学位论文-—基于变压器固体绝缘老化机理的风冷变压器精确温度控制.docVIP

1．绪论 电力变压器作为电网重要的主设备，根据设计和经济性的原则，我们一般期望它的运行寿命应该达到35-40年[1]。《电力变压器选用导则》GBT/17468-2008规定，在外部冷却空气为20 ℃ ，变 压 器以额定电流运行，以某种温度等级的绝缘材料发生热老化而损坏时，规定变压器的寿命一般为20年[2]。电力行业标准《油浸式变压器绝缘老化判断导则》（DL/T 984－2005）也特别提到正常运行的 变压器应该有30年的寿命，如果达不到预期寿命而退役，通常是设备隐患或其它原因所致。 油纸绝缘变压器的使用寿命基本上决定于其绝缘系统。其绝缘系统由变压器油和绝缘纸构成。其中绝缘油即使使用了30 年时间,绝缘击穿性能的下降也只有10 %左右。而且在变压器的运行过程中，检修人员还可以通过净化或者换油的方式来改善油的绝缘性能。因此，运行中的油浸式电力变压器的使用寿命应该主要取决于固体绝缘，尤其是绝缘纸。国内外大量的统计数据显示，变压器事故大部分都与变压器绝缘特别是固体绝缘老化和破坏有关。美国 HSB 公司工程部总工程师 William Bartley 先生在过去的 10 年中变压器故障进行了统计，发现在造成故障的起因中，绝缘老化列在第二位。由于绝缘老化的因素，变压器的平均寿命仅有 17.8 年，大大低于预期为 35 ～ 40 年的寿命！ 中国电科院进行的《2004年度110kV及以上变压器事故统计分析》中的数据显示， 2004年度变压器损坏事故以绝缘事故为主，占总损坏事故台次的81.1%。投运15年以内的变压器即发生损坏事故的台次竟然占统计损坏事故变压器总台次的78.8%，变压器的运行寿命令人担忧[3]。 在运行过程中，变压器的固体绝缘在电、热、空气、水分等因素的作用下，不断产生退化。这种退化，表现在电气绝缘性能上没有明显的变化。数据表明有些处在生命末期的变压器，其绝缘的电气性能还完好如初。而老化了的变压器绝缘纸的机械性能会明显变差，从而为变压器损坏事故的发生埋下了隐患。 构成绝缘纸的主要成分为纤维素，纤维素是由葡萄糖基组成的聚合度很高的链状高聚合碳氢化合物。绝缘纸的老化实际上是纤维素分子链不断断裂，链长不断变小的过程。随着分子链的断裂，绝缘纸的机械性能不断变差。当发生短路等大的外部冲击的时候，失去延展能力的绝缘纸会被破坏，进而引发绝缘事故。另外，变压器内部还有很多绝缘纸材料构成的压板、垫块等结构，他们在变压器中起着固定、压紧变压器线圈的作用。这些元件的老化会使固定作用变差，在大的冲击下，会造成线圈的变形、扭曲或是松散，从而造成变压器的损坏。 根据国内外的大量研究，我们已经知道影响变压器绝缘老化的主要因素是氧气、水分和温度。考虑到目前运行的变压器中，绝大部分绝缘系统与空气是隔离的，不存在外部空气进入的问题。而运行中产生的氧气数量不大且无法控制。因此本课题在考虑变压器固体绝缘老化的时候将不把氧气作为主要因素，而将主要关注水分、温度对变压器绝缘的影响，以及水分、温度两者的关系。 变压器的温度是绝缘老化的一个重要因素。变压器的温度控制主要由两个方面决定。一是包括变压器空载损耗、负载损耗、漏磁损耗等在内的各种发热因素，另一方面是变压器的散热能力。这两方面最终决定了变压器的运行温度。对于运行中的变压器，其发热因素是固定的或不可控的。自冷的散热方式，在投入运行的变压器中也是无法调整的。对于风冷变压器，我们则可以通过调整风扇的启动温度，风扇的投入数量来控制变压器的散热能力，进而控制变压器的运行温度。 水分是影响绝缘老化的另一个重要因素。有研究显示，水分在绝缘纸和变压器油中保持与温度有关的动态平衡。温度的变化会引起水分不断进出绝缘纸。从而，温度和水分这两个决定变压器绝缘老化的重要因素间存在动态的相互关联，通过对温度的控制也可以对水分产生影响。 目前唐山供电公司负责运行的变压器中常见的散热方式为ONAN(自冷)和ONAF(风冷)。110kV以上电压等级的油纸绝缘变压器共有204台，其中有110台为风冷变压器。风冷却系统的控制部分由接触器进行简单的逻辑搭接，其功能简单，控制策略不灵活。 本课题主要通过分析中外大量的试验数据和结论，总结温度和水分共同影响绝缘老化的机理。结合现场实际数据，进行必要的试验，提出风冷变压器精确温度控制的原则和必要性。通过设计新的智能型的风冷系统控制装置，改善现有控制方案随意性大、方式简单、控制效果差的缺点。通过对温度、水分这两个可控因素的控制，延缓变压器老化速度，延长其安全使用寿命。 2.变压器固体绝缘老化 2.1 变压器的固体绝缘 2.1.1 由纤维素为主构成的变压器绝缘纸 由于浸油后具有良好的电气绝缘性能、良好的稳定性和低廉的造价，油纸绝缘变压器中，纤维素材料被用作各种形式的固体绝缘材料，比如绝缘纸、绝缘纸板等。变压