電氣工程及其自動(dòng)化畢業(yè)設(shè)計(jì)-水分對油紙絕緣電氣性能影響的研究(含外文翻譯)

1、<p><b>　　本科畢業(yè)論文</b></p><p><b>　?。?0 屆）</b></p><p>　　水分對油紙絕緣電氣性能影響的研究</p><p>　　所在學(xué)院 </p><p>　　專業(yè)班級 電氣工程及其自

2、動(dòng)化 </p><p>　　學(xué)生姓名 學(xué)號 </p><p>　　指導(dǎo)教師 職稱 </p><p>　　完成日期 年 月 </p><p>　　水分對油紙絕緣電氣性能影響的研究</p>

3、<p><b>　　摘要</b></p><p>　　變壓器是電力系統(tǒng)中的核心設(shè)備，在電力系統(tǒng)中處于極其重要的地位，保障大型電力變壓器運(yùn)行的可靠性對整個(gè)電網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行具有重要意義。然而在電力系統(tǒng)運(yùn)行過程中，由于變壓器進(jìn)水，使變壓器的絕緣損壞而導(dǎo)致變壓器故障，甚至起火爆炸的事故時(shí)有發(fā)生，因此水分對變壓器絕緣的影響顯得尤為重要。</p><p>　　本文首先

4、介紹了變壓器內(nèi)水分的來源以及預(yù)防措施。其次，說明了油紙絕緣中水分的分布情況，列出了油紙間水分平衡關(guān)系曲線，并且結(jié)合曲線給出兩種油紙絕緣中含水量的計(jì)算方法，即穩(wěn)態(tài)算法和暫態(tài)算法。而后，闡述了水分對油紙絕緣老化的影響，分別介紹了礦物油（變壓器油）、絕緣紙的老化機(jī)理，以及四種重要的老化形式和他們各自的影響因素，接著說明了水分在油紙絕緣老化過程的中起的作用。最后總結(jié)了水分對油紙絕緣電氣性能的四個(gè)重要參數(shù)的影響，包括相對介電常數(shù)、電阻率、介質(zhì)損耗

5、和擊穿場強(qiáng)。</p><p>　　通過本論文的總結(jié)，使水分對油紙絕緣電氣性能的影響變得更加的清晰，讓讀者能快速的了解到本領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢。</p><p>　　關(guān)鍵詞　變壓器，水分，油紙絕緣，水分平衡</p><p>　　The research of moisture on the electrical performance of Oil-paper i

6、nsulation</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Transformer is the core equipment of the power system and plays an important role in the grid, which guarantees the grid reliable and safe

7、 .However, in the operation process of the power system, water gets into the transformer, which makes transformer insulation damage and causes transformer faults, even explosion accidents occurred frequently. Therefore,

8、the influence of moisture on the transformer insulation is particularly important.</p><p>　　Firstly, the moisture source and prevention measures in transformer are introduced in this paper. Secondly, the wat

9、er distribution in Oil-paper insulation is explained and the moisture-equilibrium curve is listed. Then two kinds of methods are shown, which are steady-state algorithm and transient-state algorithm according the moistur

10、e curve. Thirdly, the influence of moisture on the Oil-paper insulation aging is stated. The aging mechanism of mineral oil (transformer oil) and insulation paper ar</p><p>　　This paper makes the influence o

11、f moisture on Oil-paper insulation electrical clearly, and readers are able to know the present research situation in this field and development trend more quickly.</p><p>　　Keywords　 Power transformer， Moi

12、sture，Oil-Paper insulation，Moisture-equilibrium</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　第1章 緒論1</b>

13、;</p><p>　　1.1 課題背景1</p><p>　　1.2變壓器的常見故障類型及產(chǎn)生原因2</p><p>　　1.2.1變壓器的常見故障類型2</p><p>　　1.2.2變壓器故障產(chǎn)生的原因2</p><p>　　1.3變壓器內(nèi)的水分來源及預(yù)防措施4</p><p>

14、　　1.3.1變壓器進(jìn)水的原因和主要途徑4</p><p>　　1.3.2變壓器進(jìn)水的預(yù)防措施7</p><p>　　1.4本文的研究內(nèi)容8</p><p>　　第2章 油紙間的水分平衡9</p><p>　　2.1 油紙絕緣中水分的分布9</p><p>　　2.2變壓器油紙間水分平衡關(guān)系曲線9</

15、p><p>　　2.3油紙間水分含量的計(jì)算方法15</p><p>　　2.3.1穩(wěn)態(tài)水分平衡方程15</p><p>　　2.3.2基于油紙間微水?dāng)U散暫態(tài)分布模型的算法17</p><p>　　2.4本章小結(jié)20</p><p>　　第3章 水分對油紙絕緣老化的影響22</p><p>

16、　　3.1油紙絕緣的老化機(jī)理22</p><p>　　3.2油紙絕緣的老化形式及影響因素23</p><p>　　3.2.1熱老化24</p><p>　　3.2.2電老化25</p><p>　　3.2.3機(jī)械老化26</p><p>　　3.2.4環(huán)境老化26</p><p>　

17、　3.3水分在油紙絕緣老化中的作用27</p><p>　　3.4本章小結(jié)28</p><p>　　第4章 水分對油紙絕緣電氣性能參數(shù)的影響29</p><p>　　4.1水分對油紙絕緣介電性能的影響29</p><p>　　4.2水分對油紙絕緣電阻率的影響29</p><p>　　4.3水分對絕緣油介質(zhì)損耗

18、的影響31</p><p>　　4.4水分對油紙絕緣擊穿場強(qiáng)的影響32</p><p>　　4.4.1水分對絕緣紙擊穿場強(qiáng)的影響32</p><p>　　4.4.2水分對絕緣油擊穿場強(qiáng)的影響33</p><p>　　4.5本章小結(jié)34</p><p><b>　　結(jié)論35</b><

19、;/p><p><b>　　致謝36</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)37</b></p><p><b>　　附錄41</b></p><p>　　千萬不要?jiǎng)h除行尾的分節(jié)符，此行不會(huì)被打印。在目錄上點(diǎn)右鍵“更新域”，然后“更新整個(gè)目錄”。打印前，不要忘記把上面“

20、Abstract”這一行后加一空行</p><p><b>　　緒論</b></p><p><b>　　課題背景</b></p><p>　　電力變壓器作為變、配電中能量轉(zhuǎn)換和傳輸?shù)暮诵模禽斪冸娫O(shè)備中最為重要、關(guān)鍵、昂貴的設(shè)備，其運(yùn)行的可靠性直接關(guān)系到電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和安全穩(wěn)定。電力變壓器是發(fā)電廠和變電所的主要設(shè)備之一。

21、變壓器的作用是多方面的不僅能升高電壓把電能送到用電地區(qū)，還能把電壓降低為各級使用電壓，以滿足用電的需要。總之，升壓與降壓都必須由變壓器來完成。</p><p>　　變壓器是電力系統(tǒng)中的核心設(shè)備，在電力系統(tǒng)中處于極其重要的地位，一旦發(fā)生故障，將有可能造成大面積的停電事故，給電力系統(tǒng)和國民經(jīng)濟(jì)造成不可估量的損失。單以變壓器本身造價(jià)而言，進(jìn)口的250MVA/500kV變壓器平均售價(jià)為133萬美元/臺(tái)，國產(chǎn)同規(guī)格的變壓器

22、也要1000萬元/臺(tái)左右[1]。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2004 年度國家電網(wǎng)公司系統(tǒng)的110kV及以上電壓等級變壓器共發(fā)生損壞事故53臺(tái)次、事故容量為4221.5MVA；與 2003年度國家電網(wǎng)公司所屬變壓器損壞事故（32臺(tái)次，1651.0MVA）相比，2004年度比2003年度變壓器年臺(tái)次事故率提高0.14個(gè)百分點(diǎn)，年容量事故率提高0.26個(gè)百分點(diǎn)，2008年度國家電網(wǎng)公司系統(tǒng)變壓器共發(fā)生非計(jì)劃停運(yùn)259次，比2007年增加7次，非計(jì)劃停運(yùn)時(shí)

