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运行维护 基于糠醛含量分析的电力变压器绝缘老化诊断 董明，张伟，张冠军，严璋 （西安交通大学，陕西 西安 ） 摘要：对油中糠醛含量、溶解气体含量和绝缘纸聚合度等数据进行了分析，并提出了电力变压器绝缘老化诊断模型。 关键词：电力变压器；绝缘老化；糠醛；聚合度 中图分类号：TM文献标识码：B文章编号：（） Diagnosis of Insulation Ageing for Power Transformer Based on Furfural Content Analysis DONG Ming, ZHANG Wei, ZHANG Guanjun, YAN Zhang （Xian Jiaotong University, Xian , China） Abstract：The data such as furfural content,dissolved gases in oil and degree of poly- merization are analyzedThe diagnosis model of insulation ageing for power transformer is presented Key words：Power transformer；Insulation ageing；Furfural；Degree of polymerization 1 引言 油纸绝缘系统是油浸式电力变压器的主要绝 缘形式。 目前有不少的大型电力变压器已经接近或 超过了设计年限，特别是有少数世纪年代投 运的变压器，出于经济性方面的考虑，仍在继续超 期运行，另外变压器的负载也在不停增长。 因此，如 何有效地监测大型油浸式电力变压器的固体绝缘 老化状况，并采取相应的对策，确保老旧变压器安 全、可靠运行，已经成为一个越来越受到重视的问 题。 为了判断固体绝缘的老化状况，我国规程中对 变压器绝缘纸的聚合度以及对已有相应运行年限 的变压器油中糠醛含量的“注意值”分别做了相关 的规定。 但是，这些指标的制定更多反映的是整体 老化时的情况，主要依据实验室中对油纸绝缘进行 加速老化实验的结果，现场应用中发现这些“注意 值”可能过于宽松。 另外，仅仅依靠某个参数值的大 小或其增长速率判断变压器绝缘纸的老化程度还 存在较大的不确定性，因而有必要进行更深入的研 究。 笔者对所收集到的大量运行变压器油中糠醛 含量及油中溶解气体含量等数据进行了统计分析。 在此基础上， 分析了固体绝缘老化机理和老化引起 的故障， 提出了对电力变压器绝缘老化状况进行诊 断的判据。 2 固体绝缘老化的诊断方法 电力变压器的寿命主要取决于其固体绝缘，例 如绝缘纸及纸板等纤维素材料等。 最早采用测量绝 缘纸抗张强度（Tensile Strength，TS）判断绝缘纸劣 化的方法， 若绝缘纸的抗张强度下降到初始值的 或更低时，设备便到达最终使用期限。 虽然抗张 强度的测量比较直观，但由于需要停电吊芯，而且要 求样品较多，在运行中的变压器不容易实现。 变压器固体绝缘材料的主要成分为纤维素，而 绝缘纸的聚合度 （Dgeree of Polymerization，DP）是 指绝缘纸的纤维素分子中D葡萄糖单体的平均数 目。 一般而言，新绝缘纸的聚合度为 之 间；当聚合度下降到时，绝缘纸的机械强度将急 剧降低；当聚合度下降至时，绝缘纸的机械强度 将完全丧失而难以再承受机械力。 绝缘纸的聚合度 试验，样品需要量较少，重复性比抗张强度试验好， 是目前评估绝缘纸老化状况最为直接、 有效的方法 之一。