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电力变压器的绝缘故障

时间:2012-07-05 来源:www.dqjsw.com.cn 编辑:李亮 点击:次 字体设置:

目前应用最广泛的电力变压器是油浸变压器和干式树脂变压器两种,电力变压器的绝缘即是变压器绝缘材料组成的绝缘系统,它是变压器正常工作和运行的基本条件,变压器的使用寿命是由绝缘材料(即油纸或树脂等)的寿命所决定的。实践证明,大多变压器的损坏和故障都是因绝缘系统的损坏而造成。据统计,因各种类型的绝缘故障形成的事故约占全部变压器事故的85%以上。对正常运行及注意进行维修管理的变压器,其绝缘材料具有很长的使用寿命。国外根据理论计算及实验研究表明,当小型油浸配电变压器的实际温度持续在95℃时,理论寿命将可达400年。设计和现场运行的经验说明,维护得好的变压器,实际寿命能达到50~70年:而按制造厂的设计要求和技术指标,一般把变压器的预期寿命定为20一40年。因此,保护变压器的正常运行和加强对绝缘系统的合理维护,很大程度上可以保证变压器具有相对较长的使用寿命,而预防性和预知性维护是提高变压器使用寿命和提高供电可靠性的关键。

  油浸变压器中,主要的绝缘材料是绝缘油及固体绝缘材料绝缘纸、纸板和木块等c所谓变压器绝缘的老化,就是这些材料受环境因素的影响发生分解,降低或丧失了绝缘强度。

  1.固体纸绝缘故障

  固体纸绝缘是油浸变压器绝缘的主要部分之一,包括:绝缘纸、绝缘板、绝缘垫、绝缘卷、绝缘绑扎带等,其主要成分是纤维素,化学表达式为(C6H10O6)n,式中n为聚合度。一般新纸的聚合度为1300左右,当下降至250左右,其机械强度已下降了一半以上,极度老化致使寿命终止的聚合度为150~200。绝缘纸老化后,其聚合度和抗张强度将逐渐降低,并生成水、CO、CO2,其次还有糠醛(呋喃甲醛)。这些老化产物大都对电气设备有害,会使绝缘纸的击穿电压和体积电阻率降低、介损增大、抗拉强度下降,甚致腐蚀设备中的金属材料。固体绝缘具有不可逆转的老化特性,其机械和电气强度的老化降低都是不能恢复的。变压器的寿命主要取决于绝缘材料的寿命,因此油浸变压器固体绝缘材料,应既具有良好的电绝缘性能和机械特性,而且长年累月的运行后,其性能下降较慢,即老化特性好。

    (1)纸纤维材料的性能。绝缘纸纤维材料是油浸变压器中最主要的绝缘组件材料,纸纤维是植物的基本固体组织成分,组成物质分子的原子中有带正电的原子核和围绕原子核运行的带负电的电子,与金属导体不同的是绝缘材料中几乎没有自由电子,绝缘体中极小的电导电流主要来自离子电导。纤维素由碳、氢和氧组成,这样由于纤维素分子结构中存在氢氧根,便存在形成水的潜在可能,使纸纤维有含水的特性。此外,这些氢氧根可认为是被各种极性分子(如酸和水)包围着的中心,它们以氢键相结合,使得纤维易受破坏:同时纤维中往往含有一定比例(约7%左右)的杂质,这些杂质中包括一定量的水分,因纤维呈胶体性质,使这些水分尚不能完全除去。这样也就影响了纸纤维的性能。

  极性的纤维不但易于吸潮(水分使强极性介质),而且当纸纤维吸水时,使氢氧根之间的相互作用力变弱,在纤维结构不稳定的条件下机械强度急剧变坏,因此,纸绝缘部件一般要经过干燥或真空子燥处理和浸油或绝缘漆后才能使用,浸漆的目的是使纤维保持润湿.保证其有较高的绝缘和化学稳定性及具有较高的机械强度。同时,纸被漆密封后,可减少纸对水分的吸收,阻止材料氧化,还町填充空隙,以减小可能影响绝缘性能、造成局部放电和电击穿的气泡。但也有的认为浸漆后再浸油,可能有些漆会慢慢溶人油内,影响油的性能,对这类油漆的应用应充分子以注意。

  当然,不同成分纤维材料的性质及相同成分纤维材料的不同品质,其影响大小及性能也不同,如棉花中纤维成分最高,大麻中纤维最结实,某些进口绝缘纸板由于其处理加工好,使性能明显优于国产某些材质的纸板等。变压器大多绝缘材料都是用各种型式的纸(如纸带、纸板、纸的压力成型件等)作绝缘的。因此在变压器制造和检修中选择好纤原料的绝缘纸材料是非常重要的。纤维纸的特殊优点是实用性强、价格低、使用加工方便,在温度不高时成型和处理简单灵活,且重量轻,强度适中,易吸收浸渍材料(如绝缘漆、变压器油等)。

(2)纸绝缘材料的机械强度。油浸变压器选择纸绝缘材料最重要的因素除纸的纤维成分、密度、渗透性和均匀性以外,还包括机械强度的要求,包括耐张强度、冲压强度、撕裂强度和坚韧性:  

