气固复合绝缘变压器聚酯材料老化特性研究

气固复合绝缘变压器聚酯材料老化特性研究

曾四秀1   ,王昌志

身份证号1：45212319901019132X

摘要：随着国内外对于变压器绝缘液防火安全和环境友好特性的关注，燃点为165℃左右且生物降解率低于30%的矿物油难以满足防火与环保的需求。于是合成酯、天然酯等高燃点且可生物降解基金项目：南方电网公司科技项目（GZHKJXM20170063）的替代绝缘液体得到了快速发展，日本企业开发出的改性酯满足可生物降解的要求，但燃点不高。

关键词：气固复合绝缘变压器；聚酯材料；老化特性；理化性能

引言

电力事业不断发展，对供电设施的性能提出了更高要求。在对变压器的维护检修中，需充分考虑到油对变压器故障的影响，规范落实变压器油性能的化验工作，及时了解变压器运行的状态，发现潜在引起故障和不良事故的危险因素。提高工作人员对化验变压器油性能的重视及专业水平，充分发挥化验技术对供电设备故障运行问题的预警等作用。

1实验部分

1.1实验材料选择与预处理

研究采用６０２０型双轴平面拉伸ＰＥＴ薄膜，其厚度为０．０５ｍｍ，将薄膜裁剪成１００ｍｍ×１００ｍｍ的正方形作为热老化以及其他测试实验的试样，样品数量充足。加速热老化实验前将式样放入真空烘箱中，在９０℃下干燥２４ｈ。图１为ＰＥＴ化学结构式。

图１ＰＥＴ化学结构式

1.2实验试样的基本理化性能对比

对以下5种绝缘液进行低温热故障的模拟与对比分析：嘉吉公司的大豆基天然酯FR3、卓原新材的菜籽基天然酯RAPO、重庆大学研发的山茶籽基天然酯RDB、Midel公司的合成酯Midel7131、日本AE帕瓦株式会社和狮王公司生产的棕榈基改性酯PFAE。化学分子结构以及脂肪酸类型与含量不同是导致绝缘液理化性能不同的原因，综合厂家说明书、文献及测试报告，表1列出了5种酯类绝缘液的基本理化性能，其中3种天然酯绝缘液的开口闪点均超过300℃。由于天然酯和合成酯的相对分子量远大于改性酯，它们拥有更高的黏度。天然酯的倾点较改性酯和合成酯都高，因此一般通过添加降凝剂的方法来改善天然酯的低温性能。实验中使用的绝缘纸为50%伸长率的皱纹纸35Hc。

表1　酯类绝缘液的基本理化性能

２理化试验结果分析

2.1试样表面形貌

图2为不同老化时间下ＰＥＴ薄膜的对比照片，每组照片从左到右分别为０、９６、１９２、２８８、３８４ｈ的试样。从检测结果可以看出，随着老化的加深，试样颜色由透明逐渐变白，再到颜色略微发黄，试样表面出现颗粒状物质。

图３不同老化程度ＰＥＴ薄膜表面形貌

2.2电气性能变化

首先，从介质损失入手分析。正常的变压器油较纯，介质损失小，通常不超过0.01，随着变压器长时间运行，变压器油受杂质、氧化物、水分等因素影响逐渐发生劣化，介质的损伤随之增大，如变压器油内的水分超过0.01%时，介质损失会超过0.2，甚至达到0.3，从而直接威胁变压器设施的运行安全稳定。其次，从击穿电压入手分析。击穿电压随着变压器油内水含量的增多而逐步降低，当油内水分超过0.02%时，相对于纯油时的击穿电压，此时的击穿电压下降幅度会超过22%。随着击穿电压的不断降低，变压器的正常运行随之受到影响。