但同抗张强度试验一样，聚合度试验面临着获 第 45 卷 第 12 期 2008 年 12 月 TRANSFORMER Vol December No 第 45 卷 取“典型纸样”的困难，另外聚合度试验的操作步骤 复杂，试验时间长，因此影响了聚合度试验在现场 的大规模推广使用。 油中溶解气体一氧化碳（CO）和二氧化碳（CO） 含量分析也是判断变压器绝缘纸劣化程度的方法 之一。 但是CO和CO不仅是变压器绝缘纸劣化的 产物，也可以由绝缘油氧化分解产生，而油中溶解 的CO和CO气体分散性太大。 从现场应用及相关 研究的情况来看， 单单依靠CO和CO含量或它们 的增长速率判断变压器绝缘纸的老化程度，目前还 存在较大的不确定性。 理论分析和实验室研究均已表明，变压器油中 糠醛的产生，仅仅来自于绝缘纸或纸板等纤维素材 料的老化分解。 因此，监测油中糠醛的含量及其变 化，就有可能比较准确地判断变压器固体绝缘当前 的老化状况及其发展趋势，从而及时发现可能引起 绝缘老化事故的隐患。 利用糠醛含量评价固体绝缘 的老化状况有诸多优点，它避免了TS和DP检测所 面临的困难和不足，不需要停电以采集纸样，油样 的获取非常方便， 且使用高效液相色谱仪（High Performance Liquid Chromatography，HPLC）时，测 量的重复性和精度都比较高。 另外，检测变压器油 中的糠醛浓度不仅可以用于矿物油纸绝缘变压 器，对采用其他液体绝缘介质（如硅油等）的变压器 也很有效。 关于油纸绝缘系统中糠醛的产生机理及 其影响因素，国内外已经进行了很多实验室加速老 化试验研究。 针对现场运行变压器，也开展了一些 统计分析。 近几年以来， 我国也开始重视糠醛检测工作， 并针对我国具体国情，研制了一套造价低廉、操作 方便，主要适用于电力部门进行现场简易测量的分 光光度检测法。 但总的来说，就运行变压器而言，目 前利用油中糠醛含量来评估固体绝缘的老化状况， 还缺乏实用、可靠的判据。 实际上，固体绝缘老化过 程中将有多种参数发生变化，因此怎样基于多参数 的检测来诊断，取长补短，将更为有效。 例如，同时 研究油中糠醛浓度与溶解气体、油中水分及酸度等 之间的关系， 尽可能充分地利用它们提供的信息， 才有利于使固体绝缘老化状态的诊断更加全面、准 确。 3 糠醛含量与变压器油中溶解气体的关系 糠醛和油中溶解气体均为油浸电力变压器老 化分解产物。 由于油中溶解气体能够提供丰富的变 压器故障状态信息，如何将这两者结合以进行变压 器固体绝缘故障和老化状况的综合诊断一直是研 究热点问题。 笔者搜集了 例现场运行变压器的油中糠 醛含量实测数据。 绝大部分糠醛数据所对应的变压 器运行年份清楚， 其中部分变压器的电压等级、容 量、 安装位置及CO、CO等油中溶解特征气体含量 等信息也比较齐全。 首先针对油中糠醛含量与部分 溶解气体组分进行了相关性分析，结果如表和表 所示。 随着统计分析下限的不同，油中溶解气体含 量与糠醛含量之间的相关性水平变化趋势如图 所示。 表油中糠醛与油中溶解气体的相关分析 气体种类 油中糠醛含量 相关度水平显著性水平 CO CO COCO CO蛐CO 总烃 Table Correlation analysis of furfural and dissolved gasses in oil 表油中糠醛与油中溶解气体的偏相关分析 控制变量气体种类 油中糠醛含量 偏相关水平显著性水平 CO，COCO，CO蛐COCO CO，COCO，CO蛐COCO CO，CO，CO蛐COCOCO CO，CO，COCOCO蛐CO Table Partial correlation analysis of furfural and dissolved gasses in oil 相关性水平 糠醛统计分析下限蛐mgL COCOCO CO蛐COCO 图油中气体含量与糠醛含量之间的关系 FigRelation between furfural contents and dissolved gas contents in oil 52 董 明、 张 伟、 张冠军等： 基于糠醛含量分析的电力变压器绝缘老化诊断 第 12 期 分析结果显示， 油中糠醛含量只与CO、CO CO、C蛐CO呈显著的正相关性，而与其他气体的相 关性不显著，尤其总烃含量更无相关性。 