1、本科毕业论文（20 届）水分对油纸绝缘电气性能影响的研究所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 哈尔滨理工大学学士学位论文- I -水分对油纸绝缘电气性能影响的研究摘要变压器是电力系统中的核心设备，在电力系统中处于极其重要的地位，保障大型电力变压器运行的可靠性对整个电网的安全可靠运行具有重要意义。然而在电力系统运行过程中，由于变压器进水，使变压器的绝缘损坏而导致变压器故障，甚至起火爆炸的事故时有发生，因此水分对变压器绝缘的影响显得尤为重要。本文首先介绍了变压器内水分的来源以及预防措施。其次，说明了油纸绝缘中水分的分布情况，列出了油纸间水分平衡关
2、系曲线，并且结合曲线给出两种油纸绝缘中含水量的计算方法，即稳态算法和暂态算法。而后，阐述了水分对油纸绝缘老化的影响，分别介绍了矿物油（变压器油） 、绝缘纸的老化机理，以及四种重要的老化形式和他们各自的影响因素，接着说明了水分在油纸绝缘老化过程的中起的作用。最后总结了水分对油纸绝缘电气性能的四个重要参数的影响，包括相对介电常数、电阻率、介质损耗和击穿场强。通过本论文的总结，使水分对油纸绝缘电气性能的影响变得更加的清晰，让读者能快速的了解到本领域的研究现状及发展趋势。关键词 变压器，水分，油纸绝缘，水分平衡哈尔滨理工大学学士学位论文- II -The research of moisture on
3、 the electrical performance of Oil-paper insulationAbstractTransformer is the core equipment of the power system and plays an important role in the grid, which guarantees the grid reliable and safe .However, in the operation process of the power system, water gets into the transformer, which makes t
4、ransformer insulation damage and causes transformer faults, even explosion accidents occurred frequently. Therefore, the influence of moisture on the transformer insulation is particularly important.Firstly, the moisture source and prevention measures in transformer are introduced in this paper. Sec
5、ondly, the water 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 moisture curve. Thirdly, the influence of moisture on the Oil-paper insul
6、ation aging is stated. The aging mechanism of mineral oil (transformer oil) and insulation paper are described. Its four important aging forms and their influencing factors are introduced. The role of the moisture in the aging course also is described, too. Finally, the influence of moisture on the
7、four important electrical parameters of Oil-paper insulation is explained, including the permittivity, the resistivity, dielectric loss and breakdown strength.This paper makes the influence of moisture on Oil-paper insulation electrical clearly, and readers are able to know the present research situ
8、ation in this field and development trend more quickly.Keywords Power transformer， Moisture，Oil-Paper insulation，Moisture-equilibrium哈尔滨理工大学学士学位论文- III -目录摘要 .IAbstract.II第 1 章 绪论 .11.1 课题背景 .11.2 变压器的常见故障类型及产生原因 .21.2.1 变压器的常见故障类型 .21.2.2 变压器故障产生的原因 .21.3 变压器内的水分来源及预防措施 .41.3.1 变压器进水的原因和主要途径 .41.3.
9、2 变压器进水的预防措施 .71.4 本文的研究内容 .8第 2 章 油纸间的水分平衡 .92.1 油纸绝缘中水分的分布 .92.2 变压器油纸间水分平衡关系曲线 .92.3 油纸间水分含量的计算方法 .152.3.1 稳态水分平衡方程 .152.3.2 基于油纸间微水扩散暂态分布模型的算法 .172.4 本章小结 .20第 3 章 水分对油纸绝缘老化的影响 .223.1 油纸绝缘的老化机理 .223.2 油纸绝缘的老化形式及影响因素 .233.2.1 热老化 .243.2.2 电老化 .253.2.3 机械老化 .263.2.4 环境老化 .263.3 水分在油纸绝缘老化中的作用 .273.
