固体绝缘技术范文

固体绝缘技术范文（精选7篇）

固体绝缘技术 第1篇

大型电力变压器主要采用油纸绝缘, 由绝缘油和绝缘纸组成。目前, 大型变压器使用寿命通常为为30年左右, 但是, 变压器油纸绝缘系统在长期运行中受到温度、水分、氧气等各种因素的影响而不断老化, 其中绝缘油的老化可以进行更换或者再处理以提高其绝缘性能, 而绝缘纸的老化不可恢复且不易更换, 因而, 判断变压器固体绝缘 (绝缘纸) 的老化状态对于保证变压器的安全运行意义重大。

2 变压器固体绝缘老化机理

2.1 热老化

绝缘纸的主要成分是由α-D-葡萄吡喃糖聚合而成的纤维素, 由于其聚合键能较低, 因此遇到高温时, 会发生断链等反应, 从而使聚合度降低。这就绝缘纸的热老化反应。

1954年, Mc Burney通过研究纤维素的水解反应, 得出整个过程可分为两部分:质子加成的快速过程, 质子转移形成带正电荷聚合物及其与H2O反应生成水合氢离子的慢速过程。其中, 质子在反应中起催化作用。

2.2 氧化降解

纤维素容易被氧化, 氧与纤维素分子里的碳原子发生反应, 生成醛类和羧酸, 同时产成水、CO、CO2等。当油面直接和空气接触时, 氧气是促使纤维素氧化的原因之一。

2.3 酸性水解

纤维配糖键在水和酸的作用下会发生断裂而产生自由糖, 从而导致纤维链之间键变弱、链断裂变短而最终生成D-葡萄糖。在变压器内部, 油纸氧化会产生一定量的酸, 使整个变压器内部环境呈弱酸性, 酸会降低破裂活化能, 加快纤维素的水解速率。尽管浓度很低, 但由于长时间处于该环境, 绝缘纸还是受到其催化作用影响。因此, 绝缘纸板中的含水量越多, 纤维素水解速度越快。

2.4 电老化

电老化是指在外加高电压或强电场作用下发生的老化。电场会使变压器的绝缘结构出现变化, 进而导致油纸绝缘出现老化现象。具体而言, 是由于变压器内部存在气隙, 加之电场对变压器局部的放电会不断累积。当累积到一定程度时, 电子会发生混乱现象, 产生大量的自由电子在整个电场中加速运动, 破坏有机物的结构, 出现有机物分子结构解体现象, 进而出现老化现象。此外, 电场会使油纸绝缘的降解速度加快, 进而导致老化速度变快。由于固体绝缘材料无法复原, 所以最终必然导致击穿, 但一般情况下影响较小。

3 固体绝缘老化诊断技术

常见的固体绝缘老化诊断方法主要包括:绝缘纸抗张强度测试、聚合度测试、糠醛含量检测、CO和CO2的检测等。

3.1 抗张强度测试

抗张强度 (Tensile Strength) 用于表示单位面积的破碎力。Montsinger等人研究表明:当绝缘纸的抗张强度下降到初始值的50%甚至更低时, 可认为变压器的寿命终止。但由于其样品不易获取, 且测试结果受取样的影响较大, 同时对原有的绝缘系统会造成一定程度的损伤。因此, 在现场运行的变压器中不具有太高的应用价值。

3.2 聚合度测量

在变压器固体绝缘老化的过程中, 绝缘纸机械性能的改变远大于其电气性能的改变, 即使老化严重, 电气性能也不会发生显著改变。而绝缘纸的机械强度主要取决于纤维素的强度以及纤维间化学键结合的强度。因此, 可以通过测量聚合度来判断绝缘纸的老化程度。

实验表明, 新纸的聚合度约为1000~1300, 当其降为初始值的25%时, 其拉伸强度约为初始值的一半, 这意味着绝缘纸机械性能的完全丧失。

聚合度测量是用乌别洛特粘度计测定纸溶液的粘度, 由此计算出粘均聚合度 (DPv) 。纸溶液的制备有纸溶解于乙酸乙脂中和纸溶解于铜乙二胺中两种方法。实际所测定的聚合度为平均聚合度。

2015年, 李洁等[1]研究表明, 绝缘纸老化产物和聚合度之间有非常密切的关系, 具体的结论为:在不同温度下, 绝缘纸聚合度下降速度增加, 分解产物浓度增加;聚合度与分解产物浓度之间具有一定关系。二者结合能更准确地判断判断油纸绝缘老化状态。

聚合度实验准确度高 (2%) , 能从本质上揭示了绝缘材料的老化程度, 即使是极度老化的材料仍有效。但其需要停电吊芯取样, 且温度的差异会导致不同部位的劣化情况不一致, 从而使聚合度的数值差异较大。

3.3 糠醛含量检测

20世纪70年代末, 在分析2台400/22k V发电机变压器的事故原因时, 检测到溶解在油中的以糠醛为主的呋喃类化合物, 并发现变压器油中糠醛仅仅来自于绝缘纸等纤维素材料的老化分解, 而与变压器油无关, 由此开始了基于糠醛分析的固体绝缘诊断方法的研究。该方法可以在变压器不停运情况下测样, 比较方便。

2002年, 尚勇[2]加速老化的试验结果表明, 糠醛含量的常用对数与绝缘纸的平均聚合度之间是高度线性相关的。其线性拟合方程为:lg (Furan) =1.065-0.0027DP。

2012年, 李志成等[3]研究得出。变压器油中糠醛含量与变压器运行年限有关, 糠醛含量只有在运行一定期限后才开始随时间的延长而增大。在正常情况下, 变压器油中糠醛含量在0.5mg/L以下, 若超过了0.5mg/L, 则变压器可能存在轻微老化;若超过1.0mg/L, 则可能发生比较严重的老化现象。

3.3.1 高效液相色谱法测糠醛

高效液相色谱是色谱法的一个重要分支, 以液体为流动相, 采用高压输液系统, 将具有不同极性的单一溶剂或不同比例的混合溶剂、缓冲液等流动相泵入装有固定相的色谱柱, 在柱内各成分被分离后, 进入检测器进行检测, 从而实现对试样的分析。