选取不同 含量水平糠醛数据进行相关性分析，从图中可以 看出，糠醛含量从低到高的过程中，糠醛与油中气 体含量的相关性有一定的波动性， 当浓度高于 mg蛐L时， 变化趋于稳定； 同样油中糠醛含量与 CO、COCO的相关性最高。 4 糠醛含量与运行时间的关系 通过收集大量运行中变压器数据，尤其关注单 台变压器几年之间的糠醛变化趋势。 笔者采用相关 分析、偏相关分析验证糠醛绝对含量（F）、糠醛含量 对数值（lgF）以及变压器运行年数之间的相关性，其 结果如表和表所示，其中统计分析共包含 例样本数据。 相关分析和偏相关分析表明，变压器运行年限 与糠醛含量的对数值之间存在更强的线性关系。 从 数学角度来分析，糠醛含量的变化同时还是非匀速 的随时间的推移，这种老化将表现出加速发展 的趋势。 因此将变压器运行年限划分为以下三个阶 段：小于年、年至年、年以上。 对于超过年的变压器T，），由于糠醛 对数值与变压器运行年限存在较强的相关性，应用 最小二乘法进行回归分析，其结果如式（）所示。 lgFT（） 式中F糠醛浓度，mg蛐L T运行年限，年 其相关系数R， 相关系数表示了变压器 运行年限T与变压器油中的糠醛浓度的对数lgF直 线相关关系的密切程度，且服从统计分布规律。 这 里随机样本数量n，自由度fn，选择显著 性水平，即置信概率为，按R值的概 率分布函数积分或查“相关系数检查表”求得R临 界值Rcr。 可见RRcr。 因此，设备运行年限与 变压器油中糠醛浓度的对数具有显著线性关系。 由于式（）是回归方程，不能精确地由T值计 算出F值。 对一台运行时间T的变压器来说，其糠 醛浓度实测值的对数值分布应在回归直线以下，且 应服从正态分布。 由统计学理论，其测定值必定落 在某一个单侧置信范围之内，即如下两个区间： （，TS蛐n 姨 姨 （） TS蛐n 姨 ， 姨姨 （） 式中正态分布统计量 S回归直线的标准差， 表征了数据围绕 该直线的分散程度 变压器纸绝缘的老化是一个长期、 缓慢的过 程。 因此在一般情况下，没有必要将检测周期制定 得像检测放电故障和过热故障的油中溶解气体分 析那样短。 将随机抽样中大约糠醛含量超过同 期运行设备的平均水平作为需要缩短绝缘老化检 测周期的对象是比较合理的，这里将这类变压器称 为非正常老化变压器。 对于选定的样本，经计算得 到S。 选择显著性水平， 即置信概率为 ，查正态分布表得：，按式（）和式（）， 则单侧置信区间如下，即： （，TT（） （T，）（） 也就是说，有的把握说，正常变压器油中 糠醛含量的实测值应落在直线以下所表示的区间 之内。 同理，对于年至年的运行中变压器（T ，），得到如下统计区间： （，TT（） （T，）（） 对于小于年的运行中变压器 （T，）， 得到： （，TT（） （T，）（） 综上所述，如以年以下、年年、大于 年为三段，则可以得到变压器糠醛含量与运行时 间的关系，如图所示，其中由曲线将平面划分为 表糠醛含量与变压器运行年限的相关分析 变量 运行年限 相关度水平显著性水平 lgF F Table Correlation analysis of furfual contents and operation time of transformer 表糠醛含量与变压器运行年限的偏相关分析 控制变量影响因子 运行年限 偏相关水平显著性水平 lgFF FlgF Table Partial correlation analysis of furfural con- tents and operation time of transformer 53 第 45 卷 非常老化区以及正常老化区。 