林元棣 廖瑞金 張鐿議,2 柳海濱

（1. 輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（重慶大學(xué)） 重慶 400044 2. 廣西大學(xué)廣西電力系統(tǒng)最優(yōu)化與節(jié)能技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 南寧 530004）

換油對(duì)變壓器油中糠醛含量和絕緣紙老化評(píng)估的影響及修正

林元棣1廖瑞金1張鐿議1,2柳海濱1

（1. 輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（重慶大學(xué)） 重慶 400044 2. 廣西大學(xué)廣西電力系統(tǒng)最優(yōu)化與節(jié)能技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 南寧 530004）

為研究現(xiàn)場(chǎng)變壓器換油后油中糠醛的變化規(guī)律及換油對(duì)使用油中糠醛評(píng)估絕緣紙老化的影響，在實(shí)驗(yàn)室對(duì)油紙絕緣樣品進(jìn)行130℃加速熱老化，在老化的前、中、后期分別換油，對(duì)比換油前、后油中糠醛的含量。結(jié)果表明，換油后，油中糠醛大量損失；換油前、后油中糠醛含量的差值隨老化時(shí)間的加長(zhǎng)而逐漸減??；不考慮換油，直接使用油中糠醛評(píng)估絕緣紙老化會(huì)使評(píng)估結(jié)果偏高，誤差在換油后初期尤其顯著。定義在相同的老化時(shí)間換油后與換油前油中糠醛的比例為修正函數(shù)，研究了修正函數(shù)的變化規(guī)律，并用其對(duì)換油后油中糠醛進(jìn)行修正。結(jié)果表明，使用修正函數(shù)可以有效改善換油后絕緣紙老化程度的評(píng)估效果。研究了修正函數(shù)向現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行溫度推廣的方法，以利于現(xiàn)場(chǎng)變壓器換油后的糠醛修正。

變壓器 油紙絕緣 老化評(píng)估 糠醛分析 換油

0 引言

變壓器是電網(wǎng)安全運(yùn)行的核心設(shè)備，嚴(yán)重的變壓器故障會(huì)影響電力系統(tǒng)的供電可靠性，而且更換變壓器的經(jīng)濟(jì)代價(jià)高昂[1-3]。因此，現(xiàn)場(chǎng)變壓器要求能夠安全可靠地運(yùn)行幾十年。變壓器內(nèi)絕緣，即絕緣油和絕緣紙組成的復(fù)合絕緣系統(tǒng)問(wèn)題是引發(fā)變壓器故障的重要原因。變壓器油紙絕緣系統(tǒng)在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中受到電、熱等多種因素的綜合作用而發(fā)生不可逆的劣化[4-8]。對(duì)變壓器內(nèi)絕緣老化狀態(tài)的可靠評(píng)估，有助于及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的絕緣缺陷和故障風(fēng)險(xiǎn)，因此可以有效地保證變壓器的可靠運(yùn)行[9]。

由于變壓器絕緣紙難以取樣，現(xiàn)有的方法往往通過(guò)溶解于絕緣油中的物質(zhì)間接評(píng)估變壓器固體絕緣狀態(tài)。典型的評(píng)估方法包括絕緣油中水分、酸值分析及油中溶解氣體分析和糠醛分析等[10]。其中，油中糠醛分析被認(rèn)為可以準(zhǔn)確反映絕緣紙的老化程度。糠醛是絕緣紙劣化過(guò)程中纖維素分子鏈斷裂產(chǎn)生的一種呋喃類物質(zhì)[11,12]。產(chǎn)生的糠醛會(huì)向絕緣油中擴(kuò)散，直至在油紙間平衡分布，因此絕緣油中的糠醛含量與絕緣紙的老化程度密切相關(guān)。目前各國(guó)學(xué)者對(duì)油中糠醛含量與絕緣紙聚合度（Degree of Polymerization, DP）的關(guān)系進(jìn)行了大量的研究，發(fā)現(xiàn)油中糠醛含量的對(duì)數(shù)值與絕緣紙聚合度具有良好的負(fù)線性關(guān)系[13-17]。因此，根據(jù)油中糠醛的含量，可以推斷絕緣紙的聚合度。然而，現(xiàn)有的研究成果是建立在實(shí)驗(yàn)室條件下對(duì)油紙絕緣樣品進(jìn)行加速熱老化得到的，沒(méi)有考慮現(xiàn)場(chǎng)變壓器可能出現(xiàn)的換油情況。

