DL∕T 984-2018 油浸式變壓器絕緣老化判斷導則

備案號：63055-2018代替DL/T984—2005國家能源局發(fā)布I前言 Ⅱ 12規(guī)范性引用文件 13術語和定義 14絕緣老化測試項目 2 24.2紙絕緣的聚合度 2 24.4油中溶解氣體 25絕緣老化判據及影響因素 25.1紙絕緣的聚合度 25.2油中糠醛 35.3油中一氧化碳和二氧化碳 4 5附錄A(資料性附錄)變壓器絕緣老化機理及壽命 6附錄B(規(guī)范性附錄)絕緣紙(板)聚合度測試方法 附錄C(資料性附錄)變壓器絕緣老化典型實例 附錄D(資料性附錄)絕緣油中丙酮含量分析測定方法 附錄E(資料性附錄)介電響應特性測量方法 23Ⅱ——增加了“GB1094.1和GB/T2900.15界定的以及下列術語和定義適用于本標準”的內容(見第3章);——增加了“c)變壓器運行超過30年”的取樣內容——修改了第5章絕緣老化判斷的測試項目及原理——修改了第6章判據及影響因素的章名(見5);——修改了規(guī)范性附錄“絕緣紙(板)聚合度測試方法”的部分內容(見附錄B)。GB/T1094.1電力變壓器第1部分：總則GB/T1094.7電力變壓器第7部分：油浸式電力變壓器負載導則GB/T2900.5—2013電工術語絕緣固體、液體和氣體GB/T7597電力用油(變壓器油、汽輪機油)取樣方法GB/T22898紙和紙板抗張強度的測定恒速拉伸法(100mm/min)糠醛(2-呋喃甲醛)furfural呋喃2位上的氫原子被醛基取代的衍生物，絕緣紙(板)劣化的主要特征產物之一。250%,說明紙絕緣深度老化；聚合度約為150時，紙絕緣完全喪失機械強度。良好注意(根據情況作決定)3域，見圖1。圖1中不同運行年限落入區(qū)域A的變壓器油中糠醛含量的下限值[log(f)=-1.65+0.08t,(如小于10年)的變壓器，當油中糠醛含量過高時尤其需要重視(參見附錄C中C.3)。4運行時間(年)e)超過注意值時，可在1年內檢測1次；g)運行超過10年。5化而言，與5.1.1和5.2.1相比，用CO和CO?判斷絕緣老化的不確定性更大。根據大量變壓器油中氣體a)正常情況下，隨著運行年數的增加，絕緣材料老化使CO和CO?的含量逐漸增加。由于CO?較易溶解于油中，而CO在油中的溶解度小、易逸散，因此CO?/CO一般是隨著運行年限的增加而逐漸變大的。當CO?/CO大于7時，認為絕緣可能老化，也可能是大面積低溫過熱故障引起b)對變壓器投運后CO含量的增長情況，有下列規(guī)律：1)隨著變壓器運行時間增加，CO含量雖有波動，但總的是增加的趨勢；2)變壓器自投入運行后，CO含量開始增加速度快，而后逐漸減緩，正常情況下不應發(fā)生3)不同變壓器(如生產廠家不同、年代不同)投運初期CO含量差別很大。據此提出以下經驗公式，不滿足時應引起注意n——運行年數。c)對變壓器油中CO?氣體分析結果，有以下經驗公式，不滿足時應引起注意n——運行年數。6其他丙酮作為變壓器的絕緣老化產物之一，其與聚合度之間的關系參見附錄A,其測試方法參見附錄D。隨著檢測技術的發(fā)展，丙酮有可能成為新的絕緣老化判斷項目。介電響應測試方法也具有成為判斷變壓器絕緣老化新測試項目的潛質，其測試原理、具體測試步驟及分析方法參見附錄E。6(資料性附錄)變壓器絕緣老化機理及壽命A.1絕緣老化機理絕緣油和紙絕緣在電、熱應力以及氧氣和水分的作用下都會發(fā)生降解，這一降解過程也稱為老化過程；當老化到一定程度不能發(fā)揮其應有的功能時，稱A.1.1纖維素絕緣材料變壓器的紙絕緣屬于纖維素絕緣材料，它是由大約75%～85%的α-纖維素、10%～20%的半纖維素、2%～6%的木質素和少于0.5%的無機物等構成。纖維素是由葡糖酐和糖苷鍵所連接在一起的線性縮合聚合物，其結構如圖A.1所示。α-纖維素又是由約2000個葡萄糖單體(C?H??O?)