10、4 本章小结 .28第 4 章 水分对油纸绝缘电气性能参数的影响 .294.1 水分对油纸绝缘介电性能的影响 .294.2 水分对油纸绝缘电阻率的影响 .294.3 水分对绝缘油介质损耗的影响 .314.4 水分对油纸绝缘击穿场强的影响 .32哈尔滨理工大学学士学位论文- IV -4.4.1 水分对绝缘纸击穿场强的影响 .324.4.2 水分对绝缘油击穿场强的影响 .334.5 本章小结 .34结论 .35致谢 .36参考文献 .37附录 .41哈尔滨理工大学学士学位论文- 1 -第 1 章 绪论1.1 课题背景电力变压器作为变、配电中能量转换和传输的核心，是输变电设备中最为重要、关键、昂贵的
11、设备，其运行的可靠性直接关系到电网的经济运行和安全稳定。电力变压器是发电厂和变电所的主要设备之一。变压器的作用是多方面的不仅能升高电压把电能送到用电地区，还能把电压降低为各级使用电压，以满足用电的需要。总之，升压与降压都必须由变压器来完成。变压器是电力系统中的核心设备，在电力系统中处于极其重要的地位，一旦发生故障，将有可能造成大面积的停电事故，给电力系统和国民经济造成不可估量的损失。单以变压器本身造价而言，进口的250MVA/500kV 变压器平均售价为 133 万美元/台，国产同规格的变压器也要 1000 万元/台左右 1。据不完全统计，2004 年度国家电网公司系统的 110kV 及以上电
12、压等级变压器共发生损坏事故 53 台次、事故容量为 4221.5MVA；与 2003 年度国家电网公司所属变压器损坏事故（32 台次，1651.0MVA）相比，2004 年度比 2003 年度变压器年台次事故率提高 0.14 个百分点，年容量事故率提高 0.26 个百分点，2008 年度国家电网公司系统变压器共发生非计划停运 259 次，比 2007 年增加7 次，非计划停运时间超过 500 小时的次数比 2007 年增加 19 次 2,变压器损坏事故台次和容量明显增加 3。大量资料表明导致电力设备失效的主要原因是其绝缘性能的劣化。1984-1986 年间 110kV 及以上等级电力变压器事故
13、统计分析表明，由于绝缘劣化引起事故台次占事故总台次的 68%和总事故容量的 74%4，1990 年则分别为 76%和 65%5。而据 2004 年的统计表明：2004 年度变压器损坏事故仍以绝缘事故为主，占总损坏事故台次的 81.1%和总事故容量的 86.9%3。2008 年度变压器损坏事故仍以绝缘事故为主，占总损坏事故台次 42%2。以一台三相 500kV、360MVA 的大型变压器为例，若发生绝缘故障，其维修费用在数百万元，停电一天的直接损失可达 70 万元，若考虑间接损失及社会损失，其造成的后果将更为严重 6。所以，保证大型电力变压器的安全运行在电力系统中占有极其重要的地位。电力变压器在
14、长期运行中，故障和事故是不可能完全避免的，引发变压器事故和故障的原因很复杂，如外部的破坏和影响，不可抗拒的自然灾害等。安装、检修、维护中存在的问题和制造过程中留下的哈尔滨理工大学学士学位论文- 2 -设备缺陷等事故隐患，特别是电力变压器长期运行后造成的绝缘老化和材质劣化等等，已成为故障发生的主要因素。电力变压器是电力系统中十分重要的组成部分，不仅直接关系到由其直接供电的广大用户，也关系到整个电网的安全稳定运行。因此，对电力变压器的故障进行分析具有十分重要的意义。1.2 变压器的常见故障类型及产生原因1.2.1 变压器的常见故障类型电力变压器的常见故障按变压器本体可分为内部故障和外部故障；按故障