23、間超過500小時(shí)的次數(shù)比2007年增加19次[2],變壓器損壞事故臺(tái)次和容量明顯增加[3]。</p><p>　　大量資料表明導(dǎo)致電力設(shè)備失效的主要原因是其絕緣性能的劣化。1984-1986年間 110kV 及以上等級電力變壓器事故統(tǒng)計(jì)分析表明，由于絕緣劣化引起事故臺(tái)次占事故總臺(tái)次的68%和總事故容量的74%[4]，1990 年則分別為76%和65%[5]。而據(jù)2004年的統(tǒng)計(jì)表明：2004年度變壓器損壞事故仍以

24、絕緣事故為主，占總損壞事故臺(tái)次的81.1%和總事故容量的 86.9%[3]。2008年度變壓器損壞事故仍以絕緣事故為主，占總損壞事故臺(tái)次42%[2]。以一臺(tái)三相 500kV、360MVA 的大型變壓器為例，若發(fā)生絕緣故障，其維修費(fèi)用在數(shù)百萬元，停電一天的直接損失可達(dá)70萬元，若考慮間接損失及社會(huì)損失，其造成的后果將更為嚴(yán)重[6]。所以，保證大型電力變壓器的安全運(yùn)行在電力系統(tǒng)中占有極其重要的地位。</p><p>

25、　　電力變壓器在長期運(yùn)行中，故障和事故是不可能完全避免的，引發(fā)變壓器事故和故障的原因很復(fù)雜，如外部的破壞和影響，不可抗拒的自然災(zāi)害等。安裝、檢修、維護(hù)中存在的問題和制造過程中留下的設(shè)備缺陷等事故隱患，特別是電力變壓器長期運(yùn)行后造成的絕緣老化和材質(zhì)劣化等等，已成為故障發(fā)生的主要因素。電力變壓器是電力系統(tǒng)中十分重要的組成部分，不僅直接關(guān)系到由其直接供電的廣大用戶，也關(guān)系到整個(gè)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。因此，對電力變壓器的故障進(jìn)行分析具有十分重要的

26、意義。</p><p>　　1.2變壓器的常見故障類型及產(chǎn)生原因</p><p>　　1.2.1變壓器的常見故障類型</p><p>　　電力變壓器的常見故障按變壓器本體可分為內(nèi)部故障和外部故障；按故障發(fā)生的部位可分為鐵芯故障、分接開關(guān)故障、繞組故障、絕緣故障；按發(fā)生故障的性質(zhì)可分為熱性故障和電性故障；按故障發(fā)生的回路可分為：電路故障、磁路故障和油路故障；按變壓器的

27、結(jié)構(gòu)可分為繞組故障、鐵芯故障、油質(zhì)故障和附件故障等[7]。</p><p>　　表1-1變壓器故障類型</p><p>　　1.2.2變壓器故障產(chǎn)生的原因</p><p>　　(一)繞組和引線故障</p><p>　　繞組故障主要是指發(fā)生在變壓器線圈、縱絕緣和端子中的故障。繞組故障主要由以下原因引起：</p><p>

28、　　(1)變壓器線圈的接頭因焊接過程中質(zhì)量控制不嚴(yán)導(dǎo)致質(zhì)量欠佳，線圈引出線和套管導(dǎo)電桿連接不好會(huì)致使變壓器在運(yùn)行中接頭過熱從而導(dǎo)致局部絕緣劣化，嚴(yán)重者會(huì)由于接頭斷開而造成繞組斷路。</p><p>　　(2)變壓器線圈的絕緣中滲入水分或器身干燥處理不夠徹底，也會(huì)導(dǎo)致運(yùn)行中的變壓器發(fā)生匝間短路。</p><p>　　(3)雷電沖擊、對地弧光放電等瞬變過程都可能會(huì)造成變壓器繞組薄弱處（如高壓繞

29、組的起始幾匝、絕緣導(dǎo)線的末端等處）發(fā)生絕緣損壞乃至擊穿。</p><p>　　(4)運(yùn)行中的變壓器遭受嚴(yán)重的外部短路時(shí)，在電動(dòng)力和機(jī)械力的作用下，變壓器繞組的尺寸或形狀將發(fā)生不可逆的變化。常表現(xiàn)為繞組軸向和徑向尺寸的變化、器身位移、繞組扭曲、鼓包和匝間短路等。繞組變形是目前影響電力變壓器穩(wěn)定運(yùn)行的一大隱患。</p><p>　　(5)嚴(yán)重的持續(xù)過載可在整臺(tái)變壓器中引起高溫，造成線圈絕緣變脆

30、、脫落，引起繞組匝間短路，絕緣油因高溫劣化，產(chǎn)生的油泥將沉積在油箱底部、線圈及鐵心構(gòu)件上，變壓器會(huì)因此散熱不良，并使得過熱更趨嚴(yán)重，最終導(dǎo)致變壓器損壞。</p><p>　　引線故障主要表現(xiàn)為：引線短路、引線斷路、引線接觸不良。引線是變壓器內(nèi)部繞組出線與外部接線的中間環(huán)節(jié)，其接頭是通過焊接而成。因此，焊接質(zhì)量的好壞直接影響到引線故障的產(chǎn)生與否。若發(fā)生引線短路，應(yīng)立即使變壓器停止運(yùn)行，如不及時(shí)處理會(huì)導(dǎo)致相間短路擴(kuò)大

31、發(fā)展成為災(zāi)難性故障，屬致命性故障。引線對地短路、接觸不良將會(huì)產(chǎn)生局部高溫?zé)龜嘁€而使變壓器停運(yùn)，屬于臨界性故障[7]。</p><p>　　(二)高壓出線套管故障</p><p>　　套管是電力變壓器內(nèi)繞組與油箱外聯(lián)結(jié)引線的重要保護(hù)裝置，也是電力變壓器與外部電網(wǎng)或設(shè)備連接的橋梁。其長期遭受電場、風(fēng)雨、污染等影響，易使瓷釉龜裂絕緣油老化，是變壓器故障多發(fā)部位。在運(yùn)行中，以下因素易導(dǎo)致套管故障

32、：(1)安裝不當(dāng)引起套管損壞；(2)套管因漏油致使套管缺油而過熱；(3)套管瓷套的表面沉積有灰塵、油污和鹽霧等，常常會(huì)引起套管的污閃；(4)套管與繞組引線聯(lián)接固定銷脫落造成懸浮放電；(5)套管密封不良導(dǎo)致進(jìn)水受潮。</p><p><b>　　(三)分接開關(guān)故障</b></p><p>　　分接開關(guān)故障主要表現(xiàn)為：分接開關(guān)觸頭接觸不良、觸頭間短路或?qū)Φ胤烹?、分接開關(guān)引

33、線松動(dòng)等。在電力變壓器故障中，該類故障所占比例較大，故障原因有很多，如制造質(zhì)量存在問題；在安裝、運(yùn)行操作及維護(hù)過程中存在不當(dāng)行為造成彈簧壓力不足、接觸不可靠、引線緊固不良、開關(guān)觸頭氧化、分接開關(guān)不到位等現(xiàn)象。</p><p><b>　　(四)磁路部分故障</b></p><p>　　磁路故障就是指發(fā)生在變壓器的鐵芯、鐵軛及其夾件中的故障。變壓器鐵芯和繞組是傳遞、交換

