山茶籽绝缘油中溶解气体分析与判断方法研究

摘要

植物绝缘油作为一种燃点高、绝缘性能良好且环保无污染的新型液体绝缘电介质材料，目前在油浸变压器中得到越来越广泛的应用。变压器在运行过程中会伴随着老化、过热性故障和放电性故障，造成绝缘油和绝缘纸的分解，产生油中溶解气体，气体在油中经过扩散，最终达到平衡状态。油中溶解气体分析（Dissolved Gas-in-oil Analysis,DGA）方法可以通过油中溶解气体含量和比例有效地判断变压器潜在故障，指导变压器故障诊断和状态评估。但对于植物绝缘油变压器来说，一方面缺乏运行和故障下的油中溶解气体数据，另一方面实验室获得的油中溶解气体数据缺乏规律性研究，此外对于特征气体在植物绝缘油中的扩散过程鲜有研究，因此尚未提出基于DGA的有效的植物绝缘油变压器故障诊断方法。本文针对以上问题，以山茶籽绝缘油为研究对象，深入研究了山茶籽绝缘油在老化和故障下的溶解气体特性，分析了特征气体产生规律和机理，提出了特征气体在山茶籽绝缘油中的扩散模型，并基于DGA建立了适用于山茶籽绝缘油变压器的故障诊断方法。论文的主要内容有：
　　①开展了模拟山茶籽绝缘油变压器热老化、热故障和电故障的试验研究，获得了其主要特征气体产物，研究了特征气体含量随热老化时间、热故障温度及放电能量变化的规律。试验结果表明：除 CO和 CO2外，山茶籽绝缘油在热老化与热故障时主要特征气体是H2和C2H6，老化过程中C2H6百分含量随热老化时间增加呈增加趋势，H2百分含量呈减小趋势，热故障时CH4、C2H4和C2H6百分含量随热故障温度增加呈增加趋势，H2百分含量呈减小趋势；在局部放电时主要特征气体产物是H2、CH4，在击穿放电时主要特征气体产物是C2H2，在电弧放电时主要特征气体是C2H2、C2H4；热老化时间的增长、热故障温度的升高和放电能量的增加都会促进山茶籽绝缘油的分解。
　　②研究了山茶籽绝缘油和绝缘纸在热应力和电应力下的分解过程，揭示了其气体产生机理。采用ReaxFF(Reactive Force-Field)反应力场对山茶籽绝缘油和绝缘纸反应过程进行了分子动力学模拟，研究了温度和电场强度大小对其分解过程和产物分布的影响，分析了其气体生成路径。结果表明：在热应力下，温度升高和受热时间增长均会促进山茶籽绝缘油和绝缘纸分解过程；在电应力下，电应力的施加促进山茶籽绝缘油和绝缘纸的分解，其大小会影响山茶籽绝缘油和绝缘纸的反应路径；模拟结果从微观上解释了山茶籽绝缘油老化和故障下的气体生成规律。
　　③研究了特征气体在山茶籽绝缘油中的扩散特性，提出了气体在山茶籽绝缘油中扩散的数学模型。采用PCFF(Polymer Consistent Force Field)力场，对特征气体在山茶籽绝缘油中的扩散过程进行了分子动力学模拟，研究了气体分子种类和温度对于分子扩散系数的影响，根据获得的扩散系数，建立了考虑油流速的特征气体在山茶籽绝缘油中扩散的数学模型，将该扩散模型计算结果与试验结果对比，结果表明该模型能够反映特征气体在山茶籽绝缘油中的扩散过程。
　　④基于山茶籽绝缘油中溶解气体特性和变化规律，提取有效特征量，提出了适用于山茶籽绝缘油变压器故障的特征气体诊断法、图示诊断法与无编码比值诊断法。结果表明：特征气体诊断法可以定性对山茶籽绝缘油变压器故障做出粗略判断；图示诊断法与无编码比值诊断法可以有效的判断山茶籽绝缘油变压器故障类型，综合对比各种诊断方法性能，发现H2,C2H4,C2H2&H2,CH4,C2H6三角形综合诊断法及无编码比值法是诊断山茶籽绝缘油变压器故障的较好方法。
　　上述研究工作是针对植物绝缘油变压器故障诊断的积极探索，为植物绝缘油变压器的状态评估和运行维护提供了理论支撑和决策方法，对于保证植物绝缘油变压器安全运行具有十分重要的理论参考价值和工程指导意义。

目录

1 绪 论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 课题相关研究现状

1.3 目前研究存在的主要问题

1.4 本文研究内容

2 山茶籽绝缘油中溶解气体特性

2.1 引言

2.2 油中溶解气体测量方法

2.3 热老化时山茶籽绝缘油中溶解气体分析

2.4 热故障下山茶籽绝缘油中溶解气体分析

2.5 电故障下山茶籽绝缘油中溶解气体分析

2.6 本章小结

3 山茶籽绝缘油纸分解与产气的分子动力学模拟

3.1 引言

3.2 ReaxFF反应力场计算原理

3.3山茶籽绝缘油反应分子动力学模拟

3.4绝缘纸反应分子动力学模拟

3.5 模拟与试验结果综合分析

3.6 本章小结

4 山茶籽绝缘油中溶解气体扩散模型

4.1 引言

4.2 气体分子在山茶籽绝缘油中扩散特性和扩散系数

4.3 气体扩散模型

4.4 本章小结

5 基于DGA的山茶籽绝缘油变压器故障诊断方法

5.1 引言

5.2 特征气体诊断法

5.3 图示诊断法

5.4 无编码比值诊断法

5.5 故障诊断方法比较评价

5.6 本章小结

6 结 论

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的主要论文目录：

B. 作者在攻读博士学位期间申请的专利

C. 作者在攻读学位期间负责或参研的主要科研项目：