15、发生的部位可分为铁芯故障、分接开关故障、绕组故障、绝缘故障；按发生故障的性质可分为热性故障和电性故障；按故障发生的回路可分为：电路故障、磁路故障和油路故障；按变压器的结构可分为绕组故障、铁芯故障、油质故障和附件故障等 7。表 1-1 变压器故障类型变压器本体 内部故障 外部故障故障发生部位 铁芯故障 分接开关故障 绕组故障 绝缘故障发生故障的性质 热性故障 电性故障故障发生的回路 电路故障 磁路故障 油路故障 故障类型 变压器结构 绕组故障 铁芯故障 油质故障 附件故障1.2.2 变压器故障产生的原因(一)绕组和引线故障绕组故障主要是指发生在变压器线圈、纵绝缘和端子中的故障。绕组故障主要由以下
16、原因引起：(1)变压器线圈的接头因焊接过程中质量控制不严导致质量欠佳，线圈引出线和套管导电杆连接不好会致使变压器在运行中接头过热从而导致局部绝缘劣化，严重者会由于接头断开而造成绕组断路。(2)变压器线圈的绝缘中渗入水分或器身干燥处理不够彻底，也会导致运行中的变压器发生匝间短路。(3)雷电冲击、对地弧光放电等瞬变过程都可能会造成变压器绕组薄弱处（如高压绕组的起始几匝、绝缘导线的末端等处）发生绝缘损坏乃至击穿。(4)运行中的变压器遭受严重的外部短路时，在电动力和机械力的作用下，变压器绕组的尺寸或形状将发生不可逆的变化。常表现为绕组轴向和径向尺寸的变化、器身位移、绕组扭曲、鼓包和匝间短路等。绕组变形
17、是目前影响电力变压器稳定运行的一大隐患。哈尔滨理工大学学士学位论文- 3 -(5)严重的持续过载可在整台变压器中引起高温，造成线圈绝缘变脆、脱落，引起绕组匝间短路，绝缘油因高温劣化，产生的油泥将沉积在油箱底部、线圈及铁心构件上，变压器会因此散热不良，并使得过热更趋严重，最终导致变压器损坏。引线故障主要表现为：引线短路、引线断路、引线接触不良。引线是变压器内部绕组出线与外部接线的中间环节，其接头是通过焊接而成。因此，焊接质量的好坏直接影响到引线故障的产生与否。若发生引线短路，应立即使变压器停止运行，如不及时处理会导致相间短路扩大发展成为灾难性故障，属致命性故障。引线对地短路、接触不良将会产生局部
18、高温烧断引线而使变压器停运，属于临界性故障 7。(二)高压出线套管故障套管是电力变压器内绕组与油箱外联结引线的重要保护装置，也是电力变压器与外部电网或设备连接的桥梁。其长期遭受电场、风雨、污染等影响，易使瓷釉龟裂绝缘油老化，是变压器故障多发部位。在运行中，以下因素易导致套管故障：(1)安装不当引起套管损坏；(2)套管因漏油致使套管缺油而过热；(3)套管瓷套的表面沉积有灰尘、油污和盐雾等，常常会引起套管的污闪；(4)套管与绕组引线联接固定销脱落造成悬浮放电；(5)套管密封不良导致进水受潮。(三)分接开关故障分接开关故障主要表现为：分接开关触头接触不良、触头间短路或对地放电、分接开关引线松动等。在
19、电力变压器故障中，该类故障所占比例较大，故障原因有很多，如制造质量存在问题；在安装、运行操作及维护过程中存在不当行为造成弹簧压力不足、接触不可靠、引线紧固不良、开关触头氧化、分接开关不到位等现象。(四)磁路部分故障磁路故障就是指发生在变压器的铁芯、铁轭及其夹件中的故障。变压器铁芯和绕组是传递、交换电磁能量的主要部件，要使变压器可靠运行，除绕组质量合格外，铁芯质量好坏是决定其正常运行的关键。磁路故障产生的原因主要有：(1)运行中的电力变压器铁芯形成多点接地，轻则发生局部过热，重则导致变压器跳闸甚至造成变压器直接损坏。(2)铁芯叠片之间的绝缘或与铁轭夹件之间的绝缘产生损坏会产生很大的循环涡流，并由
20、此产生大量的热量，从而危及铁芯和线圈的绝缘，变压器的铁损也会随之增加。(3)在变压器铁芯制作过程中，铁芯或铁轭叠片的边缘形成较大的毛刺或铁芯叠片间夹杂金属物质甚至铁芯叠片产生微小的弯折，都有可能导致变压器在运行过程中产生铁芯叠片间的局部短路，并由此产哈尔滨理工大学学士学位论文- 4 -生涡流使铁芯局部过热。(五)绝缘故障和密封不良变压器油和绝缘纸、纸板以及绝缘件构成了变压器油纸绝缘系统，绝缘故障主要表现形式及其产生原因如下：(1)绝缘件在制造过程中，其表面或内部被导电质污染，运行中会发生绝缘件表面放电或内部发生局部放电，致使绝缘失效造成故障。(2)变压器油受到污染后，绝缘强度下降进而导致变压器
