纤维素老化对油纸绝缘水分扩散特性的影响机制

大量变压器进入运行的中后期,绝缘纸老化会对油纸绝缘水分平衡产生影响。试验测试了绝缘纸在空气中、油纸绝缘体系中的水分平衡过程。实验结果表明,相同空气湿度下,绝缘纸聚合度越低,其吸附的水分含量越高;油纸绝缘中,绝缘油中水分含量相同时,绝缘纸聚合度越低,水分向绝缘纸中迁移速率越快,其稳态水分含量越低。绝缘纸老化所发生纤维素微观特性的变化表明空气中老化绝缘纸无定形区增大,聚合度降低,附着在绝缘纸孔隙中的亲水性杂质导致其吸水性增加;油纸绝缘中,老化绝缘纸的无定形区孔隙、纤维素内的孔隙由于绝缘油分子的进入导致间接吸附水的减少,亲水性杂质溶解于油中,比表面积的下降导致亲水基团的减少使得吸附水分的含量降低。最后,将文中实验所得曲线与类Oommen曲线类比,聚合度对油纸绝缘水分平衡的影响可以认为在横坐标方向对类Oommen曲线的平移。     

应用时–温–水分叠加方法改进油纸绝缘热老化寿命模型

为改进现有的油纸绝缘热老化寿命模型,使模型的预测结果更为准确,研究初始水分含量及温度对油纸绝缘试品的加速热老化特性影响。首先,对4种初始水分含量的油纸绝缘试品分别在3个温度下开展加速热老化试验,以绝缘纸聚合度作为表征老化程度的特征参量,引入纤维素累积损失动力学方程研究其在老化过程中的变化规律;其次,在时温叠加方法基础上提出一种时间–温度–水分叠加的新方法,并改进了热老化寿命评估模型。结果表明,与之前的寿命模型相比,改进的模型不但考虑了温度对绝缘纸热老化速率的影响,而且考虑了不同初始水分含量对油纸绝缘热老化的加速作用,有助于对油纸绝缘的热寿命进行更为合理的评估。     

温度、水分、老化对变压器油中糠醛及绝缘纸老化评估的影响和修正

为修正温度、水分和老化对变压器油中糠醛含量和绝缘纸老化评估的影响,该文在实验室条件下进行了加速热老化、吸潮和恒温平衡实验,制备出3种温度、4种老化程度和5种含水量组合的60组油纸绝缘样品。分别检测油、纸中的糠醛含量,计算糠醛在油纸间的分布比例,分析了温度、水分和老化对油中糠醛分布的影响并建立定量模型。研究结果表明,运行温度、绝缘含水量、老化程度的差别均会改变糠醛在油纸间的分布比例,导致油中糠醛含量的变化。油中糠醛比例与温度、水分含量正相关,与绝缘纸聚合度负相关。此外,建立了糠醛–聚合度方程,引入油中糠醛分布定量模型,结果表明该模型能够有效修正糠醛分布对绝缘纸老化评估的干扰,提高绝缘纸老化评估的准确性。     

基于油中水分含量的变压器绝缘纸寿命评估

水分是影响电力变压器油纸绝缘性能的重要因素,如何通过油中水分含量简单、准确地判断变压器绝缘纸的老化状态成为当今研究的重点。本文首先分析了油纸绝缘系统的水分来源及其危害,然后基于频率因数a的Taylor展开式得出a与绝缘纸中水分含量间存在正比关系,进而得到了计及水分含量的修正Arrhenius定律。其次,结合化学反应动力学推得绝缘纸中水分含量与聚合度间的量化关系,并根据纤维素老化对Oommen油纸水分平衡的影响,获得了绝缘纸的聚合度(degree of polymerization,DP)与油中水分含量间数量关系的修正表达式;在此基础上推得了绝缘纸特征寿命的预测判据。最后,通过实验数据表明未考虑绝缘纸老化影响时,油纸水分与纸中水分间的表达式的计算误差为20%~50%,基于油中水分含量的DP表达式的计算误差为3.8%~38.4%;而修正表达式可分别将上述误差降低到12.5%以下及23.3%以下。当老化温度为140℃,油中水分的体积分数分别为10~(-6)和13×10~(-6)时,绝缘纸的特征寿命分别为65天和12天。     

水分和氧气对油纸绝缘老化的影响

为探究水分和氧气对油纸绝缘老化过程的影响机理,通过设计不同水分和氧气含量的矿物油纸绝缘在不同温度下的加速热老化试验,测量其绝缘纸聚合度和油中糠醛浓度,并验证了水分、氧气影响因素条件下聚合度变化对二阶动力学模型参数的影响。结果表明:水分和氧气对油纸绝缘加速老化作用明显;水分含量较低时,水分和氧气有相互抑制作用,油中氧气会阻止水分和纤维素相互作用,并且随着氧气含量的增加其作用越来越明显,从而降低绝缘纸的老化速率;水分和氧气含量及绝缘纸类型会影响老化过程中糠醛的变化趋势。     

