浅析油浸变压器运行温度对其油纸绝缘的影响

浅析油浸变压器运行温度对其油纸绝缘的影响摘要：油浸变压器的寿命取决于其油纸绝缘的绝缘性能，本文浅析油浸变压器运行温度对变压器油中水分的含量及由水分引起的一些列物理化学反应的影响，最终定性得出变压器运行温度通过对水分的影响，而导致影响油纸绝缘绝缘性能的结论。关键词：变压器；油纸绝缘；水分；运行温度1.引言大型发电厂，大容量高电压等级的主变压器、厂用变压器、启备用及联络变压器，作为发电生产的核心主设备，在运行、维护、检修等一些列工作当中倍受重视。而对于电气主设备，油纸绝缘作为这些大型变压器主绝缘，很大程度决定了变压器运行的可靠性，所以油纸绝缘结构的电气绝缘性能自然成为了重点关注对象。但是，长期以来，人们一直关注的是油浸变压器油纸绝缘在高温环境下的绝缘特性，例如书上最常见的8℃法则、变压器长层油温运行中不超过85℃等等，实际使用当中，变压器主要保护也多针对其过热来进行整定。所以，在变压器运行当中，其降温散热成为了重点工作给予高度重视，务必要保证其冷却器运行良好。但是，另一方面来讲，是否变压器的运行温度控制得越低，对变压器就越好，油纸绝缘的寿命就越长呢？2.温度对变压器油中水分含量的影响2.1变压器中水分的来源不可否认，油纸绝缘的变压器中一定是有水的。即使崭新的变压器，无论制造工艺多么精良，始终无法彻底完全的去除水分。不仅有水，而且水的含量还十分可观。可以大致估算：一台大型的油纸绝缘变压器大致可包含十几吨绝缘纸和三十几吨油，绝缘纸的含水量一般在2%左右，即使最优质的绝缘纸其含水量也不会低于5‰，油中的水按1g/kg计算可知，此油纸绝缘的变压器绝缘纸部分含水上百公斤，绝缘油部分含水也有几十公斤。由于绝缘纸是具有较强吸湿行材料，所以绝缘纸在生产制造过程中干燥处理不良或在装配、运输或贮存时维护不当，造成绝缘纸吸潮、受潮等情况都会使绝缘纸中含有大量水分，并且受气相干燥技术瓶颈制约，变压器绝缘纸中也必然会含有水分。不仅绝缘纸是强吸湿行材料，绝缘油也是具有吸湿性的。正是由于绝缘油的吸湿性，变压器运行当中与外界大气呼吸作用时，会吸入空气中的潮气，甚至由于变压器不良密封件紧固件的缺陷，导致雨水或潮气入侵，使绝缘油的含水量增加。而且同样受科技方面滤油技术的限制，油中的水分也不可能完全滤除。2.2水分含量在变压器油纸绝缘间的变化变压器内部，绝缘纸和绝缘油中的含水量关系仅取决于温度。当运行温度升高时,绝缘油对于水分的溶解度会增加,绝缘纸中所含水分会析出溶解到绝缘油中。当温度降低时,绝缘油溶解性下降,溶解水会从有中析出成为悬浮态水分，但水分从绝缘油当中再流会到绝缘纸的可逆变化虽然存在，然而其速度却会相当缓慢。因此,绝缘油在较低温度下的含水量要比其在高温下的含水量高。另外，水分可以直接参与纤维素的降解反应，绝缘纸的纤维的分子是葡萄糖(C6H12O6)分子,水分促使其水解成低分子的物质,纤维素分子链降解的同时又产生一部分水，这部分水又加速纤维素的降解，从而产生更多的水分。2.3水分在变压器内部的分布规律变压器油中的水分一般为溶解、悬浮、沉积三种状态。溶解在变压器油中的水，在温度较低时，由于变压器油的溶解度下降，会因溶解过饱和而析出，形成悬浮状态的水，悬浮水大量聚集时，形成大水滴与变压器油分离沉积。溶解水由于热动力或强迫油循环的影响，分布会比较均匀，沉积水比重较变压器油大，便沉在变压器底部。但极微小的悬浮水，却会因为水分子的极性，受到变压器内强电场的电场力作用，沿电场方向移动和分布，且电场强度越高的地方，水分的分布将会越密集。油纸绝缘结构中，薄纸板小油隙的油纸界面处，油纸复合介电系数下的电场强度，要比变压器内的其他地方高出好几倍，变压器油中的悬浮水分便会在纸板油隙处形成微水聚集区。