 1)耐张强度:要求纸纤维受到拉伸负荷时,具有能耐受而不被拉断的最大应力。

    2)冲压强度:要求纸纤维具有耐受压力而不被折断的能力的量度。

    3)撕裂强度:要求纸纤维发生撕裂所需的力符合相应标准。

    4)坚韧性:是纸折叠或纸板弯曲时的强度能满足相应要求。

  判断固体绝缘性能可以设法取样测量纸或纸板的聚合度,或利用高效液相色谱分析技测量油中糠醛含量,以便于分析变压器内部存在故障时,是否涉及固体绝缘或是否存在引起线圈绝缘局部老化的低温过热,或判断固体绝缘的老化程度。对纸纤维绝缘材料在运行及维护中,应注意控制变压器额定负荷,要求运行环境空气流通、散热条件好,防止变压器温升超标和箱体缺油。还要防止油质污染、劣化等造成纤维的加速老化,而损害变压器的绝缘性能、使用寿命和安全运行。

    (3)纸纤维材料的劣化。主要包括三个方面:

    1)纤维脆裂。当过度受热使水分从纤维材料中脱离,更会加速纤维材料脆化。由于纸材脆化剥落,在机械振动、电动应力、操作波等冲击力的影响下可能产生绝缘故障而形成电气事故。

    2)纤维材料机械强度下降。纤维材料的机械强度随受热时间的延长而下降,当变压器发热造成绝缘材料水分再次排出时,绝缘电阻的数值可能会变高,但其机械强度将会大大下降,绝缘纸材将不能抵御短路电流或冲击负荷等机械力的影响。

    3)纤维材料本身的收缩。纤维材料在脆化后收缩,使夹紧力降低,可能造成收缩移动,使变压器绕组在电磁振动或冲击电压下移位摩擦而损伤绝缘。

  2.液体油绝缘故障

  液体绝缘的油浸变压器是1887年由美国科学家汤姆逊发明的,1892年被美国通用电气公司等推广应用于电力变压器,这里所指的液体绝缘即是变压器油绝缘。油浸变压器的特点:①大大提高了电气绝缘强度,缩短了绝缘距离,减小了设备的体积;②大大提高了变压器的有效热传递和散热效果,提高了导线中允许的电流密度,减轻了设备重量,它是将运行变压器器身的热量通过变压器油的热循环,传递到变压器外壳和散热器进行散热,从而提高了有效的冷却降温水平;③由于油浸密封而降低了变压器内部某些零部件和组件的氧化程度,延长了使用寿命。
 

(1)变压器油的性能。

从石油中提炼制取的绝缘油是各种烃、树脂、酸和其他杂质的混合物,其性质不都是稳定的,在温度、电场及光合作用等影响下会不断地氧化。正常情况下绝缘油的氧化过程进行得很缓慢,如果维护得当甚至使用20年还可保持应有的质量而不老化,但混入油中的金属、杂质、气体等会加速氧化的发展,使油质变坏,颜色变深,透明度浑浊,所含水分、酸价、灰分增加等,使油的性质劣化。

(2)变压器油劣化的原因。

  变压器油质变坏,按轻重程度可分为污染和劣化两个阶段。

  污染是油中混入水分和杂质,这些不是油氧化的产物,污染油的绝缘性能会变坏,击穿电场强度降低,介质损失角增大。

  劣化是油氧化后的结果,当然这种氧化并不仅指纯净油中烃类的氧化,而是存在于油中杂质将加速氧化过程,特别是铜、铁、铝金属粉屑等。

  氧来源于变压器内的空气,即使在全密封的变压器内部仍有容积为0.25%左右的氧存在,氧的溶解度较高,因此在油中溶解的气体中占有较高的比率。

  变压器油氧化时,作为催化剂的水分及加速剂的热量,使变压器油生成油泥,其影响主要表现在:在电场的作用下沉淀物粒子大;杂质沉淀集中在电场最强的区域,对变压器的绝缘形成导电的“桥”;沉淀物并不均匀而是形成分离的细长条,同时可能按电力线方向排列,这样无疑妨碍了散热,加速了绝缘材料老化,并导致绝缘电阻降低和绝缘水平下降。(信息来源:www.dqjsw.com.cn

  (3)变压器油劣化的过程。

  油在劣化过程中主要阶段的生成物有过氧化物、酸类、醇类、酮类和油泥。

  早期劣化阶段。油中生成的过氧化物与绝缘纤维材料反应生成氧化纤维素,使绝缘纤维机械强度变差,造成脆化和绝缘收缩。生成的酸类是一种粘液状的脂肪酸,尽管腐蚀性没有矿物酸那么强,但其增长速率及对有机绝缘材料的影响是很大的。

  后期劣化阶段。是生成油泥,当酸侵蚀铜、铁、绝缘漆等材料时,反应生成油泥,是一种粘稠而类似沥青的聚合型导电物质,它能适度溶解于油中,在电场的作用下生成速度很快,粘附在绝缘材料或变压器箱壳边缘,沉积在油管及冷却器散热片等处,使变压器工作温度升高,耐电强度下降。

油的氧化过程是由两个主要反应条件构成的,其一是变压器中酸价过高,油呈酸性。其二是溶于油中的氧化物转变成不溶于油的化合物,从而逐步使变压器油质劣化。

  (4)变压器油质分析、判断利维护处理。

   1)绝缘油变质。包括它的物理和化学性能都发生变化,从而使其电性能变坏。通过测试绝缘油的酸值、界面张力、汕泥析出、水溶性酸值等项目,可判断是否属于该类缺陷,,对绝缘油进行再生处理,可能消除油变质的产物,但处理过程中也可能去掉了天然抗氧剂。

   2)绝缘油进水受潮,由于水是强极性物质。在电场的作用下易电离分解,而增加了绝缘油的电导电流,因此,微量的水分可使绝缘油介质损耗显著增加。通过测试绝缘油的微水,叮判断是否属于该类缺陷。对绝缘油进行压力式真空滤油,一般能消除水分。

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