2006年, 刘文山等[4]利用高效液相色谱法测糠醛含量。实验表明, 如果变压器较长时间内没有进行过油处理, 则糠醛的质量浓度取对数后与聚合度之间有较好的线性关系。但相对低的糠醛含量并不一定预示着变压器具有较大的绝缘裕度, 因为油处理会影响绝缘油中糠醛的含量, 发生在绝缘薄弱处的局部故障也会造成很大危险。

2011年, 陈洁等[5]实验表明, 高效液相色谱测定糠醛含量的方法准确度高、重复性好。重复性实验中, 相对标准偏差RSD=0.98%;而配置不同浓度糠醛油标准液, 按上述方法测定, 回收率为90~110%。

3.3.2 萃取比色法测糠醛

比色法 (colorimetry) 通过比较或测量有色物质溶液颜色深度来确定待测组分含量。根据糠醛在水中有较大溶解度的特点, 采用通过水做萃取剂萃取提纯和富集绝缘油中的糠醛, 以醋酸苯胺为显色剂, 直接加人被试油样中, 通过分光光度计在波长520mm处比色检测来定量测定油中糠醛含量。即先配制糠醛标准色阶, 绘制出糠醛含量—最大吸光度图, 再把油样蒸馏萃取后比色, 用记录的最大吸光度在图上计算出它的含量。该方法抗干扰能力强、操作简便、配置低廉, 更适合在基层单位使用。

3.3.3 分光光度法测糠醛

分光光度法是通过测定被测物质在特定波长处或一定波长范围内光的吸光度或发光强度, 对该物质进行定性和定量分析的方法。

1992年, 杨凤梧等[6]根据醋酸苯胺与糠醛作用缩合成红色化合物的特征, 在λ=518nm处比色测定炼油废水中糠醛含量, 糠醛比色测定上限为3.0mg/L, 最低检出浓度为0.3mg/L。1997年许汉英[7]以及2013年孙绍晖[8]也分别在白酒和生物质水解液中利用分光光度法测糠醛。该方法简便直观、快速和易于操作且便宜。但是, 若糠醛久置后颜色后逐渐加深, 就会对检测结果造成较大的影响。

3.4 CO、CO2浓度检测

由于固体绝缘老化会产生CO及CO2气体, 可以通过检测二者含量的大小来对绝缘老化程度进行判断。对于同一台变压器, 其结构参数是固定的, 影响油中CO、CO2含量的因素相对稳定, 当发现CO、CO2在原有基础上快速增长时, 往往预示着固体绝缘老化程度严重。除此之外, 还可根据CO2/CO比值诊断固体绝缘老化, 或利用m L (CO2+CO) /g (纸) 诊断变压器绝缘寿命。

利用CO、CO2含量评估固体绝缘整体老化具有不需另取样, 不增加试验成本等优点。但不确定因素多, 表现在油中CO和CO2含量一般没有严格的界限, 规律也不明显。这主要是由于从空气中吸收的CO2、绝缘纸老化及油的长期氧化形成的CO和CO2的基值过高造成的, 且油中的气体还会泄漏出去。另外, 变压器油进行滤油处理后也会造成影响。这些都将影响纸绝缘老化程度的判断。

3.5 其他方法

2011年, 吴静等利用离子色谱仪对变压器油进行分析检测, 确定绝缘老化产生的糖分物质为岩藻糖和核糖, 证实利用糖分作为变压器固体绝缘老化判据的可行性, 为判断变压器固体绝缘老化提供了新的思路。

2006年, 杨启平等[8]提出利用变压器极化/去极化电流测量法评估固体绝缘老化程度, 由于绝缘材料的极化特性随绝缘状况而变化, 可根据极化特性实现无创伤监测绝缘状况。该方法抗干扰性能好, 便于现场测试。

2015年, 林智勇等[9]利用回复电压法评估固体绝缘老化程度。该方法将微观、复杂的油纸绝缘变压器老化现象等效为宏观、简单的等效电路来分析, 能更直观、准确地判断油纸绝缘变压器老化状况。

4 结论与展望

变压器运行过程中, 固体绝缘材料会在热的作用下, 发生分子裂解等化学反应。绝缘纸作为其中重要的绝缘材料, 最主要的组成成分是纤维素。因此, 绝缘纸的老化过程就是纤维素的降解过程, 它是由水解、氧化裂解、光化学裂解、热裂解、微生物分解等多种外界因素和多种降解过程综合作用的结果, 但起主要作用的是水解、氧化降解和热降解三种方式。正常情况下, 电老化可忽略不计。

常见的固体绝缘老化诊断方法主要包括:绝缘纸抗张强度测试、聚合度测试、糠醛含量检测、CO/CO2检测等。各种诊断方法都有自己的优缺点, 选择合适的方法是未来固体绝缘老化研究的重要课题。同时, 老化产物多种多样, 还可以开发出更多具有前景的评估方法。

参考文献

[1]李洁, 侯英洒, 赵建利.变压器油纸绝缘老化产物与聚合度的关系研究[J].科学技术与工程, 2015, 33:186~189+206.

[2]尚勇, 董明, 赵文彬, 严璋.油浸电力变压器固体绝缘老化的诊断[J].变压器, 2002, 12:35~39.

[3]李志成, 王应高, 郑朝辉, 邢小玲.油中糠醛含量与固体绝缘材料老化关系研究[J].变压器, 2012, 09:48~50.

[4]刘文山, 何冰, 郑晓光.变压器油中糠醛含量与固体绝缘老化关系的研究[J].广东电力, 2006, 03:14~17.

[5]陈洁, 赵晨, 乌日娜.变压器油中糠醛含量的检测方法及其对变压器固体绝缘材料老化的判定[J].内蒙古电力技术, 2011, 03:19~21.

[6]杨凤梧, 李世伟.废水中糠醛的比色测定[J].环境科学, 1992, 06:80~83+88~97.

[7]许汉英, 赵晓君.分光光度法测定白酒中的糠醛[J].应用化学, 1997, 03:87~89.

[8]杨启平, 薛五德, 蓝之达.变压器绝缘老化评估技术的研究[J].变压器, 2006, 05:1~5.