21、整体绝缘性能下降是目前变压器运行中的常见故障。(3)变压器油道设计不佳和油流速度过高会导致运行中的变压器油流带电严重，甚至发生油流放电的故障，对电力变压器的安全运行造成极大危害。(4)有些变压器采用薄绝缘、小油道的设计制造，这些变压器往往在投运后不久就发生故障。(5)由于变压器油箱上的局部密封失效或其他因素，结果使水分进入变压器内部，大大降低了变压器局部的绝缘强度，会引起线圈或引线对油箱或对铁芯构件击穿，线圈匝间绝缘遭受的危险性最大。变压器密封不良主要是由于连接处理不好，如焊接质量控制不好、大罩变形、砂眼以及密封圈失效导致了密封故障，会出现漏油、漏气等严重后果。一旦产生故障，影响范围会很大 8
22、。综上所述，我们可以看出变压器的大部分故障都是由绝缘被破坏引起的，而水分问题是导致变压器内油纸绝缘被破坏的主要因素之一。1.3 变压器内的水分来源及预防措施1.3.1 变压器进水的原因和主要途径大型变压器进水的三要素：理想状态的大型变压器是一个全密封的整体，它与外部完全隔离，外部的水不能进入变压器的内部，然而现实中的变压器与理想中的变压器往往存在一定的差距，存在一些问题和缺陷，从而使变压器进水成为可能，外界的水要进入变压器的内部，必须要满足三个条件 9：(1)变压器外部压力大于内部压力的区域。(2)变压器外部和内部之间存在进水通道。(3)通道之外变压器外部有水源（雨水、冷却水等） 。以上三要素
23、缺一不可，只要在变压器某个区域同时满足变压器进水三要素，该区域肯定存在变压器进水现象，因此我们可以利用变压器进水三要素并结合大型变压器结构特点及运行状况对大型变压器进哈尔滨理工大学学士学位论文- 5 -水情况进行分析并提出防止进水的措施：(一)外部侵入的水分(1)从变压器的油枕和高压套管进水：正常运行的大型变压器绝大部分区域内部压力一般情况下都大于外部压力 10。因此绝大部分区域不会进水，根据变压器的结构特点满足进水三要素第一项的部位只有油枕、高压套管顶部，这两个部位具备进水的可能性。(a)从油枕进水由于油枕位于大型变压器顶部，因此油面压力与外界相等，虽然吸湿器能使进入油枕的空气水减少，但仍有
24、一部分水会进入油枕，进入油枕的空气中的水随着温度的降低变成液态水，并越积越多，隔膜式油枕的顶部观察孔密封不良时也会造成油枕进水，故油枕内有水存在，正常情况下油枕油面由隔膜或胶囊隔开不与外界接触，不存在进水通道。但在下列情况将出现变压器进水:当隔膜式油枕的隔膜破损时，隔膜上的水将进入变压器油中。这些水会聚集在集污盒中，当集污盒内水过多时，水会流入集气盒;当集气盒水过多时，水将经瓦斯继电器流入变压器本体内部，并有可能流到铁心和绕组上，引发变压器事故。当胶囊式油枕的胶囊出现破损时，胶囊内水将进人变压器油中，这些水将流人变压器本体内部。同样也可能引发变压器事故。另外当胶囊式油枕的侧面盖板顶部密封不良时
25、雨水会直接进入油枕内的变压器油中，并流到变压器本体内部，引发变压器事故.(b)从高压套管顶部进水由于高压套管顶部位置高于油枕油面，带丝扣套的管接线板与带螺纹的高压引线头通过拧紧连接，同时套管接线板还与外部导线接头连接。由于接头多，出现接触不良和过热的可能性就大，特别是套管接线板与高压引线接头之间因螺纹丝扣公差太大易产生接触不良而产生过热，致使套管顶部密封因过热老化失效。另外套管接线板受到外部导线的作用力，在该作用力的作用下很容易使顶部密封受力不均匀、密封破坏，因此在高压套管顶部易产生进水通道。下雨时雨水就会沿导线流到高压套管顶部，并经密封沿主变高压引线流到引线支架和高压绕组上，使高压绕组绝缘性能降低造成事故。(2)由于吸湿器堵塞、主变本体至油枕之间的阀门关闭产生负压进水正常情况下油枕内的空气通过吸湿器与外界相通，油枕内的空气压力与外界压力相等。在吸湿器堵塞时油枕内的空气与外界隔绝，空气不能随油位的高低变化与外界进行交换。油位升高时，油枕内的空