纤维素老化对油纸绝缘水分平衡的影响

为研究纤维素老化对油纸绝缘水分平衡的影响,分析了绝缘纸板的纤维素结构及其吸湿机制,制备了不同老化程度的纸板试样,观测了不同老化程度绝缘纸板的微观结构及比表面积,测量了纸板的稳态含水量及降温过程中的水分迁移量。研究结果表明:老化纸板的稳态含水量及变温过程中的水分迁移量均低于未老化纸板;纤维素老化后,纤维素直径下降导致的纤维比表面下降是引起纸板吸湿能力下降的原因;现有的Oommen水分平衡曲线在纸板老化的条件下不再适用,纸板的含水量可按20年等效老化负向修正27%,40年等效老化负向修正35.5%后使用。     

电力变压器油纸绝缘热老化研究综述

综述了电力变压器油纸绝缘老化的研究现状,剖析了影响变压器油纸绝缘老化的各种因素。分析了变压器油纸绝缘热老化特征产物及规律,强调了水分对变压器油纸绝缘热老化的影响。分别总结了变压器油纸绝缘热老化的理化和电气特征量,并从微观形貌和分子动力学模拟层面探索绝缘纸内部纤维素的断链机理,从而讨论各种因素对绝缘热老化的影响机制。最后提出了电力变压器绝缘热老化领域后续关注的问题。     

水分和酸对油纸绝缘老化的协同加速作用研究

为研究水分和酸对油纸绝缘老化的协同加速作用,将不同初始含水量的绝缘纸和不同初始含酸量的绝缘油组成的油纸绝缘在110℃下进行加速热老化试验,并对其老化后绝缘纸的聚合度进行测试分析。结果表明:随着水分和酸初始含量的增加,油纸绝缘的初始降解速率和老化各阶段的平均降解速率均增加。单独增加油纸复合绝缘中的水分或酸含量时,绝缘纸在各个老化时间段的平均降解速率增加不明显。当油纸复合绝缘中的水分和酸的含量同时增加时,则绝缘纸在各个老化时间段的平均降解速率增加显著。酸添加量相同时,分子量越小的酸对绝缘纸的加速老化作用越明显。     

油纸绝缘频域介电谱特性与聚合度的关联影响规律研究

为研究绝缘纸聚合度与油纸绝缘频域介电谱特性间的关联影响规律,搭建了油纸绝缘频域介电响应测试平台,测试了新绝缘油、低含酸量绝缘油、高含酸量绝缘油、一定老化程度绝缘油分别与不同聚合度绝缘纸所组成的油纸绝缘的复介电常数以及新绝缘油分别与低含水量、高含水量绝缘纸组成的油纸绝缘的复介电常数,并对测试结果进行了对比分析。分析结果表明:绝缘纸聚合度通过影响水分和酸在油纸间的分布情况而对油纸绝缘复介电常数产生关联性影响。利用频域介电谱法诊断油纸绝缘中水分或小分子酸含量时,应考虑聚合度影响两者在油纸间的分布情况后对油纸绝缘频域介电谱特性产生的关联性影响。     

应用油中酸值评估不同老化程度绝缘纸中水分含量

变压器油纸绝缘老化会影响水分在油纸中的分布情况,为此,应用绝缘油中酸值作为老化的特征参数以定量描述老化对水分分布的影响。对4组油纸绝缘试样进行不同程度的加速热老化试验,结果表明:油纸绝缘老化导致油中水分的饱和溶解度不断增加,并促使绝缘纸中水分向绝缘油中转移。根据试验测量结果,引入与油中酸值相关的平移因子m,建立了绝缘油中水分饱和溶解度与油中酸值和温度的数学表达式;根据Freundlich等温吸附方程式建立了绝缘纸中水分质量分数与油中水分质量分数、油中酸值和温度的数学表达式,拟合得到吸附平衡常数c和系数n与温度的关系式。应用以上研究成果可以更准确有效地评估不同老化程度的绝缘纸中水分质量分数,具有重要工程应用价值。     

聚合度对油纸绝缘时域介电特性影响研究

为了研究绝缘纸聚合度(简称DP)对油纸绝缘时域介电特性的影响,搭建了油纸绝缘极化电流特性测试平台,应用该平台测试了不同初始酸值、初始水分分别和不同聚合度绝缘纸组成试样的极化去极化电流,并画出相应的时域介电谱,最后拟合得到不同初始水分、酸值情况下峰值时间常数与DP变化的公式。结果表明:绝缘纸DP作为单一变量变化时并不会对油纸绝缘时域介电特性产生影响,此时并不能用DP作为油纸绝缘的老化特征量;只有在水分和小分子酸等极性分子存在并扩散到绝缘纸内部形成界面极化时,不同DP对油纸绝缘时域介电特性影响差异才能体现出来;水分或酸值含量升高,时域介电谱整体向左上方平移,峰值变大,峰值时间常数减小,峰值时间常数与DP之间的拟合优度提高。通过基于绝缘纸DP的老化动力学模型来评估变压器剩余寿命时,要参考油纸绝缘中水分、酸等极性分子的含量。     