5 固体绝缘老化诊断模型 糠醛的绝对含量与其变化量均非常重要，而 在DGA方面，糠醛浓度与CO、CO蛐CO有些相关， 但不确定性很强。 因此笔者主要利用油中糠醛含 量、其增长率和变压器运行年限这三个基本信息， 并结合油中CO、CO蛐CO的比值（当CO的浓度大 于 mg蛐L），提出一种可判断固体绝缘老化状态 及其原因，并进行寿命估计的综合诊断方法，如图 所示。 根据图， 可以将变压器固体绝缘的老化状态 归为三种类型：固体绝缘处于正常老化、非故障状 态下较重度老化及故障下异常加速老化。 故障下异 常加速老化说明固体绝缘正在故障的作用下加速 老化分解；而非故障状态下较重度老化反映的则是 变压器在正常工况下运行时， 因材质不佳或运行年 久等导致的固体绝缘老化， 并伴随机械性能比较明 显的降低。 6 实例分析 【例】一台配MW发电机组的SFPSL 蛐升压变压器，年月投运， 正常运 行负载左右， 投运年后测得油中糠醛含量 为mg蛐L；同时，DGA分析测得（CO） 及（CO）蛐（CO）。 根据图的老化状态可 知，该糠醛浓度已处于非正常老化区域；糠醛增长趋 势并不明显；再按图的诊断流程，参考DGA辅助 分析，可知该变压器处于故障下异常加速老化，说明 固体绝缘状态的确进入老化阶段了。 但是当时现场 并未引起足够的重视，变压器未经处理仍继续运行， 后于年月出现运行事故。 【例】某变电站变压器，已运行年，测得 油中糠醛含量为mg蛐L； 同时，DGA分析测得： （CO）及（CO） 。对比图可 知，老化已经很明显了；再按图的流程，此时计算 （CO）蛐（CO）的结果（），因此综合诊断的最终 结论为：非故障状况下较重度老化。鉴于该变压器已 经年久运行， 在随后吊芯中也进行了绝缘纸的聚合 度测试，个部位的平均聚合度为， 说明确应作 出该主变退出运行的决定。在此，因为变压器的运行 年限已经大于年，仅根据国家规程是无法判断固 体绝缘老化状况的； 而若按照糠醛浓度达到mg蛐L 才认为固体绝缘已经严重老化的判据， 则又基本可 认为本例中变压器固体绝缘的状况是比较良好 的这与DP测试的结果并不相符。 可见，采用综 合诊断方法更利于固体绝缘老化状况的评估。 7 结论 利用相关分析和偏相关分析等统计方法， 得出 了糠醛浓度与油中溶解气体之间的相关关系， 并得 出了根据运行年数不同的变压器油中糠醛含量推断 变压器不同老化区域统计分布。 结合油中溶解CO 及CO蛐CO，提出了一种电力变压器固体绝缘老化状 态的综合诊断方法。实例分析表明，该方法比较符合 运行变压器的实际情况，具有一定实用性，更适合于 现场采用。 参考文献： 刘开敏国外电力设备寿命管理J中国电力， （）： 糠醛含量蛐mgL 运行年限蛐年 非正常老化区 正常老化区 图变压器糠醛含量与运行时间的关系 FigRelation between furfural contents and oper- ation time of transformer 油中糠醛含量 是否处于非正常老化区 糠醛增长过快 固体绝缘处于 正常老化 糠醛增长过快 CO蛐CO CO过高 非故障状态下 较重度老化 故障下的异常 加速老化 是 是 是 是 否 否 结束 图变压器绝缘老化诊断流程图 FigFlow process diagram of ageing diagnosis for transformer insulation 54 董 明、 张 伟、 