現(xiàn)場(chǎng)變壓器在運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)絕緣油劣化到一定程度，往往采取換油措施，用新油徹底更換老化的絕緣油。在換油過(guò)程中，溶解在絕緣油中的糠醛也隨之被清除，給使用油中糠醛評(píng)估絕緣紙老化帶來(lái)困難，故現(xiàn)場(chǎng)往往采用統(tǒng)計(jì)方法研究現(xiàn)場(chǎng)變壓器油中糠醛與變壓器老化狀態(tài)的對(duì)應(yīng)關(guān)系[18,19]。為排除現(xiàn)場(chǎng)換油的干擾，更好地將實(shí)驗(yàn)室建立的糠醛與聚合度的關(guān)系用于現(xiàn)場(chǎng)分析，N. Lelekakis等對(duì)一臺(tái)使用了47年，因故障退出運(yùn)行的變壓器進(jìn)行研究，分析了該變壓器在一次換油前后油中糠醛的差值，并以此差值作為修正值，提供了一種消除換油帶來(lái)的油中糠醛影響的方法[20]。但是，該研究?jī)H僅局限在一臺(tái)特定變壓器在特定的老化狀態(tài)進(jìn)行換油前后油中糠醛含量的變化，缺乏對(duì)普遍規(guī)律的研究，因而難以推廣。

本文在實(shí)驗(yàn)室條件下對(duì)油紙絕緣樣品進(jìn)行加速熱老化試驗(yàn)，并且在老化的不同階段對(duì)樣品進(jìn)行模擬換油，分析對(duì)比換油前后在相同的老化時(shí)間點(diǎn)油中糠醛的含量，評(píng)估換油對(duì)油中糠醛含量及絕緣紙聚合度評(píng)估的影響。在此基礎(chǔ)上，提出油中糠醛換油修正函數(shù)，并給出使用修正函數(shù)后的絕緣紙聚合度評(píng)估效果。最后，提出一種將實(shí)驗(yàn)室建立的油中糠醛換油修正函數(shù)推廣到現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行溫度的方法，為工程應(yīng)用提供理論參考。

1 試驗(yàn)步驟

現(xiàn)場(chǎng)變壓器在運(yùn)行溫度下老化十分緩慢，絕緣紙降解產(chǎn)生糠醛含量有限，并且一般情況下不允許吊芯取絕緣紙樣品進(jìn)行聚合度測(cè)試。因此建立油中糠醛與聚合度的關(guān)系通常在實(shí)驗(yàn)室模擬進(jìn)行。本試驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)室中使用老化箱進(jìn)行130℃加速熱老化試驗(yàn)。為更好地進(jìn)行說(shuō)明，現(xiàn)將現(xiàn)場(chǎng)變壓器與試驗(yàn)中油紙絕緣樣品的老化、檢測(cè)和換油進(jìn)行對(duì)比，如圖1所示。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)變壓器和實(shí)驗(yàn)室樣品運(yùn)行檢測(cè)示意圖Fig.1 Schematic diagrams of operation and test for field transformers and experimental samples

現(xiàn)場(chǎng)變壓器通常經(jīng)過(guò)若干年的運(yùn)行，在檢修時(shí)進(jìn)行各項(xiàng)理化、電氣特性檢測(cè)，如果絕緣油性能劣化到一定程度，會(huì)進(jìn)行換油。整個(gè)過(guò)程在運(yùn)行溫度下進(jìn)行，為簡(jiǎn)化問(wèn)題，圖1中以60℃為例，認(rèn)為現(xiàn)場(chǎng)變壓器的運(yùn)行、檢測(cè)和換油溫度保持60℃穩(wěn)定。

實(shí)驗(yàn)室中為縮短試驗(yàn)周期，以130℃的加速熱老化過(guò)程代替現(xiàn)場(chǎng)變壓器60℃的運(yùn)行過(guò)程，這樣就可以用幾十天的時(shí)間實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)變壓器幾十年的老化。但是，不同溫度下糠醛在絕緣油和絕緣紙之間的分布比例是不同的，因此為準(zhǔn)確獲得適于現(xiàn)場(chǎng)變壓器油中糠醛與聚合度的關(guān)系，取樣檢測(cè)必須在運(yùn)行溫度即60℃下進(jìn)行。另外，由于從130℃的熱老化溫度到60℃取樣檢測(cè)溫度，油紙間糠醛會(huì)重新擴(kuò)散達(dá)到新的平衡狀態(tài)。因此在老化和取樣間加入一段時(shí)間的60℃恒溫靜置過(guò)程，保證糠醛擴(kuò)散充分。