34、電磁能量的主要部件，要使變壓器可靠運(yùn)行，除繞組質(zhì)量合格外，鐵芯質(zhì)量好壞是決定其正常運(yùn)行的關(guān)鍵。磁路故障產(chǎn)生的原因主要有：</p><p>　　(1)運(yùn)行中的電力變壓器鐵芯形成多點(diǎn)接地，輕則發(fā)生局部過熱，重則導(dǎo)致變壓器跳閘甚至造成變壓器直接損壞。</p><p>　　(2)鐵芯疊片之間的絕緣或與鐵軛夾件之間的絕緣產(chǎn)生損壞會(huì)產(chǎn)生很大的循環(huán)渦流，并由此產(chǎn)生大量的熱量，從而危及鐵芯和線圈的絕緣，變

35、壓器的鐵損也會(huì)隨之增加。</p><p>　　(3)在變壓器鐵芯制作過程中，鐵芯或鐵軛疊片的邊緣形成較大的毛刺或鐵芯疊片間夾雜金屬物質(zhì)甚至鐵芯疊片產(chǎn)生微小的彎折，都有可能導(dǎo)致變壓器在運(yùn)行過程中產(chǎn)生鐵芯疊片間的局部短路，并由此產(chǎn)生渦流使鐵芯局部過熱。</p><p>　　(五)絕緣故障和密封不良</p><p>　　變壓器油和絕緣紙、紙板以及絕緣件構(gòu)成了變壓器油—紙絕

36、緣系統(tǒng)，絕緣故障主要表現(xiàn)形式及其產(chǎn)生原因如下：</p><p>　　(1)絕緣件在制造過程中，其表面或內(nèi)部被導(dǎo)電質(zhì)污染，運(yùn)行中會(huì)發(fā)生絕緣件表面放電或內(nèi)部發(fā)生局部放電，致使絕緣失效造成故障。</p><p>　　(2)變壓器油受到污染后，絕緣強(qiáng)度下降進(jìn)而導(dǎo)致變壓器整體絕緣性能下降是目前變壓器運(yùn)行中的常見故障。</p><p>　　(3)變壓器油道設(shè)計(jì)不佳和油流速度過高

37、會(huì)導(dǎo)致運(yùn)行中的變壓器油流帶電嚴(yán)重，甚至發(fā)生油流放電的故障，對電力變壓器的安全運(yùn)行造成極大危害。</p><p>　　(4)有些變壓器采用薄絕緣、小油道的設(shè)計(jì)制造，這些變壓器往往在投運(yùn)后不久就發(fā)生故障。</p><p>　　(5)由于變壓器油箱上的局部密封失效或其他因素，結(jié)果使水分進(jìn)入變壓器內(nèi)部，大大降低了變壓器局部的絕緣強(qiáng)度，會(huì)引起線圈或引線對油箱或?qū)﹁F芯構(gòu)件擊穿，線圈匝間絕緣遭受的危險(xiǎn)性

38、最大。</p><p>　　變壓器密封不良主要是由于連接處理不好，如焊接質(zhì)量控制不好、大罩變形、砂眼以及密封圈失效導(dǎo)致了密封故障，會(huì)出現(xiàn)漏油、漏氣等嚴(yán)重后果。一旦產(chǎn)生故障，影響范圍會(huì)很大[8]。</p><p>　　綜上所述，我們可以看出變壓器的大部分故障都是由絕緣被破壞引起的，而水分問題是導(dǎo)致變壓器內(nèi)油紙絕緣被破壞的主要因素之一。</p><p>　　1.3變壓器

39、內(nèi)的水分來源及預(yù)防措施</p><p>　　1.3.1變壓器進(jìn)水的原因和主要途徑</p><p>　　大型變壓器進(jìn)水的三要素：理想狀態(tài)的大型變壓器是一個(gè)全密封的整體，它與外部完全隔離，外部的水不能進(jìn)入變壓器的內(nèi)部，然而現(xiàn)實(shí)中的變壓器與理想中的變壓器往往存在一定的差距，存在一些問題和缺陷，從而使變壓器進(jìn)水成為可能，外界的水要進(jìn)入變壓器的內(nèi)部，必須要滿足三個(gè)條件[9]：</p>

40、<p>　　(1)變壓器外部壓力大于內(nèi)部壓力的區(qū)域。</p><p>　　(2)變壓器外部和內(nèi)部之間存在進(jìn)水通道。</p><p>　　(3)通道之外變壓器外部有水源（雨水、冷卻水等）。</p><p>　　以上三要素缺一不可，只要在變壓器某個(gè)區(qū)域同時(shí)滿足變壓器進(jìn)水三要素，該區(qū)域肯定存在變壓器進(jìn)水現(xiàn)象，因此我們可以利用變壓器進(jìn)水三要素并結(jié)合大型變壓器結(jié)構(gòu)特

41、點(diǎn)及運(yùn)行狀況對大型變壓器進(jìn)水情況進(jìn)行分析并提出防止進(jìn)水的措施：</p><p>　　(一)外部侵入的水分</p><p>　　(1)從變壓器的油枕和高壓套管進(jìn)水：</p><p>　　正常運(yùn)行的大型變壓器絕大部分區(qū)域內(nèi)部壓力一般情況下都大于外部壓力[10]。因此絕大部分區(qū)域不會(huì)進(jìn)水，根據(jù)變壓器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)滿足進(jìn)水三要素第一項(xiàng)的部位只有油枕、高壓套管頂部，這兩個(gè)部位具備

42、進(jìn)水的可能性。</p><p><b>　　(a)從油枕進(jìn)水</b></p><p>　　由于油枕位于大型變壓器頂部，因此油面壓力與外界相等，雖然吸濕器能使進(jìn)入油枕的空氣水減少，但仍有一部分水會(huì)進(jìn)入油枕，進(jìn)入油枕的空氣中的水隨著溫度的降低變成液態(tài)水，并越積越多，隔膜式油枕的頂部觀察孔密封不良時(shí)也會(huì)造成油枕進(jìn)水，故油枕內(nèi)有水存在，正常情況下油枕油面由隔膜或膠囊隔開不與外

43、界接觸，不存在進(jìn)水通道。但在下列情況將出現(xiàn)變壓器進(jìn)水:</p><p>　?、佼?dāng)隔膜式油枕的隔膜破損時(shí)，隔膜上的水將進(jìn)入變壓器油中。這些水會(huì)聚集在集污盒中，當(dāng)集污盒內(nèi)水過多時(shí)，水會(huì)流入集氣盒;當(dāng)集氣盒水過多時(shí)，水將經(jīng)瓦斯繼電器流入變壓器本體內(nèi)部，并有可能流到鐵心和繞組上，引發(fā)變壓器事故。</p><p>　?、诋?dāng)膠囊式油枕的膠囊出現(xiàn)破損時(shí)，膠囊內(nèi)水將進(jìn)人變壓器油中，這些水將流人變壓器本體內(nèi)

44、部。同樣也可能引發(fā)變壓器事故。</p><p>　?、哿硗猱?dāng)膠囊式油枕的側(cè)面蓋板頂部密封不良時(shí)雨水會(huì)直接進(jìn)入油枕內(nèi)的變壓器油中，并流到變壓器本體內(nèi)部，引發(fā)變壓器事故.</p><p>　　(b)從高壓套管頂部進(jìn)水</p><p>　　由于高壓套管頂部位置高于油枕油面，帶絲扣套的管接線板與帶螺紋的高壓引線頭通過擰緊連接，同時(shí)套管接線板還與外部導(dǎo)線接頭連接。由于接頭多，

45、出現(xiàn)接觸不良和過熱的可能性就大，特別是套管接線板與高壓引線接頭之間因螺紋絲扣公差太大易產(chǎn)生接觸不良而產(chǎn)生過熱，致使套管頂部密封因過熱老化失效。另外套管接線板受到外部導(dǎo)線的作用力，在該作用力的作用下很容易使頂部密封受力不均勻、密封破壞，因此在高壓套管頂部易產(chǎn)生進(jìn)水通道。下雨時(shí)雨水就會(huì)沿導(dǎo)線流到高壓套管頂部，并經(jīng)密封沿主變高壓引線流到引線支架和高壓繞組上，使高壓繞組絕緣性能降低造成事故。</p><p>　　(2)由