固体绝缘技术 第2篇

关键词：电气设备 固体绝缘 气隙尺寸 局部放电

中图分类号：U415.6 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）06（c）-0240-01

局部放电现象是现阶段造成电气设备绝缘性能较差的主要原因，对设备的电力系统中的安全运行造成了较大的影响。固体绝缘体中产生的局部放电现象会对电力系统中的各种信号产生干扰作用，影响电力系统中设备和仪器的运行和测量精度。目前市场上常见的固体绝缘产品有干式绝缘互感器、电机线棒和电磁等。局部放电过程中会产生一系列的物力变化过程，从而加快绝缘产品中绝缘层的老化，甚至引起击穿。因此，研究气隙大小跟局部放电量之间的关系对进行电力系统高压设备的维修和诊断具有非常重要的意义。

1 局部放电机理

在固体绝缘产品中，气隙能够发生局部放电要满足以下两个方面的条件。

（1）气隙中存在一定的电场，且其强度比放电开始时电厂强度要大。

（2）气隙中具有能够自由移动的自由电子。

局部放电过程中，气隙会首先被击穿，但是其周围介质还具有较好的绝缘性能。气隙击穿过程中自由电子会出现游离，游离作用的强弱程度不同，气隙被击穿的机理也就不同。影响局部放电量大小的因素有气隙大小和距离，当二者乘积较小时，气隙中的带电粒子在运动过程中会从电场中吸收较多的能量，当带电粒子和气体粒子发生碰撞后，就会使气体粒子产生电离现象，从而生成新的带电粒子，气隙中带电粒子的浓度随着碰撞过程的进行不断增加，该机理是汤逊提出的一种局部放电机理。当气隙大小和距离乘积较大时，气隙中存在的电荷量较大，电子在不断向阳极游离的过程中，不断发生撞击，电场发生的畸变比较严重，局部场强的作用非常强大，这时空间中的一些电荷就会产生复合现象，生成光子游离在气隙中。这些光子在气隙中局部场强的作用下形成衍生电子崩，崩内的电子书和正离子的数量会随着电子崩数量的增加而呈指数规律发展。同时由于电子的迁移速率比正离子的迁移速率要大两个等级，因此，气隙中电子的运动速度总是处在崩头部分，但是大部分正离子确滞留在它原来的位置，不断向阴极方向移动，并且跟主电子崩结合到一起，形成留住，即流注机理。

2 气隙尺寸对局部放电过程影响测试系统的建立

为了分析气隙尺寸大小对局部放电特性的影响，我们要采用先进的仪器设备对局部放电量大小进行测定。由于局部信号放电过程中信号的变化非常快，且产生的放电信号非常微弱，所以在测试系统构建过程中要充分考虑测量的准确性和信号的抗干扰性。该次测试系统中使用的设备主要有高压实验回路、数字示波器、抗干扰设备、测量阻抗以及计算机等，各个仪器通过串联的方式连接在一起。通过测试该系统具有较高的检测灵敏度和测量准确度，能够实现对局部放电过程中放电量大小的测定。

测量过程中我们从纵向和横向两个方向研究了气隙尺寸对局部放电量大小的影响，实验过程中采用的主要方法是：首先，保证气隙纵向尺寸大小不变；其次，逐渐增加气隙直径的大小；再次，保证气隙的直径大小不变；最后，改变气隙尺寸的大小。

3 实验结果分析

实验过程中我们采用了阶梯升压的方式对绝缘体缺陷模型施加电压，考虑到实验过程中气隙放电会存在一定程度的延迟，所以在施加电压过程中，没提高100 V的电压就会适当停留10 s，如果确定没有产生局部放电现象后再继续提高电源电压的大小。

3.1 起始放电场强和放电量

随着气隙横截面积的增加，气隙中场强的大小不断下降。造成这种现象的原因是由于放电通道的形成是任意的，随着气隙横截面积的不断增加，放电通道的形成几率不断增加，进行导致气隙中场强的大小逐渐下降。在实验过程中我们发现，当气隙尺寸小于0.3 mm时，获得实验数据跟上述规律一致；但是当气隙大小超过0.3 mm以后，气隙中场强的变化随气息大小的变化没有明显的规律性。由此我们可以得到气隙中场强的大小跟气隙在纵向的横截面积大小有关。

起始放电量的大小随着气隙横截面积的不断增加。一般情况下，气隙初始放电量的大小通常采用三电容模型进行分析，当气隙尺寸较大时，只有一部分气隙产生放电现象。其气隙的横截面积越大，起始放电量的大小就越大；气隙尺寸增加，其起始放电量的大小也会增加。

3.2 气隙放电量跟外施场强关系

外加场强大小对气隙放电量的大小也会产生较大的变化，当气隙中开始产生放电现象后，不断提高实验中输入电压的大小，实现外加场强大小的增加，当其场强大小超过一定数值之后，实验中气隙放电量的大小不会再随着场强大小的增加而增加，而是随着场强的增加而出现下降。产生这种现象的原因有两个：一是由于外加场强增加的同时也提高了气隙内部场强的大小，导致局部放电过程中气隙两侧的电压降增加；二是当外加场强达到一定程度后，气隙中粒子的活动比较激烈，参与放电的气隙尺寸不断增加，在气隙内部形成了半导体通道，实现了对放电量通道的有效抑制。

4 结论

电力系统中各种设备的制造成本较高，一旦出现故障就会造成巨大的经济损失，但是由于设备制作过程中不可避免的会存在一些绝缘缺陷，如气隙，造成绝缘体内部产生局部放电现象，绝缘物质长期在局部电荷的影响下会产生击穿现象。该文主要研究了气隙尺寸对固体绝缘局部放电过程的影响，构建了其试验测试系统，并且对得到的测试结果进行了分析。

参考文献

[1] 施围，邱毓昌，张乔根.高电压工程基础[M].北京：机械工业出版社，2008：176-179.

[2]屈马林，王甲富.金属目标表面气体放电单元放电过程的PIC/MCC模拟[J].强激光与离子束，2006，18（12）：2087-2090.