1.1 樣品預(yù)處理與加速熱老化

試驗(yàn)材料為克拉瑪依25號(hào)礦物油和普通纖維素絕緣紙，油紙質(zhì)量比例為10∶1。樣品預(yù)處理的步驟為：①將油和紙分別在真空箱中90℃下干燥48h；②將真空箱溫度調(diào)至60℃，將絕緣紙?jiān)诮^緣油中真空浸漬24h；③將油紙絕緣樣品放入若干500mL的磨口玻璃瓶中，每個(gè)玻璃瓶含500mL絕緣油和43g絕緣紙，為使老化試驗(yàn)盡量接近實(shí)際情況，在每個(gè)玻璃瓶中放入適量銅片；④將所有裝有油紙絕緣樣品的玻璃瓶放入真空箱中抽真空，然后注入高純氮?dú)猓詈笤诘獨(dú)猸h(huán)境中加蓋密封。

樣品預(yù)處理完成后，將所有含油紙絕緣樣品的密封玻璃瓶放入130℃老化箱中進(jìn)行加速熱老化試驗(yàn)。每隔5天，取出一部分玻璃瓶取樣檢測(cè)糠醛或進(jìn)行換油操作。

1.2 恒溫靜置與取樣檢測(cè)

老化過(guò)程中每隔5天，取出一部分玻璃瓶，轉(zhuǎn)移到60℃的恒溫箱中，靜置5天，保證糠醛在油紙間重新分布充分。恒溫靜置后，將玻璃瓶解除密封，使用5mL注射器取絕緣油樣30mL裝入棕色瓶中，以防止油中糠醛見(jiàn)光分解。使用高效液相色譜法（High Performance Liquid Chromatography, HPLC）檢測(cè)絕緣油中的糠醛含量。同時(shí)根據(jù)老化的不同階段，取一定質(zhì)量的絕緣紙，使用銅乙二胺溶液溶解，采用黏度法檢測(cè)其聚合度。建立油中糠醛與絕緣紙聚合度的關(guān)系。

1.3 換油

試驗(yàn)中選取三個(gè)不同的換油時(shí)間點(diǎn)，分別在老化第5、15和25天進(jìn)行換油。換油前將玻璃瓶放入60℃的恒溫箱中靜置5天。在換油前準(zhǔn)備新油在90℃下真空干燥2天。恒溫靜置結(jié)束后，使用干燥的新油代替玻璃瓶中的老化油。然后將玻璃瓶放入真空箱抽真空并充入氮?dú)夂竺芊?。將換油后的油紙絕緣樣品放入130℃老化箱繼續(xù)老化，每隔5天取樣檢測(cè)油中糠醛含量，觀察換油對(duì)油中糠醛含量的影響。

2 試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

2.1 換油后糠醛在新油中的擴(kuò)散

絕緣紙的老化產(chǎn)生糠醛，并向絕緣油中擴(kuò)散。對(duì)長(zhǎng)期運(yùn)行的變壓器，糠醛在絕緣油和絕緣紙間的擴(kuò)散達(dá)到平衡狀態(tài)。換油過(guò)程中，油中糠醛被清除，更換的新絕緣油中不含糠醛，因此絕緣紙中的糠醛會(huì)向油中擴(kuò)散，直到形成新的平衡狀態(tài)。使用糠醛評(píng)估絕緣紙的老化應(yīng)當(dāng)在糠醛擴(kuò)散完成、油中糠醛含量穩(wěn)定后進(jìn)行。本試驗(yàn)將換油后的新油紙系統(tǒng)置于60℃恒溫箱中，每隔一段時(shí)間取油樣測(cè)油中糠醛含量，分析糠醛在新油中的擴(kuò)散情況。測(cè)試結(jié)果如圖2所示。

圖2 換油后油中糠醛擴(kuò)散過(guò)程Fig.2 Furfural diffusion process after oil replacement

糠醛在新油中的擴(kuò)散呈現(xiàn)先快后慢的趨勢(shì)，對(duì)圖2中的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得式中，C2FAL(t)為換油后經(jīng)過(guò)擴(kuò)散時(shí)間t后油中糠醛的含量；a、b和τ 均為與擴(kuò)散過(guò)程有關(guān)的常數(shù)，擬合結(jié)果見(jiàn)表1。分析擬合結(jié)果，可以得到各參數(shù)的物理意義。

表1 糠醛擴(kuò)散過(guò)程擬合結(jié)果Tab.1 Fitting results of furfural diffusion process

令擴(kuò)散時(shí)間t=0，則

因此，a+b表示換油剛剛完成，絕緣紙中的糠醛尚未向新油中擴(kuò)散時(shí)油中糠醛的含量。理論上，剛換的新油中不含糠醛，即a+b=0，而本試驗(yàn)中為0.097。新油中的糠醛主要來(lái)源于兩方面，首先是吸附在絕緣紙表面的絕緣油很難通過(guò)換油除去，這部分老化油含有糠醛；另外，試驗(yàn)容器內(nèi)壁殘存的少量絕緣油中也含有糠醛。這兩部分殘油中的糠醛在換油后迅速溶入新油，造成新油的初始糠醛濃度不為0。