46、于吸濕器堵塞、主變本體至油枕之間的閥門關(guān)閉產(chǎn)生負(fù)壓進(jìn)水</p><p>　　正常情況下油枕內(nèi)的空氣通過吸濕器與外界相通，油枕內(nèi)的空氣壓力與外界壓力相等。在吸濕器堵塞時(shí)油枕內(nèi)的空氣與外界隔絕，空氣不能隨油位的高低變化與外界進(jìn)行交換。油位升高時(shí)，油枕內(nèi)的空氣被壓縮使變壓器內(nèi)部的壓力升高。反之油位降低時(shí)，油枕內(nèi)空氣因膨脹使整臺(tái)變壓器內(nèi)部壓力降低。例如在高溫季節(jié)水電廠的主變在白天時(shí)帶滿負(fù)荷運(yùn)行并在高油位時(shí)發(fā)生吸濕器堵塞，

47、到夜間氣溫降低且不帶負(fù)荷油位下降時(shí)，可使油枕內(nèi)的壓力低于0.4個(gè)大氣壓，內(nèi)外壓差可達(dá)0.6個(gè)大氣壓以上，基本上使整臺(tái)變壓器成為負(fù)壓區(qū)。同理主變至油枕之間的閥門關(guān)閉時(shí)可能使主變本體產(chǎn)生全真空，使整臺(tái)主變產(chǎn)生負(fù)壓區(qū)，因此就會(huì)通過滲漏點(diǎn)將外部的雨水、水、冷卻水等吸人變壓器內(nèi)部，造成變壓器進(jìn)水。</p><p>　　(3)從強(qiáng)迫油循環(huán)冷卻系統(tǒng)的負(fù)壓區(qū)進(jìn)水</p><p>　　強(qiáng)迫油循環(huán)變壓器在正常

48、運(yùn)行時(shí)冷卻系統(tǒng)各閥門應(yīng)全部打開.冷卻器運(yùn)行時(shí)可能在其上部及其進(jìn)油管路等部位產(chǎn)生負(fù)壓區(qū)，由于變壓器的油面高度高于冷卻器及其進(jìn)油管路，正常運(yùn)行的強(qiáng)迫油循環(huán)冷卻變壓器負(fù)壓區(qū)一般不大，負(fù)壓值不高。但在冷卻器的進(jìn)油閥關(guān)閉或開度很小、單向閥方向裝反時(shí)，由于在進(jìn)油閥、單向閥產(chǎn)生大幅度壓降，在進(jìn)油閥、單向閥、冷卻器及其進(jìn)油管路等部位出現(xiàn)大范圍的負(fù)壓區(qū)，并有很大的負(fù)壓值。由于強(qiáng)迫油循環(huán)系統(tǒng)存在負(fù)壓區(qū)，因此就會(huì)在負(fù)壓區(qū)通過滲油點(diǎn)將外部的雨水、水、冷卻水等吸

49、入變壓器強(qiáng)迫油循環(huán)系統(tǒng)，從而可能以懸浮狀水珠隨油流進(jìn)入變壓器的油道，并使繞組受潮造成事故。</p><p>　　(4)變壓器檢修過程中進(jìn)水</p><p>　　變壓器退出運(yùn)行進(jìn)人檢修狀態(tài)同樣可能進(jìn)水，對變壓器檢修過程特別是對變壓器大修過程進(jìn)行分析，在變壓器大修時(shí)，吊罩檢查、真空注油、組件回裝等關(guān)鍵檢修環(huán)節(jié)因下雨、檢修工藝不良等情況下也會(huì)造成變壓器進(jìn)水。</p><p&g

50、t;　　(二)制造時(shí)內(nèi)部殘留的水分</p><p>　　在變壓器制造過程中，雖經(jīng)過真空干燥、真空注油和熱油循環(huán)等一系列脫水除水工藝，但油和固體絕緣中仍會(huì)殘留一定量的水分。按變壓器電壓等級的不同，油中剩余含水量一般控制在10?L/L~20?L/L范圍，紙中殘留水分一般為0.2％~0.5％[11]。</p><p>　　(三)運(yùn)行時(shí)油紙老化產(chǎn)生的水分</p><p>　

51、　變壓器完成后，絕緣的老化過程即告開始。運(yùn)行過程中，油-紙絕緣系統(tǒng)的老化反應(yīng)隨溫度上升而逐漸加速，油和絕緣紙中因熱老化產(chǎn)生的水分也開始積累[12]。以往人們在分析變壓器受潮原因時(shí)，大多只注意了內(nèi)部殘留的水分和外部侵入的水分，而油紙老化產(chǎn)生的水分則被完全忽略或漠視。從下面的研究計(jì)算中會(huì)發(fā)現(xiàn)，油和紙板絕緣在老化過程中產(chǎn)生的水量及其影響絕對不容忽視。</p><p>　　(1)纖維素分子鏈降解反應(yīng)時(shí)產(chǎn)生水，而且一旦有水

52、從纖維分子中釋放出來，這些水又會(huì)加速這一降解過程，從而產(chǎn)生更多的水分，所以纖維素的降解反應(yīng)初始階段是以“加速方式”進(jìn)行的，直至生命后期，反應(yīng)才趨向平緩。</p><p>　　(2)變壓器油高分子氧化裂解時(shí)產(chǎn)生水分。</p><p>　　(3)其它有機(jī)聚合高分子絕緣件、結(jié)構(gòu)件，其油中內(nèi)表面涂層氧化、裂解時(shí)可能產(chǎn)生的水分。紙和油自產(chǎn)的這些水分將按當(dāng)時(shí)的溫度環(huán)境進(jìn)行轉(zhuǎn)移分配，從而實(shí)現(xiàn)增量后的油紙

53、系統(tǒng)水分平衡。</p><p>　　1.3.2變壓器進(jìn)水的預(yù)防措施</p><p>　　變壓器進(jìn)水不但危及變壓器本身的安全，還危及電力系統(tǒng)的安全，因此最重要的是預(yù)防變壓器進(jìn)水，為此應(yīng)從運(yùn)行、檢修、技術(shù)改造等多個(gè)方面針對變壓器進(jìn)水三要素采取預(yù)防措施防止變壓器進(jìn)水，以保障變壓器的安全運(yùn)行。</p><p><b>　　(一)運(yùn)行方面措施</b>&l

54、t;/p><p>　　(a)必須確保強(qiáng)油循環(huán)變壓器各閥門處于“全開”位置，不允許在冷卻管路不暢時(shí)啟動(dòng)潛油泵，以減少負(fù)壓區(qū)及負(fù)壓值。</p><p>　　(b)加強(qiáng)對吸濕器的巡視，在巡視時(shí)應(yīng)注意觀察吸濕器油杯中是否有氣泡冒出、硅膠是否需更換、吸濕器氣孔是否保持通暢。確保主變本體至油枕的閥門處于全開位置。</p><p>　　(c)加強(qiáng)對變壓器各滲漏點(diǎn)的巡視，在發(fā)現(xiàn)變壓器滲

55、漏點(diǎn)突然消失時(shí)應(yīng)分析變壓器是否出現(xiàn)負(fù)壓。</p><p>　　(d)應(yīng)用紅外熱像儀定期對高壓套管的接頭進(jìn)行紅外測溫，在接頭出現(xiàn)過熱時(shí)及時(shí)進(jìn)行處理。</p><p><b>　　(二)檢修方面措施</b></p><p>　　(a)在變壓器小修時(shí)要檢查高壓套管頂部的密封是否良好，有無老化、龜裂。</p><p>　　(b)