[3] 任成燕，成永红，陈小林等.基于气隙电阻变化模型的单气隙局部放电仿真计算[J].西安交通大学学报，2004，38（10）：

固体绝缘开关柜技术的应用 第3篇

固体绝缘开关柜是一种采用新型固体绝缘材料的开关设备, 广泛地应用在6~24 V配电网络中, 如放射式、干线式和环网供电开闭站、终端配电站等配电设备。此种设备的绝缘介质材料采用新型环保的固体材料, 在人可能触及的地方都涂敷有导电层的屏蔽层, 屏蔽层与地面直接相连, 最大限度地提高了安全性, 对于环境保护也起到了积极的作用, 深受城市商业区、住宅小区用户的欢迎。

1 固体绝缘开关柜技术参数及结构形式

目前市场上的固体绝缘开关柜参数主要集中在12 k V额定电压, 630 A额定电流上。日本东芝公司虽然开发出了36 k V额定电压的固体绝缘开关柜, 但是成本较高, 不利于市场的竞争。固体绝缘开关柜的结构按照三项正面布置可以分成左中右和前中后两种形式。前者是目前市场上的普遍形式, 而后者较少;固体绝缘开关柜按照三项是否分离又分为分项式和整体式两种结构。分项式的用固体绝缘材料把三项分项包覆以后, 涂敷了接地屏蔽层, 有效避免了内部燃弧故障的发生。整体式与分项式的区别是没有分项包覆, 而是采用的整体包覆方式。

2 固体绝缘开关柜相关技术

固体绝缘技术是用固体绝缘材料把主导电回路封装起来, 隔绝了不同电位导电电气, 同时固体绝缘材料还起到了支持、连接的作用。在固体绝缘材料的选材上, 注重材料的导热性、收缩率和玻璃化温度等因素。目前最常用的绝缘和支撑材料是环氧树脂材料, 缓冲层主要是采用了硅胶。

2.1 屏蔽层

在固体绝缘开关柜设计中, 可以触及的部分表面涂敷了导电层或者半导电屏蔽层, 这样做的好处主要体现在两个方面:第一, 在三项之间采用环氧树脂完全隔离措施, 有效避免了环网柜短路故障的出现。第二, 有效避免了外界环境的污染, 降低了维护成本。从目前市场的固体绝缘开关柜的调查来看, 绝缘模块外表大多采用了涂敷屏蔽层的措施, 绝缘材料承担了全部的电场耐受工作, 所以固体涂敷层的设计技术需不断完善提高。

2.2 固体绝缘局部放电

由于固体绝缘开关机柜技术是一种新型科技, 没有多少可借鉴的实验资料, 我们自己也没有太多的经验积累。虽然局部放电测量可以检测固体绝缘的内部缺陷, 但是绝缘材料出现损耗以后, 很难自愈, 所以技术条件对局部放电量进行了严格的规定:短路器柜或负荷开关柜的局部放电不能超过20 p C。

3 固体绝缘隔离开关技术

固体绝缘开关柜主要有空气和真空两种形式的隔离断口。

3.1 空气断口隔离开关

空气断口隔离开关又按其结构的不同分成了刀闸式和直动式两种形式, 其中刀闸式相对较为简单。空气断口隔离开关被设置在了密封腔内, 与空气完全隔离, 避免了外界环境的侵蚀, 提高了环境适应能力。虽然这种形式的机柜体积较大, 并且隔离开关腔对密封要求很高, 但是由于在这方面的技术比较成熟, 产品质量较好, 还是深受用户的欢迎, 目前仍然是市场的主流。

3.2 真空断口隔离开关

此种形式的开关主要是用于开关的灭弧介质。目前市场上已经有了真空绝缘隔离开关的固体绝缘环网柜, 但是市场销量并不大。

4 固体绝缘开关柜接地开关

技术条件对接地开关提出了“至少要能够耐受二次额定短路关合电流的作用”的要求。在固体绝缘环网柜中, 接地开关的等级选择决定于主功能元件的位置。如在主母线的旁边设置了三工位开关, 那么接地开关就选E0级;如果在馈线旁边设置了三工位开关, 接地快关至少就得选择E1级了。目前市场上流行的开关有真空接地开关和空气接地开关。

5 固体绝缘开关柜的优势和不足

固体绝缘开关柜的优势:固体绝缘开关机柜的整体体积较小, 适应了市场对设备小型化的要求;采用空气断口绝缘技术, 适应了社会环保的要求;分项隔离并在表面涂敷接地的屏蔽层, 降低了内部燃弧故障的发生率;全绝缘全密闭的结构提高了环境适应能力。缺点是:制造工艺不稳定, 局部放电难以达到要求, 长期运行存在绝缘性能下降的隐患;大量采用固体材料, 性价比较高;存在着散热的瓶颈问题, 所以很难提高电流和电压。

6 结语

固体绝缘开关柜在我国处于探索阶段, 许多技术不够成熟, 用户对它的接受程度还较低。但是固体绝缘开关柜是新技术的发展方向之一, 今后一定会有更多的产品出现, 技术一定会更加成熟, 制造工艺也一定会逐步提升, 固体绝缘开关柜作为中压开关柜的一个分支必然会受到越来越多的重视。此外, 还要采取合理的技术降低能源损耗, 提升设备的维护性与可靠性, 满足不同场合使用需求, 最大限度地节约人力、物力和财力, 促进建设项目的可持续发展。

参考文献

[1]纪江辉, 张杰, 王小丽, 等.中压开关设备复合绝缘及固体绝缘技术研究[J].电工电气, 2015 (6) .

[2]胡传振, 陈志英.12 k V开关柜三相母线短路电动力有限元分析[J].厦门理工学院学报, 2016 (3) .

浅谈变压器固体绝缘及其老化分析 第4篇

变压器是电力系统最重要的电力设备之一, 随着变压器运行年限的增加, 变压器绝缘纸将不断老化, 绝缘性能也随之下降, 所以当变压器内部故障涉及固体绝缘时, 可能发展成为主绝缘和纵绝缘的击穿事故。从本质上讲, 固体绝缘材料的寿命就是变压器的寿命。

1 绝缘纸的老化

油浸纸纤维是电力变压器的主要绝缘系统, 油浸纸纤维全是各种形式的纸 (牛皮纸、马尼拉纸) 、纸板或纸的压力成型件做绝缘的[1]。纸的主要组成是纤维素 (C6H10O5) n, 纤维素是一种多糖。纤维素的降解过程就是变压器固体绝缘纤维素大分子老化的过程, 主要有以下三种方式:

1.1 水解

纤维配糖键在水和酸的作用下会发生断裂而产生自由糖, 从而导致纤维链之间键变弱、链断裂变短而最终生成D-葡萄糖。绝缘纸板中的含水量越多, 纤维素水解速度越快。纤维素配糖键在变压器油中酸的作用下降低了破裂的活化能, 从而加速了水解速度。