换油周期对变压器油纸绝缘老化性能影响规律

油纸绝缘老化评估的准确性决定了变压器的使用寿命,为研究不同换油周期对变压器油纸绝缘老化状态影响的变化规律,该文制备了三组变压器XY等效模型,并进行不同换油周期的加速老化试验,在不同老化天数时进行频域介电响应测试以及变压器油中的水分、酸值、绝缘纸板聚合度的测试。根据对比实验结果发现:换油周期越长,曲线拐点越明显,随着温度升高,曲线拐点向高频移动;换油周期越长,换油前后介质损耗因数曲线在低频段下降越明显,随着测试温度的升高,换油前后在高频段重合程度越大;换油前后介质损耗因数曲线不同,频段平移方法计算绝缘纸板活化能大小基本相同,同时建立换油周期内后酸值增量与绝缘纸板聚合度的定量计算关系。该文通过对比实验,分析不同换油周期对变压器内部绝缘老化影响的变化规律,提出换油前后变压器等效模型油纸绝缘中绝缘纸板活化能的计算方法,为后续研究换油周期、老化温度与变压器油纸绝缘寿命的定量表征建立了理论基础。     

初始水分含量对油纸绝缘热老化特性的影响

为探讨初始水分含量对变压器油纸绝缘老化过程的影响机制,设计了绝缘纸初始水分质量分数分别为1%、3%、5%的矿物油-纸绝缘试品在90°C下的加速热老化试验,定期取样测量了绝缘纸聚合度、油纸绝缘水分质量分数、油中糠醛质量浓度、油中酸值等特征参量。然后,在分子模拟软件内建立了不同含水量的矿物油分子、糠醛分子、水合氢离子模型,通过分子动力学模拟技术计算了糠醛分子及水合氢离子与不同水分含量油分子模型之间的扩散系数、相互作用能、径向分布函数。实验结果表明:绝缘纸和矿物油中水分含量在老化过程中均是波动的,油中糠醛和酸值在老化过程中的变化趋势未与绝缘纸聚合度的下降规律相对应,受系统水分含量的影响较大。分子模拟结果表明:水分的增加显著降低了糠醛及小分子酸的扩散能力,并与糠醛及小分子酸形成稳定的氢键;同时,水分与糠醛及小分子酸的极性作用改变了彼此的相互作用能。实验数据与分子模拟结果相互验证,为深入研究油纸绝缘的老化机理及诊断提供了理论参考。     

变压器油纸绝缘老化与水分含量评估频域介电特征量

为区分水分以及老化状态对油纸绝缘频域介电响应的影响,更好地推动频域介电谱技术(FDS)应用于现场电力变压器绝缘状态的无损评估,首先在实验室制备了不同含水量、不同热老化状态的油纸绝缘样品,然后在深入分析老化和水分对频域介电响应影响规律的基础上,提出一种利用介质损耗因数tanδ区分油纸绝缘水分和老化状态对频域介电响应影响的方法,并提取了能够量化绝缘纸水分含量及聚合度的频域介电特征量。研究结果表明:提取的油纸绝缘样品的频域介电特征量在10-1~10Hz的频域范围内对水分反映灵敏,而老化仅仅在10-3~10-1Hz的测试频段内对该特征量的影响较大,该特征量在两频段范围内的最大值分别与绝缘纸水分含量、聚合度均存在拟合优度较高的指数函数关系。提取的特征量可进一步应用于变压器油纸绝缘状态的无损评估。     

羧酸含量对变压器绝缘纸老化速度的影响

为研究不同含量羧酸对变压器绝缘纸老化速度的影响,就不同羧酸含量对绝缘纸老化的影响进行了研究。对绝缘纸实施加速热老化试验,并在试验过程中不断测量绝缘纸的聚合度(DP)值λDP,最后采用二阶动力学模型对试验数据进行分析并得出结论。结果表明:未电离的羧酸不会使纤维素解聚,羧酸电离出的H+对纤维素水解具有较强的催化作用;当绝缘纸处于干燥状态(水分质量分数w≤0.5%)时,羧酸电离受到抑制,电离出的H+含量较低,因此对纤维素水解反应的催化作用不明显。研究得出了水分质量分数和酸值对二阶动力学模型参数的影响规律,进一步完善了油纸绝缘老化评估模型体系。     