56、及時(shí)更換吸濕器硅膠，減少空氣中的潮氣進(jìn)人油枕，更換的硅膠顆粒大小應(yīng)均勻合適，顆粒直徑應(yīng)大于3mm，不應(yīng)有大量粉末，避免造成吸濕器堵塞。同時(shí)更換硅膠后應(yīng)確保吸濕器的通氣孔保持通暢。新安裝的吸濕器應(yīng)將油杯上方的密封墊拆除，防止造成吸濕器堵塞。</p><p>　　(c)在變壓器檢修時(shí)應(yīng)將油枕的膠囊內(nèi)水或隔膜上方的水清理干凈，隔膜式油枕應(yīng)充分利用檢修機(jī)會(huì)打開放水閥、集污盒放水，必要時(shí)打開集氣室的放注油管放水。同時(shí)應(yīng)確保

57、膠囊式油枕側(cè)面蓋板和隔膜式油枕頂部觀察孔蓋板已經(jīng)完全封蓋可靠，不存在密封不良和漏水現(xiàn)象。</p><p>　　(三)變壓器制造工藝改進(jìn)</p><p>　　(a)將強(qiáng)油水冷變壓器通過技術(shù)改造改為強(qiáng)油風(fēng)冷變壓器或自冷變壓器，以減少變壓器外部水。</p><p>　　(b)將隔膜式油枕和膠囊式油枕改為波紋膨脹式儲(chǔ)油柜，由于波紋膨脹式儲(chǔ)油柜不需要安裝吸濕器，不會(huì)因呼吸器堵

58、塞而造成負(fù)壓，同時(shí)波紋膨脹式儲(chǔ)油柜略帶正壓，有利于減少變壓器的負(fù)壓區(qū)。</p><p>　　1.4本文的研究內(nèi)容</p><p>　　本文主要從油紙間水分平衡、水分對油紙絕緣老化的影響、水分對油紙絕緣電氣參數(shù)的影響等方面進(jìn)行闡述。對不同的水分平衡模型，在模型機(jī)理、應(yīng)用范圍、誤差等方面進(jìn)行對比，對它們各自的特點(diǎn)、影響以及數(shù)據(jù)曲線等進(jìn)行比較總結(jié)。介紹老化機(jī)理、老化形式以及他們各自的影響因素，分

59、別說明了水分對油紙絕緣的相對介電常數(shù)、電阻率、介質(zhì)損耗和擊穿場強(qiáng)的影響。</p><p><b>　　油紙間的水分平衡</b></p><p>　　油紙絕緣中水分的分布</p><p>　　變壓器油中水分對變壓器的安全運(yùn)行存在較大的影響，通常希望變壓器油具備良好的絕緣性能而不含有水分，但事實(shí)上變壓器油中含有水分是不可避免的。無論是從煉油廠運(yùn)來的

60、新油，還是經(jīng)過凈化的油，都含有一定的水分。通常，變壓器油中的水分由以下幾個(gè)原因造成：一是由于受生產(chǎn)設(shè)備和工藝的限制，煉油廠生產(chǎn)的變壓器油含有一定的水分；二是油品在運(yùn)輸、貯存及使用過程中，外界的水分進(jìn)入油中；三是在變壓器油紙組合絕緣結(jié)構(gòu)中，絕緣材料老化裂解時(shí)產(chǎn)生的水分[13]。</p><p>　　變壓器的固體絕緣件多為纖維性材料構(gòu)成，由于纖維性材料為多孔的極性介質(zhì)，極易吸收水分，即使浸油處理后仍會(huì)吸潮，而且此類材

61、料與水的親和力比變壓器油大得多，所以變壓器中大部分的水分是被絕緣紙所吸收。但是油紙中水分的分布并不是固定不變的，變壓器中的水分在油紙絕緣中的擴(kuò)散取決于變壓器的運(yùn)行情況。水分的擴(kuò)散受油紙中水分的濃度差、溫度和壓力的影響。在現(xiàn)場維修過程中油紙間水分的濃度差是水分?jǐn)U散的主要因素；在烘干變壓器的過程中壓力是水分?jǐn)U散的主要因素；而在正常運(yùn)行時(shí)，溫度則是水分動(dòng)態(tài)變化的主要因素。下面我們給出油紙間水分的變化規(guī)律以及平衡關(guān)系曲線。</p>

62、<p>　　2.2變壓器油紙間水分平衡關(guān)系曲線</p><p>　　(一)Norris油紙間水分平衡關(guān)系曲線</p><p>　　對變壓器油紙間水分含量的平衡關(guān)系已經(jīng)開展了深入的研究。早在上世紀(jì)60 年代，F(xiàn)abre、Pichon[14]就用牛皮紙和暴露在空氣中的浸油紙通過Karl Fischer的測量方法進(jìn)行試驗(yàn)并給出了第一組油紙絕緣的水分平衡曲線，如圖2-1所示。但在當(dāng)時(shí)因

63、為是用法文做的發(fā)表，所以并沒有被大眾廣泛的認(rèn)知。而在1963年，Norris將其整理并用英文的方式提交到國際測量師聯(lián)合會(huì)，給出了新的曲線并且被廣泛的關(guān)注，所以這條曲線被命名為“Norris”曲線[15]，曲線如圖2-2所示。溫度升高的同時(shí)，紙中水分含量的增加隨著油中水分含量的增加而趨于平緩，溫度越高變化越慢。隨后的學(xué)者通過深入研究，又得出了不同的油紙間水分含量平衡曲線，Norris曲線為后人的研究奠定了基礎(chǔ)。</p>&l

64、t;p>　　(1)Norris 平衡曲線的實(shí)際應(yīng)用</p><p>　　通過多年的對油內(nèi)微水含量的測量工作我們發(fā)現(xiàn)，同一臺(tái)設(shè)備在不同季節(jié)所測結(jié)果不同，通常在夏季油中微水含量高、冬季偏低，水分含量隨溫度變化很敏感[16]。由圖2-2還可以看出，當(dāng)變壓器運(yùn)行溫度較高時(shí)，油中含水量較高，而紙中含水量較低，運(yùn)行溫度較低時(shí)，紙中含水量較高， 而油中含水量較低。也就是說，在夏季紙中水分向油中擴(kuò)散，冬季油中水分向紙中擴(kuò)散

65、。</p><p>　　圖2-1 Fabre-Pichon水分平衡曲線[14]</p><p>　　油中水分含量/mgL-1</p><p>　　圖2-2 Norris曲線（水分平衡曲線）[15]</p><p>　　下面我們根據(jù)平衡曲線來說明水分在變壓器中是如何擴(kuò)散的。假設(shè)實(shí)際注入變壓器的油含水量為10mg/L，紙中含水量設(shè)為2%，通過圖2

66、-2可查得某一特定溫度下油紙水分平衡后油中的含水量。當(dāng)油溫在30℃時(shí)，油紙水分平衡后油中含水量應(yīng)為5mg/L，比實(shí)際注人的油含水量小，故油中的水分將向紙中擴(kuò)散，紙?zhí)幱谖疇顟B(tài)。當(dāng)油溫在60℃時(shí)，油紙水分平衡后油中含水量應(yīng)為30mg/L，紙中水分將向油中擴(kuò)散，油處于吸水狀態(tài)。在變壓器中，紙中含水量大大超過油中含水量，若紙中水分向油中擴(kuò)散，油中的水分增加值較大，會(huì)嚴(yán)重影響油的絕緣性能。例如一臺(tái)大型330kV變壓器油重約50t，紙絕緣重5t，

67、根據(jù)油和紙的含水量，即可計(jì)算出油和紙中水的總重量。假如50℃測得油中含水量為30mg/L，則由圖查出紙絕緣系統(tǒng)中的含水量為3.1%，則油中含水量為1.5kg，紙中含水量為155kg。</p><p>　　(二)Oommen 油紙間水分平衡曲線</p><p>　　1983年Oommen提出了一組油紙間水分平衡關(guān)系曲線，這組平衡曲線的原理是在相同溫度下油紙中水分的相對飽和度是相同的。他結(jié)合油