再令擴(kuò)散時(shí)間t = ∞，則

因此，a表示換油后經(jīng)過(guò)充分長(zhǎng)的時(shí)間，新油中糠醛含量達(dá)到穩(wěn)定后油中糠醛的含量，本試驗(yàn)中a=0.172 8，定義換油后糠醛的殘留率R為

式中，C0為換油前油中糠醛含量，本試驗(yàn)中為1.03mg/L，則可以算出換油后糠醛的殘留率為16.78%。此結(jié)果與N. Lelekakis等學(xué)者對(duì)一臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)變壓器換油前后油中糠醛含量變化情況的研究結(jié)果大致相符[20]。

使用糠醛評(píng)估絕緣紙的老化應(yīng)當(dāng)在油中糠醛含量穩(wěn)定后進(jìn)行。令式（1）中的C2FAL(t)為理論上糠醛穩(wěn)定值C2FAL(∞)的98 %，計(jì)算得到相應(yīng)的擴(kuò)散時(shí)間約為96h。即換油后經(jīng)過(guò)四天的擴(kuò)散，新油中的糠醛可以達(dá)到理論穩(wěn)態(tài)值的98%，可以認(rèn)為擴(kuò)散基本完成。因此，在試驗(yàn)中選擇120h作為糠醛擴(kuò)散時(shí)間，可以充分保證試驗(yàn)結(jié)果的可靠性。

2.2 油中糠醛與絕緣紙聚合度的關(guān)系

老化試驗(yàn)共進(jìn)行35天，取樣間隔為5天，老化過(guò)程中絕緣油的顏色變化如圖3所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，隨著老化的進(jìn)行，絕緣油的顏色由無(wú)色逐漸變?yōu)闇\黃、橙紅，直至棕褐色，表明絕緣油的老化程度不斷加深。

圖3 老化過(guò)程絕緣油顏色變化Fig.3 Change of oil color during thermal aging

老化過(guò)程中每隔5天測(cè)絕緣油中糠醛含量和絕緣紙的聚合度，得到油中糠醛與絕緣紙聚合度的關(guān)系，如圖4所示。顯然絕緣紙的聚合度與油中糠醛含量的對(duì)數(shù)值呈良好的線性關(guān)系，通過(guò)擬合可得到兩者的關(guān)系如式（5）所示，擬合優(yōu)度為0.841 5。

式中，DP為絕緣紙聚合度。

式（5）可以用來(lái)評(píng)估變壓器絕緣紙的老化，但前提是變壓器沒(méi)有經(jīng)過(guò)換油。經(jīng)過(guò)換油處理的變壓器，在使用油中糠醛評(píng)估絕緣紙聚合度時(shí)，應(yīng)對(duì)式（5）進(jìn)行修正，消除換油造成油中糠醛損失帶來(lái)的誤差。

圖4 絕緣紙聚合度與絕緣油中糠醛的關(guān)系Fig.4 The relationship between DP of insulation paper and furfural of insulating oil

2.3 換油對(duì)油中糠醛含量和老化評(píng)估的影響

加速熱老化試驗(yàn)共進(jìn)行35天，老化過(guò)程在3個(gè)不同換油時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行一次換油，分別為老化第5天（DP=642.48）、老化第15天（DP=434.90）和老化第25天（DP=362.89），相應(yīng)地代表在老化的前期、中期和后期換油。換油后繼續(xù)老化，測(cè)量換油前后相同的老化時(shí)間點(diǎn)油中糠醛的含量，分析換油對(duì)油中糠醛含量的影響，結(jié)果如圖5所示。

圖5 換油對(duì)油中糠醛含量的影響Fig.5 Effects of oil replacement upon furfural content in oil

根據(jù)圖5可知，換油會(huì)造成油中糠醛含量的減少，在不同的老化階段，換油對(duì)油中糠醛含量的影響不同。換油的時(shí)間點(diǎn)越早，則對(duì)油中糠醛含量的影響越小，比如在老化前期（第5天）換油，則在之后的整個(gè)老化過(guò)程中，換油樣品與不換油樣品的糠醛含量差距不大。這是因?yàn)樵诶匣捌冢^緣紙降解程度輕微，產(chǎn)生并溶于油中的糠醛較少，因而此時(shí)換油，對(duì)糠醛含量的損失也較小，從老化的全程來(lái)看影響不大。而在老化后期（第25天）換油，在之后的老化過(guò)程中，換油樣品與不換油樣品油中糠醛有明顯差異。這是因?yàn)槔匣笃冢^緣紙劣化產(chǎn)生并溶于油中的糠醛濃度已經(jīng)很大，因而此時(shí)換油會(huì)造成糠醛含量較大的損失，并且難以恢復(fù)。

