绝缘油中DBDS对变压器绕组的腐蚀作用及绝缘性能影响研究

摘要

油纸复合绝缘是油浸式电力变压器内绝缘的主要组成形式，其性能的好坏决定了设备的安全及运行可靠性，由油纸内绝缘性能劣化导致的失效是引发变压器设备故障的重要原因。近年来，国内外陆续出现因绝缘油中腐蚀性硫化物引发的变压器油纸绝缘性能下降并导致绕组烧毁的事故。绝缘油中的腐蚀性硫与铜导线发生化学反应，在其表面形成导电性硫化亚铜，逐渐渗透和污染绝缘纸，减弱绕组绝缘强度并最终导致匝间绝缘击穿。随着对该现象认识的深入，此类问题设备的暴露也呈增长趋势，油纸绝缘的硫腐蚀问题引起了越来越多工程及技术人员的关注。
　　炼制变压器油所用的石油中含有大量的具有腐蚀性的活性硫，但大部分在精炼过程中会被去除，仅保留少部分非活性硫。其中，二苄基二硫（DBDS）是一种非活性硫化物，可提高油品的氧化安定性，是一种天然的抗氧化剂，普遍存在于多种品牌的绝缘油中。但研究证明，DBDS正是导致绝缘油呈现腐蚀性的主要硫化物质。近年来，国内外学者关于DBDS对铜绕组的腐蚀机制及影响因素开展了大量研究工作，电力部门制订了相关的新油检测国际、国内标准，以在绝缘油投运前对其腐蚀性进行评判。然而，由于油硫腐蚀过程较为复杂，影响因素众多，导致检测标准的准确性还受到诸多因素的影响，常出现不同检测标准结果不一致，通过标准检测的新绝缘油在运行过程中仍然导致腐蚀发生的问题；另外，受到油硫腐蚀污染的绕组绝缘，其发生故障的原因和过程尚不明确。因此，本文重点针对绝缘油腐蚀性检测的标准，围绕影响标准检测有效性的几个因素展开研究，并通过不同污染程度绕组的电气特性变化，对其失效机制进行了探索。
　　现有研究仅关注了DBDS作为腐蚀性物质对绝缘油的影响，忽略了其作为一种天然抗氧化剂，对绝缘油性能的改善。因此，本文首先针对DBDS的腐蚀与抗氧化作用，研究了 DBDS浓度对绝缘油腐蚀性与抗氧化性的影响，探索了DBDS的腐蚀与抗氧化作用对油纸绝缘特性的综合影响规律。其次，目前几种绝缘油腐蚀性测试标准在试品上是否包覆绝缘纸存在差异，并且这些标准均是在单一热作用下开展的，并没有将电场因素考虑进去。因此，针对以上两个影响标准检测有效性的因素，分别重点探索了绝缘纸与电场在DBDS腐蚀绕组过程中的作用机制。最后，研究了硫腐蚀产物对绕组油纸绝缘的击穿特性影响，深入分析了硫腐蚀作用下绕组的击穿特性的变化规律，并初步探讨了硫腐蚀引发绝缘失效的故障机制。
　　论文取得的主要创新性成果如下：
　　①提出了绝缘油中DBDS自身具有的腐蚀与抗氧化作用是影响绝缘油性能变化的主要原因。在本文实验条件下，当油中DBDS含量低于25mg/kg时，其抗氧化作用占据主导，绝缘油的抗氧化性得到提升；之后，随着 DBDS含量的增加，其腐蚀作用逐渐超过了抗氧化作用，绝缘油的腐蚀性加剧。
　　②提出了绕组的铜-纸界面间酸与铜离子的局部聚集是导致DBDS加速绕组硫腐蚀的重要原因。金属表面状态与硫腐蚀的发生有着密切关系，未包覆绝缘纸的铜导体即使在绝缘油中DBDS浓度非常高的条件下，仍然不会发生硫腐蚀现象。因此，针对现有的绝缘油腐蚀性检测标准，为了提高其检测的准确性与有效性，建议统一采用包覆绝缘纸的铜绕组来开展油的腐蚀性检测。
　　③提出了交/直流电场作用下的电解池效应加速绕组的硫腐蚀进程。在电场作用下，铜绕组表面会形成大量的微小电解池，产生的电解池效应能够加速金属铜表面产生更多的铜离子，不仅能够加速硫腐蚀，也会导致油品下降。因此，考虑到电场作用对DBDS腐蚀绕组有着重要的影响，针对现有的绝缘油腐蚀性检测标准，建议将电场因素纳入硫腐蚀实验条件中。
　　④提出硫腐蚀污染虽然对绕组的短期耐压强度影响并不大，但却明显降低其长期电寿命。硫腐蚀产物主要附着在绕组的最内层绝缘纸上，而其余层纸的腐蚀程度较轻，因此将多层绝缘纸作为一个绝缘层整体，其绝缘性能不会出现明显下降，绕组不容易直接发生击穿，但由于最内层纸的腐蚀最为严重，导致其绝缘性能明显下降，电导损耗发热增大，传热能力下降，容易形成局部过热，进一步加速硫腐蚀，导致击穿发生的概率增大。

目录

1 绪 论

1.1 课题的研究背景

1.2 国内外研究现状

1.3 目前研究中存在的不足

1.4 本文主要研究内容

2 DBDS的腐蚀与抗氧化作用对油纸绝缘特性影响研究

2.1 引言

2.2 DBDS浓度对绝缘油腐蚀性与抗氧化性的影响实验

2.3 DBDS浓度对绝缘油腐蚀性的影响分析

2.4 DBDS浓度对绝缘油抗氧化性的影响分析

2.5 DBDS的腐蚀与抗氧化作用对油纸绝缘特性的综合影响

2.6 本章小结

3 绝缘纸包覆对绕组硫腐蚀生成的影响研究

3.1 引言

3.2绕组的硫腐蚀实验

3.3 绝缘纸对绕组硫腐蚀生成的影响规律

3.4 酸对绕组硫腐蚀生成的影响规律

3.5 绝缘纸及酸类产物加速绕组的硫腐蚀机制

3.6 本章小结

4 交/直流电场对绕组硫腐蚀生成的影响研究

4.1 引言

4.2 电场作用下绕组的硫腐蚀实验

4.3 交直流电场作用下DBDS对绕组的硫腐蚀

4.4 交/直流电场作用下油特性参量的变化规律

4.5 交/直流电场加速绕组的硫腐蚀机制

4.6 本章小结

5 硫腐蚀对绕组油纸绝缘的击穿特性影响研究

5.1 引言

5.2 硫腐蚀对绕组绝缘的击穿特性影响实验

5.3 硫腐蚀对绕组绝缘的击穿特性影响

5.4 硫腐蚀对绕组绝缘的电寿命影响

5.5 硫腐蚀对绕组电寿命影响的原因分析

5.6 本章小结

6 结论与展望

6.1 论文总结

6.2 后续研究工作展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读博士学位期间发表的论文目录

B. 作者在攻读博士学位期间参加的科研项目目录

C. 作者在攻读博士学位期间申请的专利