68、中水分與空氣中相對濕度的平衡關(guān)系以及紙中水分與空氣中相對濕度的平衡關(guān)系， 繪制了油紙間水分平衡關(guān)系曲線，如圖2-3 所示。</p><p>　　油中含水量/ mgL-1</p><p>　　圖2-3 Oommen油紙水分平衡曲線[17]</p><p>　　Oommen利用圖2-4所示的木漿纖維質(zhì)中的水分與空氣中相對濕度的平衡關(guān)系曲線，以及油與空氣的水分平衡關(guān)系繪制

69、了油紙絕緣的水分平衡曲線。這些曲線對吸收（實(shí)線表示絕緣紙吸收水分）與解吸（虛線表示絕緣紙釋放水分）過程是不同的。對于同一相對濕度，解吸曲線的水分含量要比吸附曲線高一些。</p><p>　　圖2-4 Jeffries所制木漿纖維質(zhì)中的水分與相對濕度的關(guān)系曲線[18]</p><p>　　Oommen認(rèn)為對于相同溫度時(shí)，水分平衡狀態(tài)下的油中水分相對飽和度與空氣相對濕度是相同的，因此油中水分與

70、空氣相對濕度的平衡呈線性關(guān)系：</p><p>　　Woil=S(T)×RH (2-1)</p><p>　　式中，RH 是空氣中的相對濕度，可以表示為：</p><p>　　RH= p/ps×100% (2-2)</p><p>　　式中 ps——飽和水

71、蒸汽壓；</p><p>　　p——實(shí)際水蒸汽壓，Pa；</p><p>　　Woil——油中的含水量；</p><p>　　S(T) ——水在油中的溶解度。</p><p>　　(三)Griffin 油紙間水分平衡曲線</p><p>　　1987 年Fessler[19] 等人結(jié)合Houtz[20]、Ewart 和

72、Oommen等多位學(xué)者的研究數(shù)據(jù)，確定了一個(gè)空氣中水蒸汽壓與紙中水分含量的平衡公式：</p><p><b>　　(2-3)</b></p><p>　　式中PV——空氣中的水蒸汽壓，mmHg (1mmHg=133.322 368Pa)；</p><p>　　C——紙中水分含量；</p><p>　　T——絕對溫度，K。

73、</p><p>　　Fessler等人也給出了以紙中的水分含量和溫度來計(jì)算水蒸汽壓的公式：</p><p><b>　　(2-4)</b></p><p>　　Griffin等人在1988年利用Oommen的方法繪制了油紙間的水分平衡曲線[21]。采用Fessler的公式(2-4)表示水蒸汽壓力函數(shù)以及利用式(2-2)轉(zhuǎn)換為相對濕度，繪制的曲

74、線如圖2-5 所示。</p><p>　　油中水分含量/ mgL-1</p><p>　　圖2-5 Griffin油紙水分平衡曲線[21]</p><p>　　但是當(dāng)相對濕度較高時(shí)Griffin曲線與Oommen曲線存在較大差異。可以看出Oommen曲線在高相對濕度情況下曲線斜率會(huì)增加，而Griffin和Fessler等人的曲線在高濕度時(shí)會(huì)變得較平緩。根據(jù)文獻(xiàn)[22

75、]的研究表明，在50%RH以后水分的吸附將急劇增加，表明在高相對濕度區(qū)域時(shí)Griffin曲線可能存在一定的誤差。</p><p>　　通過對以上兩組典型的水分平衡曲線的分析和比較，發(fā)現(xiàn)當(dāng)應(yīng)用這些曲線時(shí)需要特別注意，因?yàn)檫@些平衡曲線在測量技術(shù)、數(shù)據(jù)來源和繪制原理上是各不相同的。文獻(xiàn)[22]的研究表明Oommen曲線與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合得最好。</p><p>　　油紙水分平衡曲線（或叫做“Norr

76、is 曲線”）在實(shí)際電力生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛。假定變壓器在水分平衡狀態(tài)時(shí)，就可以通過測量油中的水分含量來檢查紙中水分含量。變壓器油中的水分含量可以通過例行油樣采集和試驗(yàn)室分析來檢測，因此油樣中的水分含量同樣可以表示固體絕緣的干燥水平。</p><p>　　(四)麻省理工學(xué)院的曲線</p><p>　　在文獻(xiàn)中上述所有可利用的曲線在油中的水分最大允許值為100mg/L，這是因?yàn)樵谧儔浩鳝h(huán)境中允許的

77、濕度在這個(gè)范圍內(nèi)。然而實(shí)驗(yàn)室的試驗(yàn)需要在高濕度的環(huán)境中操作，所以要求曲線的覆蓋范圍更廣泛。利用Oommen的方法和Jeffries[18]的曲線，麻省理工學(xué)院得到一個(gè)更廣泛的平衡曲線，溫度從0攝氏度到100攝氏度，并且油中的水含量上線為800mg/L。紙中的含水量可以在1%以下，如圖2-6所示。</p><p>　　圖2-6 麻省理工水分平衡曲線</p><p><b>　　(五

78、)曲線比較</b></p><p>　　由于油中水分溶解度，紙中水分相對濕度，和測量準(zhǔn)確度不同，不同的調(diào)查人員給出的曲線也不同。不同的溫度和濕度結(jié)果的比較見表2-7。</p><p>　　表2-7 不同作者的油紙水分平衡系統(tǒng)的比較</p><p>　　Oommen曲線和麻省理工的曲線的繪制采用的是相同的原理，在水分含量較低時(shí)曲線非常的接近。在油中水分濃度

79、相同時(shí)，Oommen曲線里對應(yīng)的紙中水分含量整體都比在Norris和Griffin的曲線里對應(yīng)的水分的含量要低。大部分不同都發(fā)生在低溫、或者在高溫下紙中水分濃度較高時(shí)。</p><p>　　2.3油紙間水分含量的計(jì)算方法</p><p>　　無論是變壓器的制造廠商還是變壓器的使用者，他們都努力的把變壓器油紙絕緣系統(tǒng)內(nèi)的水分保持在一個(gè)很低的標(biāo)準(zhǔn)，水分是一個(gè)重要的因素對于變壓器的安全運(yùn)作、使用

80、壽命和可靠性。因此準(zhǔn)確的計(jì)算出變壓器油紙絕緣系統(tǒng)內(nèi)水分的含量以及變化規(guī)律至關(guān)重要。到目前為止，計(jì)算方法大致可分為兩種趨勢，分別為穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)。對于穩(wěn)態(tài)，有如下的計(jì)算方法。</p><p>　　(1)ABB公司給出的方程式：</p><p>　　此方程在50、60、70時(shí)與IEEE值吻合的非常好，且在低酸值（新油）情況下比shkolnik的數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確。</p><p>

81、　　(2)Serena:</p><p>　　T(K)=273+t()</p><p>　　(3)Shkolnik:</p><p><b>　　,</b></p><p>　　式中，k、a、d和b是不同絕緣材料的系數(shù)（如Kraft紙，層壓紙板等），Kraft紙60時(shí)，C=0.408，n=0.641。</p>

82、<p>　　當(dāng)油的酸值=0.02</p><p>　　當(dāng)油的酸值=0.03</p><p>　　S1、 均為溶解度。</p><p>　　(4)Griffin公式中油的飽和度：</p><p><b>　　其中為。</b></p><p>　　(5)Oommen公式中油的飽和度(Gr

83、iffin由Oommen公式原理，對礦物油試樣進(jìn)行實(shí)際測量得到)：</p><p>　　其中Griffin公式的算法應(yīng)用相對廣泛，下文將對其進(jìn)行詳細(xì)的介紹。</p><p>　　2.3.1穩(wěn)態(tài)水分平衡方程</p><p>　　根據(jù)上文對幾種油紙間水分含量平衡曲線的介紹，發(fā)現(xiàn)只要知道了溫度、油中水分含量以及紙中水分含量這三個(gè)參數(shù)中的兩個(gè)，就可以計(jì)算出其余的參數(shù)。雖然