1.2 热解

将纤维加热到200℃时, 如果存在氧化物和水等就会容易将配糖键和葡萄糖键打开, 从而产生葡萄糖、水分、CO、CO2和有机酸。当超过此温度时还会发生其他反应。变压器在运行中产生的局部过热都会引发纤维的热解反应。

1.3 氧化降解

当油面直接与空气接触时, 由于油中的空气可以达到10%, 因此氧气成为促使纤维素氧化的因素之一。葡萄糖上的伯醇基易被氧化成醛基, 醛基氧化为羧基, 而羧基也不稳定而易发生水解。

2 监测固体绝缘状况的方法

由于固体绝缘变化时必然导致电气、机械和化学特征的变化, 可相应的用这些方法检测绝缘状况。作为绝缘监督的手段, 过去国内外广泛的采用直流泄露、绝缘电阻、介损测量、交流耐压和局部放电等电气绝缘特性试验。但是这些实验共同特点是要求被试设备停运, 很难测出事故发生前的很小的内部故障, 虽然局部放电实验室检出绝缘局部缺陷的较好方法, 但往往受外部干扰, 影响检测的准确性[2]。根据绝缘老化产生的水、CO、CO2糠醛等都向油中扩散可以通过测量油中微水含量和油中溶解微量气体分析 (DGA) 和糠醛含量来确定固体绝缘状况, 测量只需进行油质取样, 方法简单易行。当纤维老化降解时, 其强度和聚合度都会发生变化。因此, 检测这些变化是对固体绝缘状况进行监测最直接的方法。

2.1 CO和CO2方法

由于纤维材料老化和非故障状态都会产生CO和CO2, 因此, 很难判断其含量是什么原因产生的[1]。因此, IEC599推荐以CO/CO2的比值确定故障与固体绝缘的关系。认为CO/CO2>0.33或<0.09时表示可能有纤维绝缘分解故障的存在。对于隔膜式变压器, CO/CO2>0.5;对于充氮式变压器CO/CO2>0.2即可能存在异常。由于这种方法在实际应用中也有很大的局限性, 因此, 这种方法不能直接反映变压器绝缘老化的程度, 仅能作为一种参考。

2.2 聚合度测量

纤维素作为线形分子, 一般新纸板的聚合度是1000-1200, 当聚合度降低后则表现为机械强度的降低, 这一点也得到了国内外许多学者试验和研究的证明, 图1为聚合度和机械强度之间的关系。目前, 国内外公认的是:当平均聚合度降到500时, 变压器整体绝缘处于寿命中期, 当下降到250时则认为绝缘寿命终止。

虽然最能表征绝缘老化程度的指标是聚合度, 但是由于对运行的变压器定期取纸样需要停运吊芯, 从而难以实施。此外, 聚合度的数值会随着取纸样部位的不同而不同, 经证明, 最佳的取样部位就是制造厂绕制线圈时标注制造年月以及绕制人的标号纸。

2.3 油中溶解糠醛分析法

取样时分析用油量100m L左右即可, 允许样品在无高温、日照的条件下放置较长时间。一般认为, 油中糠醛质量浓度达到0.5mg·L-1时, 变压器整体绝缘水平处于寿命的中期;达到1-2mg·L-1, 变压器绝缘劣化严重;达到3.5mg·L-1, 变压器绝缘寿命终止。

3 实际案例

我公司某220k V变压器, 型号为SFPSZ9-150000/220, 广州维奥伊林变压器有限公司生产, 油重34.2吨, 于2002年4月16日投运, 投运后运行状况良好。2008年4月19日该主变色谱在线装置报警 (C2H4:60.34μL/L) , 对其进行离线色谱分析发现C2H4、CO、CO2较历史数据有明显增长。对其进行长期色谱跟踪, 仍是C2H4、CO、CO2不断增长。

(单位:μL/L)

与另一台同一厂家、同一型号、同时投运的变压器取油样作对比, 发现这台变压器的油质颜色较深, 色谱分析特征气体以C2H4、CO、CO2为主, 初步判断涉及固体绝缘的过热故障。08年12月对其进行糠醛含量测试为0.33mg/L。

变压器油中的糠醛含量的下限值应满足式 (1)

式中f———糠醛含量, (mg·L-1) ;t———运行年限。

按其运行7年计算可得出log (f) =-1.65+0.08×7;f=0.08

与糠醛测试数据相比较0.08<0.33;说明此糠醛含量已经超出下限值, 可判断为非正常绝缘老化。

按DT/596-1996《电力设备预防性试验规程》中所规定的非正常老化及老化严重的限值 (见表2) , 糠醛含量也超出限值。

为避免故障进一步扩大, 2009年4月5日停电检查, 现场并没发现问题, 决定返厂检查。返厂发现, 在高压线圈B相上部, 由于静电屏与高压线圈第一饼之间局部过热而发生绝缘纸老化, 尤其在垫块地方呈发黑现象, 但是在第一饼和第二饼之间垫块没有此现象。由于高压B相静电屏绝缘包扎不紧密, 从而使得一部分油流没有按照设计要求流动, 从而导致这部分温度慢慢变高而影响下部几饼。

4 结论

运行后的变压器, 经过长期的热效应积累使得绕组绝缘膨胀, 因此, 原本统包的绝缘窄油道变窄, 冷却油速度变慢, 因此, 不能够充分带走绕组的热量, 绕组绝缘纸受热后会析出各种有机气体和糠醛, 经证明, 变压器存在非正常绝缘老化的现象。

对变压器油中溶解的气体进行分析不仅对检测变压器的各种故障具有重要作用, 并且, 对油中糠醛含量和绝缘纸的聚合度进行测试也是诊断变压器老化的重要手段。在对变压器的绝缘状况进行检测以及诊断故障的时候一定要坚持综合分析的原则, 对某一台变压器的运行状态、故障历史、检修历史以及电气试验和色谱缝隙等资料进行综合的分析, 力求得出正确的结论。

摘要：通过对固体绝缘老化诊断方法的对比, 得出检测电力变压器油中糠醛浓度是评价固体绝缘老化状态的有效方法之一, 并且通过对油中糠醛含量以及溶解气体含量的测定对变压器固体绝缘老化故障进行综合的诊断。

关键词：变压器,绝缘,老化,糠醛,聚合度,色谱分析

参考文献

[1]电力行业油、气分析检验人员考核委员会.电力用油 (气) .国家电力公司热工研究院.