3.变压器油中水分对油纸绝缘的影响大量的水分在变压器内部，受运行当中变压器温度变化的影响，不可避免的要对变压器的绝缘产生威胁。变压器油温较高时，散热过程中的热动力或强迫油循环以及水分本身具有较高的内能，不足以使微水聚集，从而也不会使油纸绝缘结构的绝缘水平下降。但变压器若在低温环境下长期运行，变压器油的粘稠度便会增大，加之水分析出增加，水分从溶解状转变为悬浮状态。这时受到变压器内部强电场的电场力作用，在绝缘结构中电场较强的纸板间油隙聚集，这些聚集在绝缘纸间隙的水分又对绝缘纸纤维的降解起到促进作用，使绝缘纸纤维分解脱落形成纤维杂质。由于水和纤维的相对介电系数相比于变压器油大得多，所以在变压器强电场的作用下很容易被极化而且会沿着电场的方向排列成“小桥”，如此高电导率的放电小桥，必然会使绝缘纸表面的泄漏电流形成回路，发生局部放电，破坏绝缘纸的结构，逐步降低它的绝缘性能。另外，小桥间的泄漏电流增大，可能会使变压器油中的水分汽化形成气泡；且纤维杂质的存在会使其两端电场强度升高，进一步升高的电场强度下，会使变压器油发生游离分解出气体形成气泡。油中气体的相对电常数最小，因此，气体的击穿场强比油低很多，所以在相同电场强度下，气泡将首先发生游离放电，由此产生的带电质点再碰撞油分子，使油进一步分解出气体，气体体积膨胀，游离放电进一步发展，最终游离的气泡不断增大，发展成贯通两极的气体小桥时，就可能通过气泡小桥形成击穿放电。另外，变压器油中的水分对变压器油本身也会产生影响。直观来讲，油中的水分会加速油的老化变质。因为变压器在长期运行中，不可避免的要进行呼吸作用从而使变压器油吸收大气发生氧化，氧化生成高分子有机酸等物质，而这些生成物与变压器油中的水分一同，便会与变压器内部的金属发生反应，且水分含量越大，金属腐蚀反应速度就越快，腐蚀金属所产生的金属盐离子又成为了变压器油氧化作用的催化剂，这样便产生恶性循环，促使盐类物质增加，在油中大量析出，影响油的粘稠度，破坏油烃组成结构，劣化油质。如此之下，越发粘稠的油流更加助长了水分、气泡、杂质等导电物质在绝缘纸板间隙的聚集，油纸绝缘结构的击穿强度急剧下降。4.结论通过以上分析得出结论：变压器油纸绝缘会被油中的水分严重破坏其绝缘性能，而低温运行环境下的变压器，其变压器油中会较多析出水分，而且油质粘稠度增大、流动性降低、水分子动能也小，致使水分在纸板间隙高强电场下聚集，进一步破坏绝缘纸并产生更多水分以及形成纤维杂质，而且会使泄露电流形成回路发生局部放电的同时产生热量汽化水分，并且发生游离放电使变压器油也产生气泡。这些水分、杂质、气泡在形成放电小桥准备击穿放电的同时，油中的水分还与绝缘油氧化形成的高分子有机酸共同作用腐蚀着变压器内部的金属，腐蚀产生的盐类物质一边继续催化腐蚀反应的发生，另一边从油中大量析出，增大着变压器油的粘稠度，降低其流动性，从而更加巩固了放电小桥的发生击穿放电的条件。如此恶性循环下，使油纸绝缘的击穿强度急剧下降，最终酿成事故。因此，变压器运行中温度不见得控制得越低越好，尤其是在变压器低载甚至空载运行时，以及在北方地区的低温季节，若变压器冷却器依然全投运行，势必将成为重大安全隐患。由此建议，变压器的冷却器应该选择性的投入运行，特别是对于强迫有循环风冷冷却方式的变压器，应该设计改造将其风扇和潜油泵独立控制运行，这样有利于变压器在较低温度运行时不必再被迫投入风扇冷却，同时又可以迫油循环加强变粘稠的变压器油流动，由此防止水分在纸板油隙间聚集。在不发生过热的前提下，控制变压器油温略高点运行，既可以增加水分子动能，有加强油的热动能流动性，使悬浮水分不容易聚集，从而降低水分对油纸绝缘结构绝缘性能的威胁。另外，如果对变压器热点温度过高有顾虑，气相色谱分析会有所显示的。