組成的長鏈狀高聚合碳氫化合物，其中約有70%的結晶部分和30%的無定型部分。半纖維素是葡萄糖單體少于200的碳氫化合物，這種成分的少量存在會對機械強度產生不利影響。絕緣紙的制造，主要是采用未漂白的針葉木硫酸鹽紙漿。硫酸鹽紙漿被加工成不同類型不同密度的絕緣紙。工程中可以加入各種含氮化合物來改善纖維素的老化特性。采用牛皮紙作為絕緣后，在繞組頂部的最大設計熱點溫度為98℃,而采用熱性能更好的絕緣紙后，其最大設計熱點溫度提升到110℃。圖A.1纖維素的結構圖變壓器的油紙絕緣在熱的作用下將會發(fā)生分子裂解的化學反應，即熱解降解反應。溫度升高時反應加速，加之水解和氧化的作用，使絕緣材料加劇分解。運行中的變壓器紙絕緣的熱分解、水解和氧化三a)熱分解：熱分解使纖維素分子鏈發(fā)生解環(huán)或斷裂，而解環(huán)和斷裂可以在纖維素分子的任何部位發(fā)生。熱分解也可能只發(fā)生在分子鏈的尾端，把最后一個環(huán)鏈解開，產生CO和CO?等氣體以下，鍵也可能被打開。但變壓器在正常運行或者過載(運行溫度低于140℃)時，熱分解發(fā)生在150℃以上時，纖維素結構中的化學結合水開始被脫除，會發(fā)生去氫反應。在油中氧含量較多時，部分氫與氧化合成水，導致進一步水解。試驗證明，纖維素的分解作用，至少在溫度近200℃時，仍不會產生大量烴類氣體，但CO和CO?增加較快，這就是有些變壓器絕緣導體低溫過熱故障，油中氣體總b)水解：纖維素是由許多D葡萄糖單體(C?H?O?)通過1-4糖苷鍵連接而成的線性高分子聚合物。1-4糖苷鍵對于酸的水溶液和高溫水的作用是不穩(wěn)定的，容易斷裂產生水解反應，即水分子透過纖維素的長分子之間，水與相鄰的兩個葡萄糖環(huán)的氧反應，形成兩個OH基，各附于一個環(huán)，使聚合物分離為兩個部分。每次分裂就消耗1個水分子。油紙氧化所產生的酸是水解作7用的催化劑。纖維絕緣材料中所含水分越多，纖維素水解速度越快。c)氧化：由于纖維素紙的葡萄糖環(huán)的碳原子存在醇羥基(CH?OH),它的化學性質非?；顫?，氧可能侵襲第六位C原子形成醛基—醛基再氧化而生成羧基，由于同分異構化，在葡萄糖苷碳上形成雙鍵。于是，葡萄糖苷碳鍵就變得很不牢固，容易發(fā)生水解。羧基發(fā)生水解時纖維素鏈斷裂，因此醇羥基的氧化歸根到底是纖維素鏈發(fā)生斷裂。在實際的變壓器中，這三種過程是同時發(fā)生的，形成非線性的Arrhenius曲線，這樣就會增加應用單一活化能去描述復雜降解過程的難度。溫度和環(huán)境決定了哪種降解過程占支配地位。在不同的反應之間很可能有協(xié)同作用發(fā)生，例如氧化降解可能會促進水解降解。但是，為了分析方便，假設各個過程是獨立的。總的降解就是各個降解過程的綜合，如公式(A.1)所示01/T圖A.2不同老化機制的老化反應率與溫度(T)的關系纖維素降解機理說明，即使是在相同的運行溫度下，變壓器絕緣老化速度也會因含水量、含氧量等諸多因素的不同而不同。紙絕緣的纖維素分子在熱、氧、水等因素長期作用下發(fā)生降解，大分子斷鏈成為較小的分子，使聚合度降低、材料的韌性和機械強度下降。此外，變壓器油紙絕緣處于高電場下還會產生電老化。如果各部位絕緣的工作場強遠沒有超過允許的使用場強，則這種電老化相對熱老化而言是很小的，可以忽略不計；如果作用場強超過了允許值，就會產生具有不同能量放電特征的絕緣分解氣體。本標準對電老化的機理不作詳細分析。A.1.2變壓器油礦物變壓器油主要是由許多不同分子量的碳氫化合物組成的混合物，基本以烷烴、環(huán)烷烴和少部分在變壓器的正常運行溫度下，油不會產生熱分解。油的老化雖與溫度有關，但主要是氧化導致，銅是油氧化的催化劑。實際上，對不能與氧氣完全隔離的油紙絕緣設備，即使長期不運行，也同樣存在老89log(Fa)=1.15-0.0035DPJ…………(殘)剩余平均聚合度(%)圖A.4丙酮生成量和(殘)剩余平均聚合度反映其老化程度。