[2]操敦奎编著.变压器油中气体分析诊断与故障检查[M].中国电力出版社, 2005.

固体绝缘技术 第5篇

关键词：固体绝缘环网柜,特点,发展现状,趋势

0前言

目前, 由于SF6气体的化学特性非常稳定, 采用SF6作为绝缘媒介或主要绝缘媒介的气体绝缘环网柜在国内、国际都得到广泛的应用, 但是SF6气体分解难且为公认的温室效应气体之一, 一旦泄露将对人类的生存环境造成很大的潜在威胁。随着环保观念逐步深入人心, 作为《联合国气候变化框架公约》和《京都议定书》缔约国的我国国家电网公司在2011年8月发布的《国家电网第一批重点推广新技术项目》中, 将12 k V固体绝缘环网柜列入国家电网“十二五”规划, 明确提出到2015年后新建改造项目中中压固体绝缘环网柜使用量不低于新增总容量的25%[1,2,3,4]。同时, 由于城市工业经济发展迅速, 对城市供电也提出了新的要求, 更加安全可靠、环保性好、占地面积小、维护工作量少的固体绝缘环网柜也就成为了当前发展的趋势。

1 固体绝缘环网柜的优缺点

固体绝缘环网柜 (Solid-Insulated Ring Main Units) 是采用固体绝缘材料作为主绝缘介质的环网柜。将真空灭弧室及其导电连接、隔离开关、接地开关、主母线、分支母线等主导电回路单一或组合后用固体绝缘介质包覆封装为一个或几个具有一定功能、可再次组合或扩展的具备全绝缘、全密封性能的模块, 人可触及的模块表面涂覆有导电或半导电屏蔽层并可直接靠可接地的环网柜[5]。与气体绝缘环网柜比较, 它有其自身优缺点:

1) 无气体泄漏及温室效应风险, 环保性能好, 免维护;

2) 环氧树脂整体浇注的全密封绝缘结构, 绝缘性能可靠, 环境适应性强;

3) 模块化设计, 体积小, 产品灵活, 利于现场拼装;对于道路交通情况不佳的偏远地区, 可以分拆运输, 之后再组装, 使得运输及安装方式多样化;

4) 新兴产品, 成本高, 配套不完善;

5) 生产工艺不成熟, 废品率高;

6) 智能监控技术不成熟, 检测结果有效性尚带改善。

2 国内外固体绝缘环网柜的发展现状

2.1 国外固体绝缘环网柜的发展现状

早在1999年, 日本东芝公司就研发出高效率的环氧树脂浇注技术及高性能环氧树脂, 并将此技术应用于其24 k V及36 k V固体绝缘开关柜。目前, 日本东芝公司正在研究开发更高电压等级72 k V及84 k V, 额定电流最大2 000 A、开断电流31.5 k A的固体绝缘开关柜。美国伊顿公司在收购了荷兰霍力克公司, 融合其先进的设计理念和技术于2008年研制出SVS型固体绝缘环网柜, 其额定电流630A, 开断电流25 k A。2012年法国施耐德公司在中国市场推出不同开断能力的12 k V固体绝缘环网柜———PREMSET。近年, 韩国英泰克推出其研发的固体绝缘环网柜 (SIS) , 产品涵盖24 k V和25.8 k V两种电压等级的不同组合。

2.2 国内固体绝缘环网柜的发展现状

国内在固体绝缘环网柜的研究上起步较晚, 但发展速度较快, 以北京双杰电气股份有限公司、沈阳昊诚电气股份有限公司、扬州新概念电气有限公司、西安森源开关技术研究所有限公司等为代表, 并且以12 k V中压固体绝缘环网柜主。

2005年, 北京双杰电气股份有限公司斥资进行固体绝缘环网柜的开发, 并于2007年率先研发成功国内首台采用环氧树脂进行绝缘的环网柜, 并取得国内及国际发明专利。2007年, 沈阳昊诚电气股份有限公司固体绝缘环网柜试制完成, 并实现了小批量的运行, 到目前为止已有上万台固体绝缘环网柜产品在各地电网挂网运行。同年, 扬州新概念电气有限公司的固体绝缘环网柜也研发成功, 并投网运行。2012年, 西安森源开关技术研究所有限公司与国家电网平高集团有限公司、成都旭光电子股份有限公司及余姚舜利高压开关科技有限公司联合开发固体绝缘环网柜, 取得阶段性成果[6]。2013年, 爱启 (厦门) 电气技术有限公司自主设计固体绝缘环网柜, 并于2014年10月在北京国际电力电工展中展出SIRING环网柜系列产品。

3 结语

纵观固体绝缘环网柜的优缺点及国内外发展现状, 作为开关领域创新产品的固体绝缘环网柜, 要替代技术成熟、质量稳定及市场稳定的SF6气体绝缘环网柜尚有很长路需要走。但是我国电网公司的“十二五”规划中, 力主推进固体绝缘环网柜发展, 并在《国家电网公司第一批重点推广新技术目录》文件中曾明确提出:“从技术可靠性和环保要求更加严格的发展趋势看, 固体绝缘环网柜具有全面取代SF6气体绝缘环网柜的趋势。”“在2011~2012年, 国家电网公司新建和改造项目中固体绝缘环网柜的使用量不低于新增总量的5%, 2015年后使用量不低于新增总量的25%[4]。”目前, 2011~2012年的5%目标已经完成, 并且稳步迈向2015的25%新目标。因此, 随着固体绝缘制造工艺提升, 技术的不断进步完善以及实际运行经验的累积, 固体绝缘环网柜将逐步克服现有废品率高、成本高等劣势, 凭借其良好的安全可靠性, 优越的环保性能, 高度的模块化, 体积的小型化等优势得到广大用户的认可, 成为主流开关产品, 逐步取代SF6气体绝缘环网柜。

参考文献

[1]郑晓果, 周行, 宋晓生, 等.固体绝缘开关柜技术发展现状[J].价值工程, 2013, 32 (24) :39-41.

[2]陈廉曹, 竖剑文, 陈海安, 等.浅谈中压固体绝缘环网柜技术及试验[J].福建建设科技, 2013, 29 (2) :92, 43.

[3]韩国良, 刘元东.固体绝缘环网柜的结构特点分析[A].全国电力系统配电技术协作网第二届年会论文集[C].2009:349-353.