換油后油中糠醛含量減少，因而會(huì)影響絕緣紙聚合度的評(píng)估結(jié)果。圖6中的曲線顯示了不考慮換油，直接使用油中糠醛含量代入式（5）得到的絕緣紙聚合度與實(shí)測(cè)聚合度的差異，可以直觀顯示換油對(duì)絕緣紙老化評(píng)估的影響。

圖6 換油對(duì)使用油中糠醛評(píng)估絕緣紙老化的影響Fig.6 Effects of oil replacement upon estimation of paper degradation based on furfural in oil

由圖6可知，當(dāng)老化全程不換油時(shí)，采用式（5）能夠較準(zhǔn)確地評(píng)估絕緣紙聚合度，而換油之后，直接用油中糠醛代入式（5）會(huì)使評(píng)估結(jié)果偏高。在不同老化階段換油，評(píng)估結(jié)果偏差的程度也不同。在老化前期換油，偏差最小，且偏差主要出現(xiàn)在剛剛換油后的時(shí)間段，隨著老化時(shí)間的加長(zhǎng)，偏差逐漸減小。在老化后期換油，造成的評(píng)估偏差最大，雖然偏差隨著老化的進(jìn)行略有減小，但仍然會(huì)使DP評(píng)估結(jié)果明顯高于實(shí)際值。

2.4 油中糠醛換油修正函數(shù)

圖5和圖6表明，油紙絕緣系統(tǒng)在換油后，不能再使用現(xiàn)有的糠醛-聚合度關(guān)系評(píng)估絕緣紙老化，否則會(huì)使DP評(píng)估結(jié)果高于實(shí)際值，不能充分顯示絕緣老化的嚴(yán)重程度。因此，需要將換油因素考慮到式（5）中，得到

式中，y(δ )為修正函數(shù)，δ 為換油后經(jīng)過(guò)的時(shí)間，其計(jì)算式為

即在換油前，修正函數(shù)的值為1，式（6）轉(zhuǎn)化為式（5）；在換油之后，修正函數(shù)表示換油前后相同的時(shí)間點(diǎn)油中糠醛含量的比值?，F(xiàn)場(chǎng)變壓器換油后，由于新油電導(dǎo)和損耗較低，絕緣溫升降低，能夠在一定程度上減緩絕緣紙老化的速度。但由于換油不能除去紙中吸附的加速老化的小分子酸，因此換油對(duì)絕緣紙老化抑制效果不明顯[21]。式（7）采用未換油時(shí)測(cè)量出的糠醛含量作為基準(zhǔn)值，進(jìn)行換油后油中糠醛含量的修正，可以滿足精度要求。

根據(jù)圖5的測(cè)試結(jié)果，在三個(gè)不同的老化時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行換油后，y(δ )具有隨時(shí)間增大而逐漸減小的趨勢(shì)，因此擬合函數(shù)為

式中，r、k和τ 為常數(shù)。

將三個(gè)不同的換油時(shí)間點(diǎn)換油后的y(δ)進(jìn)行比較，如圖7所示。y(δ )中的參數(shù)擬合結(jié)果見(jiàn)表2。

圖7 油中糠醛修正函數(shù)的取值Fig.7 Values of furfural content modification function

表2 換油后油中糠醛含量修正函數(shù)擬合結(jié)果Tab.2 Fitting results of furfural content modification function after oil replacement

根據(jù)圖7的結(jié)果，可以看出修正函數(shù)具有以下幾點(diǎn)規(guī)律。

（1）在剛剛換油后（δ = 0），三個(gè)修正函數(shù)的取值幾乎一樣。即式（8）中的r+k取值是一個(gè)與換油時(shí)間點(diǎn)無(wú)關(guān)的常數(shù)。這是因?yàn)棣?=0時(shí)，y(δ )實(shí)際上表示換油結(jié)束后油中糠醛的殘余率，如式（4）所示。糠醛殘余率只與絕緣紙表面和容器內(nèi)壁殘余的老化油量有關(guān)，因此不受到換油時(shí)間選擇的影響。

（2）換油后，油中糠醛修正函數(shù)的取值均隨時(shí)間逐漸增大。這表明，換油對(duì)油中糠醛損失的影響隨時(shí)間的推移而逐漸減弱，即換油前后油中糠醛的差異并不會(huì)始終維持不變，而會(huì)逐漸減小。另外，y(δ )的增長(zhǎng)速度與換油時(shí)間的選擇有關(guān)，換油時(shí)間點(diǎn)越早，則y(δ )的增長(zhǎng)越快，這可以通過(guò)式（8）和表2中τ 的數(shù)值體現(xiàn)。這說(shuō)明，換油越早，則換油對(duì)油中糠醛含量的影響越快消除；換油越晚，這種影響越不容易消除。