84、Oommen曲線能較好地表達(dá)實(shí)際的水分平衡關(guān)系，但是并沒有給出可行的計(jì)算公式。而Griffin曲線雖然在濕度較高時(shí)存在一定誤差，但是在低濕度范圍內(nèi)可以用代數(shù)式表達(dá)。因此可以采用Oommen曲線的平衡原理，結(jié)合Griffin曲線采用的水蒸汽壓與紙中水分含量的平衡公式（2-3），來實(shí)現(xiàn)平衡時(shí)油紙水分含量的計(jì)算。</p><p>　　(一)利用油中水分含量計(jì)算紙中水分含量</p><p>　　目

85、前油中的水分含量可以通過取樣檢測來獲得，而紙中的水分含量則較難測量。因此可以利用油中水分含量來計(jì)算紙中的水分含量。若水分平衡狀態(tài)下，已知某一溫度下的油中水分含量，則可以得出此時(shí)油中水分的相對飽和度RS，根據(jù)油中水分與空氣相對濕度的平衡關(guān)系，可以認(rèn)為此時(shí)的RS與空氣中相對濕度RH相等。由式（2-4）可以得出在這一溫度下的空氣實(shí)際水蒸汽壓，即：</p><p><b>　　(2-5)</b>&l

86、t;/p><p>　　p為空氣的實(shí)際水蒸汽壓，ps為飽和水蒸汽壓。</p><p>　　而對于飽和的水蒸汽壓，可以表示為：</p><p><b>　　(2-6)</b></p><p>　　飽和水蒸汽壓式(2-6)的準(zhǔn)確度能滿足大多數(shù)工程測量的需要。將ps代入式(2-5)就可以計(jì)算出空氣實(shí)際水蒸汽壓p。</p>

87、<p>　　因此根據(jù)油中測量到的水分含量，就計(jì)算出了空氣中實(shí)際的水蒸汽壓。再根據(jù)在Griffin平衡曲線中采用的水蒸汽壓與紙中水分含量的計(jì)算公式(2-3)，即可得到平衡時(shí)紙中的水分含量。這樣就實(shí)現(xiàn)了通過油中的水分含量來計(jì)算紙中的水分含量。</p><p>　　(二)利用紙中水分含量計(jì)算油中水分含量</p><p>　　一般情況下，紙中的水分都比油中的水分大得多，而且油中水分的

88、變化一般不會(huì)顯著地改變紙中水分含量，因此可以認(rèn)為在一定時(shí)間范圍內(nèi)紙中水分含量保持恒定。根據(jù)上節(jié)可以計(jì)算出紙中水分含量C，對于在另一溫度下，重新建立變壓器油紙間水分平衡狀態(tài)，油中水分含量就會(huì)發(fā)生變化，則可以應(yīng)用紙中水分含量C 實(shí)現(xiàn)對新平衡狀態(tài)下油中水分含量的計(jì)算。</p><p>　　首先由紙中水分含量計(jì)算空氣中水蒸汽壓，則根據(jù)式(2-3)的代數(shù)變換，變換后的水蒸汽壓為：</p><p>&

89、lt;b>　　(2-7)</b></p><p>　　式(2-7)明顯不同于式(2-4)，根據(jù)文獻(xiàn)[22]的分析，認(rèn)為式(2-7)才正確反映了水蒸汽壓與紙中水分含量和溫度的關(guān)系。所以在計(jì)算平衡狀態(tài)下的油紙水分含量時(shí)，可以采用式(2-7)。</p><p>　　結(jié)合飽和水蒸汽壓式(2-7)以及空氣中相對濕度式，就可以求出空氣中的相對濕度RH，根據(jù)油中水分與空氣相對濕度的平衡

90、關(guān)系，可以認(rèn)為與油中水分飽和度RS 相等。由油中水分的相對飽和度，可以得出油中的水分含量，即：</p><p><b>　　(2-8)</b></p><p>　　將油中水分的溶解度代入式(2-8)，即可計(jì)算出平衡狀態(tài)時(shí)的油中水分含量。</p><p>　　(3)變壓器紙中水分含量的實(shí)際計(jì)算</p><p>　　對于實(shí)際

91、運(yùn)行中的變壓器，可以在變壓器油溫相對較高時(shí)來計(jì)算紙中的水分含量，以便油紙間水分能夠在一定時(shí)間內(nèi)盡快達(dá)到平衡狀態(tài)。若在不小于60h的時(shí)間范圍內(nèi)，油溫變化幅度不大于5℃時(shí)，可以認(rèn)為在較高油溫時(shí)變壓器油紙間的水分達(dá)到了平衡狀態(tài)。實(shí)際檢測中某110kV變壓器采取一定措施后，在72h內(nèi)油溫在68℃~72℃范圍內(nèi)變化，可以認(rèn)為該變壓器達(dá)到了水分平衡狀態(tài)，通過測量油中水分能夠計(jì)算出紙中的水分含量。這段時(shí)間的平均油溫為70.5℃，實(shí)測油中水分含量為35

92、μL/L，通過上節(jié)中的公式可以計(jì)算出紙中水分為1.66%，這樣就實(shí)現(xiàn)了紙中水分含量的間接測量。同理，利用該紙中水分含量值就可以分析該變壓器在不同溫度下平衡狀態(tài)時(shí)的油中水分含量。</p><p>　　2.3.2基于油紙間微水?dāng)U散暫態(tài)分布模型的算法</p><p>　　傳統(tǒng)的建立穩(wěn)態(tài)平衡方程計(jì)算油紙絕緣水分含量的方法固然簡潔、實(shí)用，但有些現(xiàn)場運(yùn)行的設(shè)備（如變壓器、電容器）的絕緣紙式樣很難直接得

93、到，因此通常測量油中的微水，用油紙絕緣穩(wěn)態(tài)分布曲線獲得絕緣紙微水濃度信息，但當(dāng)油和絕緣紙板的溫度變化時(shí)，該方法的誤差較大，所以研究油紙絕緣微水暫態(tài)擴(kuò)散的過程，即可忽略溫度的影響，因此建立暫態(tài)分布模型就變得非常的重要，也必定成為今后研究的重要趨勢。</p><p>　　(1)Fick第二擴(kuò)散定律</p><p>　　用Fick第二擴(kuò)散定律[23]推導(dǎo)油紙絕緣的微水?dāng)U散模型，F(xiàn)ick第二定律表

94、達(dá)如下：</p><p><b>　　(2-9)</b></p><p>　　式中：C為絕緣紙或紙板中的微水濃度，%。為方便，下文把絕緣紙和絕緣板統(tǒng)稱為絕緣紙；D為微水在油紙絕緣中的擴(kuò)散系數(shù)，；t 為時(shí)間，s。</p><p>　　絕緣紙正反面的面積要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于側(cè)面積，因此可忽略從側(cè)面滲透的微水，即可以把絕緣紙近似看成一維系統(tǒng)，此時(shí)式(2-9)可

95、簡化為：</p><p><b>　　(2-10)</b></p><p>　　式中x為絕緣紙厚度方向的坐標(biāo)值，m。通過求解式(2-10)，可得各時(shí)刻絕緣紙沿厚度方向不同位置的微水濃度。</p><p><b>　　(2)邊界條件分析</b></p><p>　　不同狀態(tài)下，式(2-10)具有不同的

96、邊界條件[24]，下面將逐一分析。</p><p>　　(a)絕緣紙一側(cè)與絕緣油接觸，而另一側(cè)與繞組緊密結(jié)合(其坐標(biāo)圖如圖2-8①)。令絕緣紙厚度為l，與繞組接觸處的坐標(biāo)x=0，則另一側(cè)的坐標(biāo)x=l。分析可知當(dāng)x=0 時(shí)，厚度方向微水濃度的梯度為0；而x=l時(shí)，則可認(rèn)為絕緣紙?zhí)幍奈⑺疂舛扰c油中微水濃度達(dá)到平衡(記為)，因此可以通過油紙絕緣中微水分布的穩(wěn)態(tài)關(guān)系得到。</p><p>　　初始