张冠军等： 基于糠醛含量分析的电力变压器绝缘老化诊断 第 12 期 毕鹏翔，张文元变压器固体绝缘状态的监测方法J高 电压技术，（）： DL蛐T电力设备预防性试验规程S Unsworth J, Mitchell F Degradation of electrical insu- lating paper monitored with high performance liquid chromatographyJ IEEE Trans Elect Insul, ， （）： 杨丽君，廖瑞金，孙才新，等油纸绝缘老化阶段的多元统 计分析J中国电机工程学报，（）： MacAlpine J M K,张潮海糠醛浓度判断变压器绝缘纸 寿命的现场测量J高电压技术，（）： 收稿日期： 作者简介：董明（），男，陕西西安人，西安交通大学讲师，从事电力设备故障诊断及寿命评估技术研究工作； 张伟（），男，河北张家口人，西安交通大学硕士研究生，从事电力设备在线监测与故障诊断研究工作。 ! （上接第页） 从表和图图的波形图中可以得出： （）电压互感器的特性参数随着一次电压的增 加而增大。 当一次电压大于V，互感器的暂态磁 密超过铁心的初始饱和磁密T时，互感器在第一 个周波内出现了饱和现象； 随着暂态磁密的衰减， 互感器在第二个周波退出饱和。 当一次电压为V时， 互感器的稳态磁密达 到T，超过了铁心的初始饱和磁密，因而一次 反电势、二次电压、二次反电势波形发生了畸变。 （）一次电压大于V时，在第一个周波内互 感器出现了暂态饱和现象， 互感器的励磁电感突 减，因而励磁电流突增，出现了高于稳态励磁电流 十几倍的励磁涌流， 且励磁涌流波形为尖顶波形， 其尖的程度与磁路的饱和程度有关。 当一次电压为V时， 互感器的稳态磁密也 超过了铁心的初始饱和磁密，因而稳态励磁电流波 形也发生了畸变，为尖顶波形，见图。 经傅立叶变 换，得到励磁电流的幅频特性见图，从图中可以 看出，励磁电流除了基波（Hz）外，还出现了次、 次、次等其他奇次谐波分量。 变压器的空载损耗主要是磁滞损耗和涡流损 耗，两者均与磁通密度的幅值有关，随着一次电压 的增加，磁通密度的幅值递增，空载损耗也出现了 递增现象。 4 结论 笔者建立了基于ANSOFT软件的MAXWELL D电磁场仿真模型，分析了电压互感器机理，根据 仿真结果分析了电压互感器的电压波形、暂态磁 通、励磁电流等特性随着一次电压增加的变化，给 出了详细的仿真图形和数据，并用傅立叶变换分析 了励磁电流的幅频特性。 发现尖顶波形的励磁电 流除了基波，还出现了其他奇次谐波分量，为互感 器的加工提供了依据，并具有一定的借鉴意义。 参考文献： 刘国强，赵凌志，蒋继娅 Ansoft工程电磁场有限元分析 M北京：电子工业出版社, 张宇考虑磁滞的变压器仿真及其差动保护不正确动作 机理分析D武汉：武汉大学， 王正茂，阎治安，崔新艺，等电机学M西安:西安交 通大学出版社, 收稿日期： 作者简介：彭韬()，男，江苏邳州人，南瑞继保电气有限公司工程师，主要从事电子式互感器的研究工作； 李九虎()，男，江苏泰兴人，南瑞继保电气有限公司高级工程师，主要从事电力系统保护自动化和数字化变 电站应用的研究工作； 郑玉平()，男，福建莆田人，南瑞继保电气有限公司教授级高级工程师，主要从事电力系统自动化及数字化 变电站应用的研究工作； 须雷()，男，江苏无锡人，南瑞继保电气有限公司工程师,主要从事数字化变电站应用的研究工作。 国电凌海三期青松风电项目顺利获得核准 月日，国电凌海三期风电工程青松风电项目顺利 通过了辽宁省发改委核准。 至此，国电凌海风电项目开发 建设容量达到万千瓦。 此次青松风电项目通过核准，使国电电力和风电公司 核准风电项目达到个，核准容量达到万千瓦。 55