（3）換油后經(jīng)過(guò)足夠長(zhǎng)的時(shí)間，修正函數(shù)的值趨于一個(gè)小于1的常數(shù)，即式（8）中r的取值。這表明，盡管換油對(duì)油中糠醛的影響會(huì)逐漸減弱，但不會(huì)消失，換油后油中糠醛始終小于相同時(shí)間點(diǎn)不換油樣品的糠醛含量。另外，修正函數(shù)最終的穩(wěn)定值與換油時(shí)間點(diǎn)有關(guān)，換油越早，穩(wěn)定值越高；反之則越低。這也是因?yàn)閾Q油越早，則油中糠醛的損失程度越小，因此恢復(fù)程度越高。

2.5 使用油中糠醛換油修正函數(shù)評(píng)估絕緣紙老化

根據(jù)在油紙絕緣系統(tǒng)老化過(guò)程中是否進(jìn)行換油，采用相應(yīng)的方法評(píng)估絕緣紙老化。如果老化全程沒(méi)有換油，則可直接使用式（5）估算聚合度；如果老化過(guò)程中進(jìn)行了換油，則應(yīng)根據(jù)具體換油時(shí)間使用式（6）估算聚合度。圖8顯示了使用油中糠醛換油修正函數(shù)評(píng)估絕緣紙聚合度的結(jié)果。

圖8 使用油中糠醛換油修正函數(shù)評(píng)估絕緣紙聚合度的結(jié)果Fig.8 DP estimation of insulation paper based on furfural modification function

對(duì)比圖8和圖6的評(píng)估結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，使用油中糠醛換油修正函數(shù)對(duì)油中糠醛含量進(jìn)行修正后，可以顯著提高絕緣紙聚合度評(píng)估的準(zhǔn)確性，尤其改善了換油結(jié)束初期評(píng)估結(jié)果誤差較大的問(wèn)題。避免了不考慮換油因素導(dǎo)致的絕緣紙聚合度評(píng)估結(jié)果偏高，因而可及時(shí)發(fā)現(xiàn)絕緣紙的劣化問(wèn)題。

3 糠醛換油修正函數(shù)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 修正函數(shù)在變壓器運(yùn)行溫度下的推廣

本試驗(yàn)中獲得的油中糠醛換油修正函數(shù)可以有效地消除換油造成的油中糠醛損失，進(jìn)而提高使用油中糠醛評(píng)估絕緣紙聚合度的準(zhǔn)確性。但是，現(xiàn)場(chǎng)變壓器的運(yùn)行條件比實(shí)驗(yàn)室條件復(fù)雜很多，尤其是運(yùn)行溫度要遠(yuǎn)低于實(shí)驗(yàn)室130℃的加速熱老化溫度。而本試驗(yàn)中建立的換油修正函數(shù)，即換油后與換油前糠醛含量的比值隨老化時(shí)間的關(guān)系，是在130℃下建立的。因此，要推廣到現(xiàn)場(chǎng)變壓器，需要將修正函數(shù)推廣到運(yùn)行溫度。

絕緣紙?jiān)诤愣囟认碌睦匣?，符合阿倫尼烏斯方程[22]，即

式中，A為環(huán)境因素決定的常數(shù)；E為化學(xué)反應(yīng)活化能（J/mol）；R為理想氣體常數(shù)，R=8.314J·mol-1·K-1；T(τ )為溫度（℃）；t為老化時(shí)間；DPt和DP0分別為老化t時(shí)間后的絕緣紙聚合度和初始聚合度。

由于糠醛的產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于絕緣紙的降解，即聚合度的下降，因此，只需得到相同聚合度下降程度時(shí)，與實(shí)驗(yàn)室溫度下的老化時(shí)間相對(duì)應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行時(shí)間，就可以將油中糠醛換油修正函數(shù)推廣到現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行溫度。假設(shè)換油后現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行時(shí)間為θ，運(yùn)行溫度T(τ )隨負(fù)荷變化而變化，則根據(jù)式（9），現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行時(shí)間與實(shí)驗(yàn)室130℃老化t時(shí)間的絕緣老化效果相同時(shí)，可以表示為

由于現(xiàn)場(chǎng)變壓器溫度的監(jiān)測(cè)并非是連續(xù)的，而是給出一個(gè)時(shí)間段的溫度。例如，現(xiàn)場(chǎng)變壓器溫度記錄為每日溫度，則可以將式（10）中的積分簡(jiǎn)化為求和形式，得到現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行時(shí)間為θ 天對(duì)應(yīng)的130℃等效老化時(shí)間為