97、條件為，邊界條件為：</p><p><b>　　(2-11)</b></p><p>　　(b) 雙面透水。絕緣紙兩側(cè)均與絕緣油接觸(其坐標(biāo)圖如圖2-8②所示)。與單面透水不同的是，x=0或x=l 時(shí)，都可認(rèn)為絕緣紙?zhí)幍奈⑺疂舛扰c油中微水濃度達(dá)到平衡(同樣記為)，而x=l/2 處，兩邊微水?dāng)U散速度相同，因此綜合擴(kuò)散速度為0，即在厚度方向微水濃度的梯度為0。</

98、p><p>　　單面透水 ② 雙面透水</p><p>　　圖2-8 微水在油紙絕緣擴(kuò)散的坐標(biāo)圖</p><p>　　初始條件為；邊界條件為：</p><p><b>　　(2-12)</b></p><p>　　圖2-8中，x、y分別為絕緣紙厚度方向和高度方向

99、的坐標(biāo)。</p><p><b>　　(3)方程求解</b></p><p>　　當(dāng)D為常數(shù)時(shí)，式(2-10)可轉(zhuǎn)化為</p><p><b>　　(2-13)</b></p><p>　　根據(jù)式(2-13)的特點(diǎn)，其解可設(shè)為</p><p><b>　　(2-14

100、)</b></p><p><b>　　式中和均為常數(shù)。</b></p><p>　　單面透水時(shí)，根據(jù)初始條件和邊界條件，即式(2-11)，計(jì)算可得：</p><p><b>　　(2-15)</b></p><p><b>　　其中</b></p>

101、<p><b>　　(2-16)</b></p><p>　　雙面透水時(shí)，根據(jù)初始條件和邊界條件，即式(2-12)，計(jì)算可得：</p><p><b>　　(2-17)</b></p><p><b>　　其中</b></p><p><b>　　(2-18

102、)</b></p><p>　　實(shí)際擴(kuò)散系數(shù)D與溫度、微水濃度等有密切關(guān)系，此時(shí)式(2-10)為非線性微分方程，式(2-15)和式(2-16)也不再是式(2-10)的解，必須用數(shù)值分析法求解。</p><p>　　1974年，Guidi和Fullerton[25]通過實(shí)驗(yàn)，擬合得到了擴(kuò)散系數(shù)D的計(jì)算公式：</p><p><b>　　(2-19

103、)</b></p><p>　　式中、k、、為待定系數(shù)，材料不同時(shí)，待定系數(shù)有所不同。Foss[25]通過實(shí)驗(yàn)求得了油浸式絕緣紙(kraft paper)的待定系數(shù)，分別為：，k=0.5，，。</p><p>　　式(2-10)左邊可展開為：</p><p><b>　　(2-20)</b></p><p>

104、<b>　　右邊可展開為</b></p><p><b>　　(2-21)</b></p><p>　　把式(2-19)帶入上式，展開，并與式(2-20)聯(lián)立得到</p><p><b>　　(2-22)</b></p><p>　　式中為局部截?cái)嗾`差。</p>

105、<p>　　取時(shí)間步長和空間步長分別為和h，則當(dāng)</p><p><b>　　(2-23)</b></p><p>　　式(2-22)可表達(dá)為</p><p><b>　　(2-24)</b></p><p>　　用迭代法求解式(2-24)，單面透水時(shí)，初始條件為，邊界條件為：，；雙面透水

106、時(shí)，初始條件為，邊界條件為:。 </p><p>　　上述方法特別詳細(xì)的介紹了油紙間水分平衡的算法，雖然能讓讀者看上去特別清晰、直觀，但也不乏質(zhì)疑，首先，作者沒有說明Fick第二定律的適用性，其次邊界條件中，此式表明紙與油所接觸的界面微水濃度始終連續(xù)，但穩(wěn)態(tài)時(shí)，根據(jù)Oommen的方法，油與紙板中平均飽和度相等，平均濃度不連續(xù)，如果作者假設(shè)成立，則油中微水濃度不十分均勻——靠近油紙界面處微水濃度大。</p&g

107、t;<p><b>　　2.4本章小結(jié)</b></p><p>　　對多套經(jīng)典的吸濕平衡曲線研究并且做出比較。當(dāng)考慮使用這些曲線時(shí)應(yīng)該謹(jǐn)慎，因?yàn)槠錅y量技術(shù)、數(shù)據(jù)來源、和原理不同。試驗(yàn)研究表明Oommen曲線匹配試驗(yàn)數(shù)據(jù)最佳。但當(dāng)系統(tǒng)不平衡時(shí)，這種平衡曲線不能用來找到紙中的含水量。在分析了幾種油紙水分含量平衡關(guān)系的基礎(chǔ)上，根據(jù)在相同溫度下油紙中水分相對濕度是相同的這一原理，建立了

108、在低濕度情況下油紙間水分平衡的計(jì)算公式。當(dāng)系統(tǒng)不平衡時(shí)，用費(fèi)克第二定律和數(shù)值分析法建立了油紙絕緣微水?dāng)U散的暫態(tài)模型，計(jì)算出不同時(shí)刻油紙中的含水量。為油紙水分含量平衡關(guān)系的實(shí)際應(yīng)用提供了簡便可行的方法。</p><p>　　水分對油紙絕緣老化的影響</p><p>　　3.1油紙絕緣的老化機(jī)理</p><p>　　變壓器油紙絕緣系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的固-液二相體系，其老化不

109、僅包括絕緣油、絕緣紙自身的老化，還涉及到油紙之間的相互作用。由于實(shí)際變壓器中油、紙絕緣組合不同、變壓器自身結(jié)構(gòu)的多樣性以及運(yùn)行環(huán)境的差異，故對油紙絕緣老化機(jī)理方面的研究非常復(fù)雜，目前主要就應(yīng)用最廣泛的礦物油、纖維素絕緣紙自身老化機(jī)理方面取得了一些研究成果。</p><p>　　(一) 礦物油老化機(jī)理</p><p>　　礦物油的主要成分是烷烴、環(huán)烷烴、芳香烴等化學(xué)性質(zhì)較穩(wěn)定碳?xì)浠衔?。在?/p>

110、壓器正常運(yùn)行溫度下，礦物油的劣化主要是氧化所致；油中溶解的氧、水分等在溫度和金屬催化劑的作用下將飽和的烴類物質(zhì)緩慢氧化，生成醇、醛、酮及酸等氧化物產(chǎn)物，同時(shí)生成少量的 CO 和 CO2。老化較嚴(yán)重時(shí)，礦物油的顏色會(huì)變深，并析出油泥，CO和 CO2將成為油中溶解氣體中的主要組分。在電弧、局部過熱等非正常運(yùn)行條件下，油中烴類物質(zhì)的C-H和C-C鍵斷裂，生成少量活潑的氫原子和碳?xì)浠衔锏淖杂苫?，氫原子或自由基通過復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)重新組合，形成氫

111、氣和低分子烴類氣體(如CH4、C2H6、C2H4、C2H2等)，隨著故障能量和作用時(shí)間的增加甚至可形成碳?xì)渚酆衔?X-蠟)及固體碳粒[26]。</p><p>　　(二) 絕緣紙老化機(jī)理</p><p>　　絕緣紙是纖維素纖維通過復(fù)雜的纏繞、交織而形成的一種網(wǎng)狀構(gòu)造體，而纖維素纖維是由若干條纖維素鏈通過分子內(nèi)氫鍵、分子間氫鍵結(jié)合起來的結(jié)果。每條纖維素鏈都是由 β-D 葡萄糖基通過 1,4-