[4]国家电网公司文件.国家电网公司第一批重点推广新技术目录[Z].国家电网科, 2011:1285号.

[5]Q/GDW730-201212k V固体绝缘环网柜技术条件[S].

[6]王德彬, 刘梅.固体绝缘环网柜研发中的若干技术问题[J].中国高压电器网网刊, 2012, 55 (6) :1-7.

浅谈变压器固体绝缘故障的诊断方法 第6篇

关键词：变压器,绝缘

为了使设备的外形尺寸保持在可以接受的水平, 现代变压器的设计采用了更为紧凑的绝缘方式, 在运行中其内部各组件间的绝缘所需承受的热和电应力水平显著升高。110kV及以上等级的大型电力变压器主要采用油纸绝缘结构, 主要的绝缘材料是绝缘油和绝缘纸、纸板。

当变压器内部故障涉及固体绝缘时, 无论故障的性质如何, 通常认为是相当严重的。因为一旦固体材料的绝缘性能受到破坏, 很可能进一步发展成主绝缘或纵绝缘的击穿事故。所以纤维材料劣化引起的影响在故障诊断中格外受到重视。而且, 如能确定变压器发生异常或故障时是否涉及固体绝缘, 也就初步确定了故障的部位, 对设备检修工作很有帮助。

1 判断固体绝缘故障的常规方法

CO、CO2是纤维材料的老化产物, 一般在非故障情况下也有大量积累, 往往很难判断经分析所得的CO、CO2含量是因纤维材料正常老化产生的, 还是故障的分解产物。

月岗淑郎研究了使用变压器单位纸重分解并溶于油中的碳的氧化物总量, 即 (CO+CO2) mL/g (纸) 来诊断固体绝缘故障。但是, 已投运的变压器的绝缘结构、选用材料和油纸比例随电压等级、容量、型号及生产工艺的不同而差别很大, 不可能逐一计算每台变压器中绝缘纸的合计质量, 该方法因实际操作困难, 难以应用;并且, 考虑全部纸重在分析整体老化时是比较合理的, 如故障点仅涉及固体绝缘很小的一部分时, 使用这种方法也很难比单独考虑CO、CO2含量更有效。

IEC599推荐以CO/CO2的比值作为判据, 来确定故障与固体绝缘间的关系。认为CO/CO2>0.33或<0.09时表示可能有纤维绝缘分解故障, 在实践中这种方法也有相当大的局限性。通过对59例过热性故障和69例放电性故障进行统计。结果表明, 应用CO/CO2比例的方法正判率仅为49.2%, 这种方法对悬浮放电故障的识别正确率较高, 可达74.5%;但对围屏放电的正判率仅为23.1%。

2 固体绝缘故障的动态分析方法

新的预防性试验规程规定, 运行中330kV及以上等级变压器每隔3个月进行一次油中溶解气体分析, 但目前很多电业局为保证这些重要设备的安全, 有的已将该时间间隔缩短为1个月。也有部分电业局已开展了油色谱在线监测的尝试, 这为实现故障的连续追踪, 提供了良好的技术基础。

电力变压器内部涉及固体绝缘的故障包括:围屏放电、匝间短路、过负荷或冷却不良引起的绕组过热、绝缘浸渍不良等引起的局部放电等。无论是电性故障或过热故障, 当故障点涉及固体绝缘时, 在故障点释放能量的作用下, 油纸绝缘将发生裂解, 释放出CO和CO2, 但它们的产生不是孤立的, 必然因绝缘油的分解产生各种低分子烃和氢气, 并能通过分析各特征气体与CO和CO2间的伴生增长情况, 来判断故障原因。

判断故障的各特征气体与CO和CO2含量间是否是伴随增长的, 需要一个定量的标准。本文通过对变压器连续色谱监测的结果进行相关性分析, 来获得对这一标准的统计性描述。这样可以克服溶解气体累积效应的影响, 消除测量的随机误差干扰。

本文采用Pearson积矩相关来衡量变量间的关联程度, 被测变量序列对 (xi, yi) , i=1, …, 相关系数γ的显著性选择两种检验水平:以α=1%作为变量是否显著相关的标准, 而以α=5%作为变量间是否具有相关性的标准。即:当相关系数γ>γ0.01时, 认为变量间是显著相关的;γ<γ0.05时, 二者没有明确的关联。γ0.01、γ0.05的取值与抽样个数N有关, 可通过查相关系数检验表获得。

由于CO为纤维素劣化的中间产物, 更能反映故障的发展过程, 故通过对故障的主要特征气体与CO的连续监测值进行相关性分析可进一步判断故障是否涉及固体绝缘。当通过其它分析方法确定设备内部存在放电性故障时, 可以CO与H2的相关程度作为判断电性故障是否与固体绝缘有关的标准;而过热性故障则以CO与CH4的相关性作为判断标准。

这种方法在一定程度上可以反映故障的严重程度, 在过热性故障的情况下, 如果CO不仅与CH4有较强的相关性, 还与C2H4相关, 表明故障点的温度较高;而在发生放电性故障时, 如果CO与H2和C2H2都有较强的相关性, 说明故障的性质可能是火花放电或电弧放电。

3 故障的发展趋势

确认故障类型后, 如能进一步了解故障的发展趋势, 将有助于维修计划的合理安排。而产气速率作为判断充油设备中产气性故障危害程度的重要参数, 对分析故障性质和发展程度 (包括故障源的功率、温度和面积等) 都很有价值。

通过回归分析, 可将这3种典型模式归纳为:

(a) 正二次型:总烃随时间的变化规律大致为Ci=a.t2+b.t+c (a>0) , 即产气速率γ=a.t+b不断增大, 与时间成正比。这常与突发性故障相对应, 故障功率及所涉及的面积不断变大, 这种故障增长模式往往非常危险。

(b) 负二次型:总烃和产气速率的变化规律与 (a) 相同, 只是a<0.即总烃Ci增高到一定程度后, 在该值附近波动而不再发生显著变化。多与逐渐减弱的或暂时性的故障形式相对应, 如在系统短路情况下的绕组过热及系统过电压情况下发生的局部放电等。

(c) 一次型:即线性增长模型, 是一种与稳定存在的故障点相对应的产气形式。总烃的变化规律为Ci=k.t+j, 产气速率为固定的常数k, 通常只有当故障产气率k或总烃Ci大于注意值时才认为故障严重。