式中，T(i)為第i天的變壓器溫度。根據(jù)A. M. Emsley等的研究[23]，E=(111 000±6 000)J/mol。

使用式（11）的結(jié)果可得到在現(xiàn)場(chǎng)變壓器運(yùn)行溫度下，換油后經(jīng)過(guò)θ 天運(yùn)行，油中糠醛含量的修正函數(shù)為

根據(jù)式（12）可對(duì)經(jīng)過(guò)換油并運(yùn)行一段時(shí)間后的現(xiàn)場(chǎng)變壓器的油中糠醛含量進(jìn)行修正。進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)變壓器固體絕緣老化程度的準(zhǔn)確評(píng)估。

3.2 修正函數(shù)的驗(yàn)證

使用現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)驗(yàn)證本文建立的糠醛換油修正模型，需要記錄變壓器的以下數(shù)據(jù)：換油前的油中糠醛含量、換油后的運(yùn)行時(shí)間、換油后某個(gè)時(shí)間點(diǎn)的油中糠醛含量及絕緣紙聚合度以及換油后變壓器的運(yùn)行溫度。

N. Lelekakis給出了一臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)變壓器滿足以上條件[20]，現(xiàn)針對(duì)該變壓器進(jìn)行分析。該變壓器在2004年進(jìn)行換油，換油前檢測(cè)油中糠醛含量約為0.95mg/L，換油后繼續(xù)運(yùn)行6年至2010年，在2010年檢測(cè)油中糠醛含量約為1.05mg/L，運(yùn)行時(shí)的平均溫度約為60℃。2010年檢測(cè)到該變壓器絕緣紙平均聚合度約350。驗(yàn)證步驟如下。

（1）換油前檢測(cè)油中糠醛含量為0.95mg/L，代入式（5），計(jì)算得到換油時(shí)變壓器絕緣紙的聚合度為483.70。

（2）根據(jù)換油時(shí)的聚合度483.7，結(jié)合試驗(yàn)中實(shí)測(cè)聚合度與老化時(shí)間的關(guān)系，如圖8所示，可見(jiàn)對(duì)應(yīng)的130℃老化時(shí)間應(yīng)為15天左右。

（3）本文建立的換油糠醛修正模型分為老化第5、15、25天換油，根據(jù)以上分析，應(yīng)當(dāng)選擇老化15天換油的糠醛修正模型，模型參數(shù)見(jiàn)表2。

（4）該變壓器換油后的平均運(yùn)行溫度為60℃，換油后運(yùn)行6年，代入式（12），求得換油6年后油中糠醛含量的修正值為0.324 3。

（5）換油后運(yùn)行6年，油中糠醛含量為1.05mg/L，先將油中糠醛進(jìn)行修正，再評(píng)估絕緣紙聚合度，如式（6），評(píng)估出的絕緣紙聚合度為318.12。

該變壓器的實(shí)際聚合度平均值約為350，可見(jiàn)采用本文建立的油中糠醛修正模型，能夠較為準(zhǔn)確地評(píng)估該變壓器的老化情況。

值得說(shuō)明的是，現(xiàn)場(chǎng)變壓器的差異眾多，包括容量、運(yùn)行環(huán)境及使用的絕緣材料等。這些差異會(huì)對(duì)油中糠醛含量與聚合度的關(guān)系造成影響。本文建立的修正方法是基于礦物油、纖維素絕緣紙組成的油紙絕緣樣品試驗(yàn)結(jié)果提出的，油紙比例為10∶1。針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)變壓器的多樣性，可以針對(duì)目標(biāo)變壓器，制備相應(yīng)的油紙絕緣樣品，建立適于目標(biāo)變壓器的糠醛換油修正方法。

4 結(jié)論

現(xiàn)場(chǎng)變壓器經(jīng)過(guò)換油后，油中糠醛含量減少，進(jìn)而會(huì)影響以油中糠醛為基礎(chǔ)的固體絕緣老化狀態(tài)的評(píng)估。本文在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行加速熱老化試驗(yàn)，在老化不同階段進(jìn)行換油，對(duì)比換油前后油中糠醛含量，建立油中糠醛換油修正公式，以改進(jìn)絕緣紙聚合度評(píng)估的準(zhǔn)確性，并給出了推廣到現(xiàn)場(chǎng)變壓器的方法，得到的結(jié)論主要有以下幾點(diǎn)：

1）換油后，絕緣紙中的糠醛會(huì)向新絕緣油中擴(kuò)散直到平衡。換油后檢測(cè)油中糠醛含量應(yīng)當(dāng)在糠醛擴(kuò)散平衡后進(jìn)行。

