ C左右时会发生反应生成低 分子 烃类气体。纤维素 ，木质素等大分子 中具有很多热 稳 定 性 比油 中的碳 氢键要 弱 的碳 氧键 和 苷键 ，它 们 能在低温情况下进行重组 ，反应产生 出很多特征气 体及其他一些小分子化合物。温度升高之后 ，在氧 气 的作用下 ，C O发生氧化 反应 ，生成 C O ，导致 C O 。 的量增加 ，这就是 C O的值先增 大到最 大值之 后再下降 的原因。内绝缘系统绝缘能力下 降初期 ， 存在于系统 内部 的少 量气 体会逐渐转移到绝缘 油 中，造成气体的含量在很短时间内即达到一个很高 的水平m ，并伴 随着绝缘纸的劣化 ，气体 的量达到 最多 ，在 老化 末期 趋 于稳 定 。 4 结论 电力变压器绝缘油中的溶解气体是对 内绝缘系 统绝缘能力衡量的重要指标 ，通过对油样品 中四 种特征气体进行测量 ，绘制出四种气体在温度不同 情况下随老化时间变化的曲线 ，通过分析 ，得 出如 下结 论 ： ( 1 )温度能增大 四种气体的变化幅值 ，可通过 曲线对绝缘纸的老化状况进行直观判定。 ( 2 )C O含量 曲线先增大到最大值后 ，在温度 作用下 ，发生氧化反应生成 C O 。 ，促使 C O含量 曲 线缓慢下降 ，而 C O 含量则逐渐增加。 ( 3 )C H 和 C 。 H 虽 同 为烃 类 气 体 ，但 变 化 趋势 却不相 同 ；C H 先迅速增 多 ，最 终保持恒 定 ，而 C 。 H 则 由初 期 的缓 慢增 加 变为 速度 慢慢 加 快 ，老化 后期趋于稳定。 ( 4 )通过检测绝缘油中各种溶解气体的含量并 与标样进行对比，推断绝缘纸老化情况 ，可为现场 进一步判断变压器绝缘状况提供依据。 参考 文献 [ 1 ] 林燕桢 ，蔡金锭 ．回复 电压极化谱 特征量与油纸绝 缘变 压 器 微 水 含 量 关 系 分 析 [ J ] ． 电 力 系 统 保 护 与 控 制 ， 2 0 1 4 ，4 2 ( 5) ：1 4 8 — 1 5 3 ． 【 2 ] 钱 朝春 ，宦扶 天．基于糠醛含量 分析 的变压器 固体绝缘 检测分 析[ J ] ． 电气开关 ，2 0 1 3 ，5 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