介電響應法主要分為時域和頻域兩種測量方式。時域測量方法包括回復電壓法變壓器的壽命主要由其油紙絕緣材料的壽命決定。變壓器壽命(油紙絕緣的壽命)主要與運行溫度和油由于絕緣油可以在變壓器使用壽命期間再生或更換，而紙絕緣的老化過程是不可逆的，而且紙絕緣也是不易更換，因此，紙絕緣的壽命決定了變壓器的實際使用壽命。紙絕緣的壽命主要取決于紙絕緣的機械壽命。除制造質量外，變壓器的實際壽命與運行A.3.1溫度變壓器的實際壽命與運行溫度關系很大。在GB/T1094.7和DL/T572中，是按“6度法則”的相對老化率來計算相對壽命損失的。也就是說，在80℃~140℃的范圍內，變壓器的溫度每上升(或下降)6℃,變壓器絕緣壽命的損失會加倍(或減半)。這是IEEE負載導則中Arrhenius方程的簡化表達形式。變壓器運行中的熱點溫度是受到嚴格限制的。在較高溫度下運行的相對壽命損失值可以用較低溫度下少損失的值來補償。變壓器負載大小直接對壽命有影響，負載率較低的變壓器應比負載率較高的變壓器運行年限更長。正常運行的變壓器應有30年以上壽命，達不到預期壽命而退役，通常是設備隱患或其A.3.2絕緣剩余壽命當紙絕緣老化，纖維素分子鏈斷裂時，聚合度的值會從初始值(DP?)開始減小，紙絕緣的老化服從Arrhenius方程，即R——摩爾氣體常數，取值為8.314J/(mol·K);由此，可以采用公式(A.4)對油-紙絕緣的剩余壽命進行大致預測，即理論上，可以吊心取紙樣進行當前聚合度的測試，但由于變壓器溫度分布的不均勻性，很難明確取樣部位聚合度值與熱點或其他部位聚合度值之間的相關性關系?？梢酝ㄟ^研究繞組材料在不同溫度下E值和A值的變化規(guī)律，設定一定的置信區(qū)間來提高預測的可靠性。此外，水分含量不同也會影響A值的實際上，由于變壓器運行過程中很難對其進行吊罩取樣測量當前的DP,值，因此執(zhí)行時可以采用取油樣測量糠醛含量Fa,并根據回歸公式log(Fa)=1.15-0.0035DP,進行聚合度值的大致估計。絕緣紙(板)聚合度測試方法a)銅乙二胺(CED),分子式為[Cu(NH?-CH?-CH?-NH?c)戊烷或正己烷(純度≥99.0%)。c)新的絕緣紙(板)不需步驟a)和b)。d)用尖鑷子和刀片把絕緣紙(板)刮成薄膜，放在纖維解離器(或其他離散設備)中，加蒸餾水預期DP、g新的中等c)加入25mL蒸餾水，放置0.5h,讓水完全浸透試樣。e)加入25mL濃度為1mol/L的銅乙二胺溶液。B.6紙樣的含水量測量在事先干燥并稱量過的密閉稱量瓶中稱取一定濕度環(huán)境中平衡的紙樣約2g(精確到1mg)。B.6.2含水量測量干燥后，蓋上蓋子并放在干燥器中冷卻45min左右。冷卻后，迅速打開和合上蓋子使稱量瓶內外氣B.7計算紙樣的含水量(H)按公式(B.1)計算，即B.7.3特性黏度(η)表B.2列出了作為ηg函數的(n)·C乘積值。該表中，取k=0.14,此值是在所述的操作條件下試驗1123456789聚合度按公式(B.4)計算，即B.8檢驗結果的有效性應滿足以下兩個條件才能認為結果符合本方法的要求，若有一個不滿足，應重新進行試驗：a)兩個DPy相差不應超過其平均值的2.5%。b)黏度測量后，用3號耐酸過濾漏斗過濾溶液。用稀鹽酸洗滌過濾器和沉淀物，然后用蒸餾水洗，經過110℃左右的烘箱干燥后，在干燥器中冷卻并稱重，不溶殘渣應當少于試樣原始質量的5%。(資料性附錄)C.1實例1某電廠1號、2號兩臺20000kVA/110kV升壓變壓器分別自1959年和1958年投入運行，經常負載1號變壓器2號變壓器情況說明1979年前曾進行大修濾油，后運行至1989年吊檢，并測油中糠醛和聚合度1978年前大修濾油，1987年處理油介質損耗1號主變壓器10kVA相35kVB相35kV引線中間絕緣層(上部)固定10kV引線處的絕樣捏成碎塊，未見黑色炭化物；樣品可明顯看到絕緣老化引起的炭化現(xiàn)象；手捏時有脆裂和疏松感。