4 实例分析

故障产气的增长模型为正二次型, 在较短的时间里产气速率呈明显的增长趋势, 是一种发展迅速的故障, 反映出故障功率及故障所涉及的面积在不断变大。

2005年3月14日进行吊芯检查发现, 高压线圈与低压线圈间围屏有7层存在不同程度的烧伤、穿孔、爬电等明显的树枝状放电痕迹, 属围屏放电故障, 与分析结果相符。

结论

a.电力变压器油中溶解气体的产生总有其内在的原因, 根据故障的主要特征气体与CO的伴生增长情况, 即可判断故障点是否涉及固体绝缘。这种方法基本上不受累积效应的影响, 不存在注意值的限制, 可以随时分析溶解气体的变化规律, 及时发现可能存在的潜伏性故障。

固体绝缘技术 第7篇

CO、CO2是纤维材料的老化产物,一般在非故障情况下也有大量积累,往往很难判断经分析所得的CO、CO2含量是因纤维材料正常老化产生的,还是故障的分解产物。

月岗淑郎[1]研究了使用变压器单位纸重分解并溶于油中的碳的氧化物总量,即(CO+CO2)mL/g(纸)来诊断固体绝缘故障。但是,已投运的变压器的绝缘结构、选用材料和油纸比例随电压等级、容量、型号及生产工艺的不同而差别很大,不可能逐一计算每台变压器中绝缘纸的合计质量,该方法因实际操作困难,难以应用;并且,考虑全部纸重在分析整体老化时是比较合理的,如故障点仅涉及固体绝缘很小的一部分时,使用这种方法也很难比单独考虑CO、CO2含量更有效。

IEC599[2]推荐以CO/CO2的比值作为判据,来确定故障与固体绝缘间的关系。认为CO/CO2>0.33或<0.09时表示可能有纤维绝缘分解故障,在实践中这种方法也有相当大的局限性[3]。本文对59例过热性故障和69例放电性故障进行了统计。结果表明,应用CO/CO2比例的方法正判率仅为49.2%,这种方法对悬浮放电故障的识别正确率较高,可达74.5%;但对围屏放电的正判率仅为23.1%.

2、固体绝缘故障的动态分析方法

新的预防性试验规程规定,运行中330kV及以上等级变压器每隔3个月进行一次油中溶解气体分析,但目前很多电业局为保证这些重要设备的安全,有的已将该时间间隔缩短为1个月。也有部分电业局已开展了油色谱在线监测的尝试,这为实现故障的连续追踪,提供了良好的技术基础。

电力变压器内部涉及固体绝缘的故障包括:围屏放电、匝间短路、过负荷或冷却不良引起的绕组过热、绝缘浸渍不良等引起的局部放电等。无论是电性故障或过热故障,当故障点涉及固体绝缘时,在故障点释放能量的作用下,油纸绝缘将发生裂解,释放出CO和CO2.但它们的产生不是孤立的,必然因绝缘油的分解产生各种低分子烃和氢气,并能通过分析各特征气体与CO和CO2间的伴生增长情况,来判断故障原因。

判断故障的各特征气体与CO和CO2含量间是否是伴随增长的,需要一个定量的标准。本文通过对变压器连续色谱监测的结果进行相关性分析,来获得对这一标准的统计性描述。这样可以克服溶解气体累积效应的影响,消除测量的随机误差干扰。

本文采用Pearson积矩相关来衡量变量间的关联程度,被测变量序列对(xi,yi),i=1,…,相关系数γ的显著性选择两种检验水平:以α=1%作为变量是否显著相关的标准,而以α=5%作为变量间是否具有相关性的标准。即:当相关系数γ>γ0.01时,认为变量间是显著相关的;γ<γ0.05时,二者没有明确的关联。γ0.01、γ0.05的取值与抽样个数N有关,可通过查相关系数检验表获得。

由于CO为纤维素劣化的中间产物,更能反映故障的发展过程,故通过对故障的主要特征气体与CO的连续监测值进行相关性分析可进一步判断故障是否涉及固体绝缘。当通过其它分析方法确定设备内部存在放电性故障时,可以CO与H2的相关程度作为判断电性故障是否与固体绝缘有关的标准;而过热性故障则以CO与CH4的相关性作为判断标准。通过对59例过热性故障和69例放电性故障实例的分析。

这种方法在一定程度上可以反映故障的严重程度,在过热性故障的情况下,如果CO不仅与CH4有较强的相关性,还与C2H4相关,表明故障点的温度较高;而在发生放电性故障时,如果CO与H2和C2H2都有较强的相关性,说明故障的性质可能是火花放电或电弧放电。

3 故障的发展趋势

确认故障类型后,如能进一步了解故障的发展趋势,将有助于维修计划的合理安排。而产气速率作为判断充油设备中产气性故障危害程度的重要参数,对分析故障性质和发展程度(包括故障源的功率、温度和面积等)都很有价值。

通过回归分析,可将这3种典型模式归纳为:

(a)正二次型:总烃随时间的变化规律大致为Ci=a.t2+b.t+c(a>0),即产气速率γ=a.t+b不断增大,与时间成正比。这常与突发性故障相对应,故障功率及所涉及的面积不断变大,这种故障增长模式往往非常危险。

(b)负二次型:总烃和产气速率的变化规律与(a)相同,只是a<0.即总烃Ci增高到一定程度后,在该值附近波动而不再发生显著变化。多与逐渐减弱的或暂时性的故障形式相对应,如在系统短路情况下的绕组过热及系统过电压情况下发生的局部放电等。

(c)一次型:即线性增长模型,是一种与稳定存在的故障点相对应的产气形式。总烃的变化规律为Ci=k.t+j,产气速率为固定的常数k,通常只有当故障产气率k或总烃Ci大于注意值时才认为故障严重。

本文对59例过热性故障和69例放电性故障变压器总烃含量的增长模式与故障严重程度的对应关系进行了统计,结果如表2所示。

4 结论

a.电力变压器油中溶解气体的产生总有其内在的原因,根据故障的主要特征气体与CO的伴生增长情况,即可判断故障点是否涉及固体绝缘。这种方法基本上不受累积效应的影响,不存在注意值的限制,可以随时分析溶解气体的变化规律,及时发现可能存在的潜伏性故障。