纤维素老化对矿物油浸绝缘纸中 水分扩散的影响

纤维素老化对绝缘纸吸湿性能具有显著的影响,为了能够更有效地评估绝缘纸中的水分含量,该文针对纤维素老化对绝缘纸中水分扩散的影响进行了研究。首先,通过试验材料处理及测试得到了不同温度、不同厚度下油浸绝缘纸中暂态水分;然后,基于Fick第二扩散定律及有限元仿真模型提取得到了不同老化油浸绝缘纸的水分扩散系数及平衡时间常数;最后,研究了纤维素老化对扩散系数及平衡时间常数的影响,在研究温度范围内,得出扩散系数的经验表达式。研究结果表明,随着绝缘纸老化程度的加深,在相同温度下,绝缘纸水分吸收速率上升,稳态水分含量降低,水分平衡时间降低。     

有机酸对变压器油纸绝缘进一步热老化的催化作用试验研究

为研究有机酸对电力变压器油纸绝缘进一步热老化的催化作用,制作了初始水分质量分数均为0.4%的绝缘纸试样和不同类型的酸性绝缘油溶液,在室温(25℃)和90℃下,研究了酸在油纸绝缘系统中的溶解分布特性。接着在90℃下对油纸绝缘试样进行加速热老化,测试了不同老化阶段试样的绝缘纸聚合度以及油纸绝缘试样的极化去极化电流。结果表明:甲酸主要分布在绝缘纸中,并会导致纸中水分向油中扩散,硬脂酸主要分布在绝缘油中;相比于硬脂酸,甲酸极大地加速了绝缘纸的降解速率,使极化去极化电流曲线的上移幅度也更大;甲酸酸值达到0.1×10-3、硬脂酸酸值达到0.3×10-3时会对油纸绝缘进一步热老化起到明显的催化作用;在分析实际运行中影响变压器油纸绝缘热老化的因素时,需特别考虑甲酸等低分子强极性酸对油纸绝缘进一步热老化的催化作用。     

不均匀老化油纸绝缘稳态水分分布的频域介电谱

绕组和油温之间的温度梯度导致了绝缘纸的不均匀老化,绝缘纸的聚合度会影响水分在其中的分布情况。测试了5种不同聚合度绝缘纸含有相同水分含量以及不同聚合度绝缘纸浸渍于同一水分浓度绝缘油时水分扩散至稳态时的频域介电谱。制作了5种含有稳态水分含量的不同聚合度的绝缘纸叠加试样,用来模拟不均匀老化油纸绝缘含有稳态水分分布的试样,测试了该试样的频域介电谱,并采用分布阻抗的方法建立了油纸绝缘频域介电模型对其进行了数值计算。测试及计算结果表明:复介电常数实部、虚部及介质损耗随水分含量的增大而增大,随聚合度下降而增大;绝缘纸中水分含量对频域介电谱的影响要远远大于聚合度对频域介电谱的影响;不均匀老化油纸绝缘试样的频域介电谱测试结果与分布阻抗模型计算结果除在10-3 Hz~10-4 Hz频段内复介电常数虚部有5%的平均误差、实部有2%的平均误差外,其余频段基本相符,表明分布阻抗介电模型有效。     

变压器油纸绝缘水分含量和老化程度定量评估研究

为了分离绝缘纸老化程度和水分对频域介电谱的影响及提高变压器绝缘纸老化程度和水分含量评估精度,文中通过开展加速热老化试验制备了老化程度和含水量均不相同的5组油纸绝缘试样,并对各组试样进行tanδ频谱测试。试验结果表明,在10-3~10-1Hz频段内,tanδ曲线随绝缘纸老化程度增加而上升;在10-3~102Hz频段内tanδ曲线随绝缘纸含水量增大显著上升,在特征频段10-1~102Hz和10-3~10-1Hz内求取tanδ曲线对频率的积分值Sm和SDP分别作为表征水分含量和老化程度的特征量,并分别给出了特征量与绝缘纸水分含量(Kw)和聚合度(DP)之间的拟合关系。对比分析相同老化程度下水分含量不同的多组油纸绝缘试样的介损频谱特性表明,绝缘纸含水量对特征量SDP影响极大,为此提出了水分补偿因子以量化绝缘纸含水量对老化评估的影响,并进一步提出了全面考虑水分影响的老化程度评估新方法。     

变压器油纸绝缘老化动力学模型及寿命预测

变压器固体绝缘材料（绝缘纸）寿命决定其使用年限,温度和水分是影响绝缘纸纤维素老化降解最主要的因素。以油浸变压器内广泛应用的＊25变压器油和普通牛皮纸为实验原料,模拟变压器实际生产流程,制作初始水分质量分数分别为1％、3％、5％的油纸绝缘试品,并将3个水分质量分数的油纸绝缘试品分别在90℃、110℃和130℃下进行了长期...