引線內靠近導體絕緣炭化尤為嚴重，外層絕緣強度略好，說明引線絕緣以導體溫度引起的老化為主，測試取中間部分樣品1974年投運，1991年8月退出運行，199a)變壓器累計運行132740h,其中最大年運行時間為8406h,最小為6993h。機組以100MW為基36℃,夏季最高為64℃~69℃。c)投運約3年時曾發(fā)生B相高壓I線圈端部匝間短路，由于圍屏高度僅至上壓板下第5餅處，因而弧光殃及A相，導致A、B相3餅～4餅對應處相間短路。后在現(xiàn)場將A、B相高壓線圈Id)1988年10月分析油中氣體，發(fā)現(xiàn)H?含量明顯增加(111μL/L),烴類氣體正常，1989年11月取樣時間1987年1988年1990年線圈聚合度外圍屏引線旁軛側旁軛側中部下部高壓I高壓Ⅱ取樣線餅之線圈高壓I高壓Ⅱ內徑側外徑側低壓線圈中部下部相別及取樣線圈高壓I高壓ⅡC相壓線圈(設計不同)的老化程度比高壓線圈嚴重。C.3實例3一臺配200MW發(fā)電機組的SFPSL7-240000/220升壓變壓器，1981年9月投運，1992年6月事正常運行負荷率為90%左右，上層油溫一般不超過70℃。投運后除進測試時間1988年1989年1990年1991年1992年測試時間1992年4月1992年5月C.4實例4表C.10某500kV變電站2號主變壓器時域介質響應參量A相B相0K食圖C.3B相變壓器紙板與實驗室內水分含量為0.76%的絕緣紙板tanδ(w)頻域譜對比圖C.4C相變壓器紙板與實驗室內水分含量為1.2%的絕緣紙板tanδ(w)頻域譜對比d)載氣：高純氮氣(99.999%),流量為1.5mL/min。f)氫氣(99.999%),流量為40mL/min。溫水浴中，加熱平衡30min,期間搖動頂空瓶3次。用1mL注射器迅速抽取頂空氣0.50mL注入氣相色定，測得峰高(h)為795。最低檢出限=C·3n/h=0.532mg/L×3×18/795=0.036mg/L。為0.059,相對標準偏差為4.2%。回收率(%)=(測得總量一基礎量)/加入量×100%平均回收率為101.5%。a)測試回路b)PDC及RVM理論曲線 DL/T984—2018響應測試。為了分析變壓器繞組之間的絕緣狀況，UST模式應用最為廣泛。圖E.3～圖E.5以UST模式圖E.2FDS測量原理示意圖心門門門門言中圖E.3給出了兩繞組變壓器的現(xiàn)場接線圖，該接線為單通道接線E.2.2.2三繞組變壓器現(xiàn)場接線方案況況弓叫27見幾幾門冗冗AC守圖E.4三繞組變壓器現(xiàn)場接線圖圖E.4給出了三繞組變壓器的現(xiàn)場接線圖，該接線為雙通道接線方式，其中被測高中壓容為CH,被測中低壓繞組之間的電容為Cr;Output為高壓電極，其作用是在被測變壓器上施加一激勵E.2.2.3帶第三繞組的自耦變壓器現(xiàn)場接線方案叫DDDDDD叫DDDDDD機幾仍叫譏弓C圖E.5帶第三繞組的自耦變壓器現(xiàn)場接線圖圖E.5給出了帶第三繞組的自耦變壓器的現(xiàn)場接線圖，該接線為雙通道接線方式，其中被測主絕緣高E.2.3測試條件E.2.3.1PDC測試條件PDC測試中直流電壓設置為U?=200V,為了獲得PDC中所攜帶的絕緣信息，原則上測量時間越長，PDC中獲得絕緣信息越豐富，極當測試時間允許時，建議選擇極化與去極化時間均為Te=10000s,否則選擇極化與去極化時間均為Te=5000s。E.2.3.2FDS測試條件FDS測試中交流電壓設置為u?=100V,FDS的測量頻率越低，其所攜帶的絕緣信息越豐富，因此，E.3介電響應特征量或特征曲線的提取E.3.1PDC特征參量的提取a)油、紙及油紙絕緣的復合電導率、極化電流初始值、極化電流穩(wěn)定值。根據油紙串聯(lián)的X模型(X值為紙筒總厚度與高低壓繞組間主絕緣厚度之比，Y值為撐條的總寬度