2）忽略換油的影響，直接使用糠醛與聚合度的關(guān)系評(píng)估絕緣紙的老化狀態(tài)會(huì)使評(píng)估結(jié)果偏高。換油前后油中糠醛的差值并不是恒定的，而是隨著時(shí)間的增加逐漸減小，因此不考慮換油因素，直接使用油中糠醛評(píng)估老化帶來(lái)的誤差在換油結(jié)束初期最大。換油時(shí)間的選擇對(duì)誤差影響較大，換油越早，換油造成的評(píng)估誤差越??；換油越晚，則誤差越大。

3）使用油中糠醛換油修正函數(shù)可以有效地消除換油對(duì)絕緣紙老化評(píng)估的影響。修正函數(shù)的初始值與換油時(shí)間無(wú)關(guān)，與換油后油紙絕緣系統(tǒng)的殘油率有關(guān)；修正函數(shù)的取值隨時(shí)間增加，并最終穩(wěn)定在一個(gè)小于1的常數(shù)。換油時(shí)間越早，則修正函數(shù)的取值越快穩(wěn)定，穩(wěn)定值越高，說(shuō)明換油造成的影響越小。

4）根據(jù)阿侖尼烏斯方程得到了變壓器在運(yùn)行溫度和130℃具有相同老化效果時(shí)的等效時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了油中糠醛修正方程在變壓器運(yùn)行溫度下的推廣形式。

本文提出油中糠醛換油修正方法是基于實(shí)驗(yàn)室加速熱老化數(shù)據(jù)得到的，仍然具有一定的局限性，后續(xù)工作可從以下幾方面開(kāi)展：

1）絕緣紙為A級(jí)耐熱，溫度高于105℃時(shí)的老化速度比溫度低于105℃時(shí)更快。因此采用更低的老化溫度（如90℃）進(jìn)行人工加速老化試驗(yàn)，得到的結(jié)果更符合變壓器實(shí)際工作條件下絕緣紙的老化。90℃熱老化需要的試驗(yàn)周期很長(zhǎng)，在老化過(guò)程中需要特別注意保持樣品的密封性。防止氧氣進(jìn)入樣品造成糠醛氧化分解。

2）本文建立的油中糠醛換油修正方法是通過(guò)實(shí)驗(yàn)室的一次加速熱老化試驗(yàn)得到的，并未進(jìn)行多次重復(fù)試驗(yàn)。后續(xù)工作可以補(bǔ)充進(jìn)行多次試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果的重復(fù)性，以提高模型的可靠性。

3）本文只提供了一臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)變壓器數(shù)據(jù)驗(yàn)證油中糠醛換油修正方法，后續(xù)工作需要更多地收集滿足條件的現(xiàn)場(chǎng)變壓器數(shù)據(jù)，在更大范圍驗(yàn)證本文建立的糠醛修正模型的實(shí)用性。

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（編輯 張洪霞）

Effects and Corrections of Oil Replacement upon Furfural Content in Insulating Oil and Aging Assessment of Insulation Paper of Power Transformers

Lin Yuandi1Liao Ruijin1Zhang Yiyi1,2Liu Haibin1
（1. State Key Laboratory of Power Transmission Equipment & System Security and New Technology Chongqing University Chongqing 400044 China 2. Guangxi Key Laboratory of Power System Optimization and Energy Technology Guangxi University Nanning 530004 China）

In order to investigate the changing of furfural content in insulating oil after oil replacement and its effects on insulation paper aging assessment, accelerated thermal aging test of oil-paper insulation samples was conducted at 130℃ in the laboratory. The aged insulating oil was replaced at the early, middle and late aging stages respectively, and the furfural content in oil was compared. The results showed that the furfural content greatly declined after oil replacement. The difference of furfural content in oil before and after oil replacement decreased with aging. If oil replacement was neglected, the aging assessment of paper will cause over-estimation, especially at the early stage after oil replacement. Furfural modification function was defined as the ratio of furfural in oil at the same time point before and after oil replacement. The changing rules of furfural modification function were studied and used to correct the furfural content. It was shown that the modificationfunction could effectively improve the aging assessment results. The furfural modification function was generalized to operation temperature, which can correct the furfural content of in-service transformers.

Transformer, oil-paper insulation, aging assessment, furfural analysis, oil replacement

TM855

林元棣 男，1988年生，博士，研究方向?yàn)樽儔浩鳡顟B(tài)評(píng)估與壽命預(yù)測(cè)。

E-mail： linyuandiintor@163.com（通信作者）

廖瑞金 男，1963年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡姎庠O(shè)備絕緣在線監(jiān)測(cè)與故障診斷研究和高電壓測(cè)試技術(shù)。

E-mail： rjliao@cqu.edu.cn

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.151796

國(guó)家創(chuàng)新研究群體基金（51321063）和國(guó)家自然科學(xué)基金（51277187）資助項(xiàng)目。

2015-10-30 改稿日期2016-04-08