2.3天然酯绝缘液的故障判定

目前，IEEEC57.155与CIGRETechnicalBro‐chure443已对酯类绝缘液的DGA技术提出了相应的导则，针对天然酯、合成酯的故障判定方法十分有限，主要为杜瓦尔提出的Duval三角形和五边形两种判定方法，但是Duval三角形法只选用了CH4、C2H4和C2H23种特征气体进行判据。由上文产气特征可知，酯类绝缘液低温热故障下的主要特征气体都包含有C2H6，所以Duval三角形法并不适用于低温热故障的判据。本文将5种酯类绝缘液热故障下的DGA测试值经各自的奥斯特瓦尔德系数校正后与IEEEC57.155中的典型值进行比较，带入IEC三比值法和Duval五边形法，评估上述方法对这5种酯类绝缘液低温热故障下故障判定的适用性。

2.4物理性能变化

首先，从表面张力入手分析。变压器油标准的表面张力值为35mN/m，随着变压器油的不断劣化，油的表面张力值逐步降低，油内的氧化物或其他杂质的含量随之增多，对变压器运行安全的影响较大。其次，从颜色方面分析。正常的变压器油呈淡黄色，在变压器的长时间运行中，油内的杂质含量随之增多，油的颜色逐步加深，劣化油对变压器运行的影响不能忽视。最后，从粘度方面分析。优质变压器油的粘度通常低于1.8°E。变压器的长时间运行，油质逐渐发生劣化，变压器油更加粘稠，促使其对变压器的散热、保护等作用随之弱化。

2.5变压器母排绝缘材质

干式变压器的绝缘结构及其绝缘材料是保证可靠性的重要指标，由于干式变压器的结构型式不同所用的主要绝缘材料也不同，至于干式变压器的铁心所用的晶粒取向冷轧硅钢片绕组所用的钢、铝导线也与油浸式变压器相同。只是干式电力变压器导线绝缘、主绝缘结构及其他绝缘材料有所差异，因此只就干式变压器所用绝缘材料作要介绍。芳香族聚酰胺纤维纸(Nomex)芳香族聚酰胺纤维纸是浸渍式干式变压器的导线绝缘、引线包扎绝缘等所用的主要绝缘材料。它属于耐高温(H级)的合成纤维材料。

3结论分析

对６０２０型ＰＥＴ薄膜在１５０℃下进行加速热老化处理，并进行了ＦＤＳ、ＤＳＣ、拉伸以及近红外光谱实验，获得了电气理化参量的演变规律，提取了典型特征量，为气体变压器的老化状态评估提供了理论基础，所得结论如下：１）通过ＤＳＣ检测，发现ＰＥＴ薄膜结晶度随老化先增加后减小，并且老化前期重结晶导致ＰＥＴ薄膜表面颜色从透明到变白再到逐渐发黄。通过拉伸试验，ＰＥＴ薄膜的断裂伸长率同样出现先增大后减小的现象，这是由于老化前期结晶度增大化导致的材料韧性的略微提高，ＰＥＴ材料拉伸强度逐渐减小。２）采用近红外光谱实验测量ＰＥＴ材料在不同波长吸光度的变化，发现随着老化的加深，其吸光度呈现下降趋势。提取特征参量，并采用ＬＤＡ算法进行降维处理，可以区分不同老化时间的ＰＥＴ薄膜，因此近红外光谱可以用于ＰＥＴ薄膜老化评估技术。３）通过ＦＤＳ试验，发现其介电损耗随着老化程度增大呈现先增大后减小的现象。采用Ｈ⁃Ｎ弛豫模型拟合处理后，介电谱３个不同频段的弛豫峰随着老化峰值与弛豫时间变化趋势各不相同，电导率出现先减小后增大的现象。最终选用τ１和τ２作为典型特征参量评估变压器老化状态，并通过拟合得到其经验公式。

结束语

变压器无论在安装试运行阶段还是投入商业运行后都要进行日常变压器本体检查、巡视工作。针对变压内部隐患可以通过局部放电试验，可以检测内部及外部不同部位的局部放电情况。局放试验精确地定位。其实影响变压器整体运行质量的因素很多，关键还是从源头从设计、制造环节把关。预防性试进行防范与控制，

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