NB T 10201-2019 矿物绝缘油中纸热降解产生的二氧化碳和2-糠醛的解释导则.pdf
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1、ICS 29.040.10 K15 NB 中 华 人 民 共 和 国 能源 行 业 标 准 NB/T 10201 2019 矿物绝缘油中纸热降解产生的二氧化碳和 2-糠醛的解释导则 Guidance on the interpretation of carbon dioxide and2-furfuraldehyde as markers of paper thermal degradation in insulating mineral oil ( IEC TR 62874: 2015, IDT) XXXX-发布 2019-06-04发布 2019-10-01实施 国家能源局 发布 NB/T
2、 10201 2019 I 前 言 本标准按照 GB/T 1.1 2009给出的规则编写。 本标准 使用翻译法 等同 采用 IEC TR 62874: 2015 矿物绝缘油中纸热降解产生的二氧化碳和 2-糠醛 的解释导则 。 与本标准中规范性引用的国际文件有一致性对应关系的我国文件如下: GB/T 1094.7-2008 电力变压器 第 7 部分:油浸式电力变压器负载导则( IEC 60076-7:2005, MOD); NB/T 42140-2017 绝缘液体 油浸纸和油浸纸板用卡尔 费休自动电量滴定法测定水份( IEC 60814: 2014, MOD)。 本标准 与 IEC TR 628
3、74: 2015的编缉性差异如下: 删除了 其 前言 和引言; 根据正文引用的需要,将参考文献中的部分标准列入到规范性引用文件 中 ,将已等同采标转化 为我国的标准代替原来的 IEC标准 。 本标准的 附件 A提供了参考资料。 本标准由中国电器工业协会提出。 本标准由全国绝缘材料标准化技术委员会( SAC/TC51)归口。 本标准起草单位: 广东电网有限责任公司电力科学研究院、 桂林电器科学研究院有限公司 、中国电 力科学研究院 有限公司 、中国石油兰州润滑油研究开发中心、 嘉吉投资(中国)有限公司 。 本标准主要起草人: 付强、 罗传勇、 于龙英、赵婕、 彭磊、 林木松、 钱艺华、张丽、赵耀
4、洪 、王健 一、蔡胜伟、 王会娟、 王锐锋 。 NB/T 10201 2019 1 矿物绝缘油中纸热降解产生的二氧化碳和 2-糠醛的解释导则 1 范围 本标准 提供 了 通过分析溶解于矿物绝缘油中的特征产物含量来 评估变压器 绝缘纸 寿命的指导方法。 将糠醛( 2-FAL)、 CO2的 测试 结果和不同 种类电气 设备相应 注意值 进行比较,可提供 绝缘 纸热降解程度 的预测信息。通过定期监测油中的糠醛和 CO2含量,并将其与 正常老化情况下糠醛 CO2含量进行 对比 , 可以在短时间内评估绝缘纸的老化 程度 。 本 标准规定 了 绝缘 纸热降解评估的统计方法,与绝缘纸老化相关的浓度和增加率的
5、 注意值 是 根据 统 计数据库得出,附件 A 提供了参考资料 。 注意值仅供运行参考 ,而不能作为阈值。 本 标准适用于 矿物绝缘油和 纤维素纸 的变压器和电抗器, 不适用于其它 绝缘液体(如酯类、硅油等) 或非 纤维素 绝缘纸(例如热改性纸 、合成纸 等) ,也不适用于绝缘 纸实际聚合度 ( DP)的计算 。 本标准适用于故障和运维历史已知且运行期间持续监测的设备。 2 规范性引用文件 下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件,仅所注日期的版本适用于本文 件。凡是不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。 GB/T 29305 新的和老化的纤维素电气
6、绝缘材料的粘均聚 合度的测量( IEC 60450:2004, IDT) IEC 60076-7 电力变压器 第 7部分:油浸式电力变压器负载导则 IEC 60567 充油电气设备气体取样以及游离气体和溶解气体分析导则 IEC 60814 绝缘液体 油浸纸和油浸纸板用卡尔 费休自动电量滴定法测定水份 IEC 60970 绝缘液体 粒子计数和尺寸分类的方法 IEC 61198 矿物绝缘油 2-糠醛和相关化合物的测定方法 IEC 60666 绝缘油中规定的添加剂的检验和测定方法 IEC 60599 使用中浸渍矿物油的电气设备溶解和游离气体分析结果解释的导则 IEEE Std C57.91 矿物油浸
7、变压器及步进式调压器指南 3 概述 3.1 简介 本 标准 规定 了绝缘纸热寿命评估的统计方法。 根据不同类型变压器数据统计得出相应注意值 (见附 件 A)。 如 6.1所述 数据统计的方法 可用于 计算 同类型 的变压器或电抗器的 注意值 。 不同运行环境和运行条 件的 变压器 注意值可能不同 。 注: 关于呋喃化合物作为 绝缘纸 降解诊断 特征产物 的 情况说明 ,请参阅 CIGRE 494/2012。 3.2 绝缘 纸的热 力 和机械降解 NB/T 10201 2019 2 3.2.1 概述 变压器老化 的 主要因素 包括 : 绝缘体系的 设计 、 材料 和 污染物 ,以及运行工况 。对
8、于固体 绝缘( 纸 或纸板)而言,老化直接影响其 机械性能和介电性能。对于变压器而言, 热老化主要影响绝缘纸 的机械 强度 ,即 变压器 抗 短路能力的降低。 这一情况还有待 统计 数据 验证。 绝缘纸的 抗 张 强度 、 拉伸 强度 和抗折强度都随 老化 时间 增长 而 降低 ,并且温度 越高降低速率越 快。 绝缘纸 的机械性能以 抗张 指数或聚合度( DP)表示,老化程度对其 有 显著 的影响 。纤维素 是由 多个 葡萄糖环组成的长链 化合物 ,其 DP值 即是 分子链长的平均 数 , 通过测定 纸溶液的粘度 计算得出 ( 见 GB/T 29305)。 由于 测试 所需的绝缘 纸量 较少
9、,检测 DP值 比检测抗 张 指数更方便 。 因此 , DP 被广泛用于 绝缘纸 老 化状态的评价。 纸的降解主要有三种过程:水解 、 氧化 和 热解 。 3.2.2 温度的影响 温度影响 纤维的 降解速率 (见 IEC 60076-7和 IEEE Std C 57.91) 。 按照 IEC 60076-7中 Montsinger 建议,变压器的寿命可以 由 式( 1) 表 述: . ( 1) 式( 1)中 : L 变压器寿命 ; p 常数; 以摄氏度为单位的温度。 该公式是 IEEE Std C 57.91 中 Arrhenius 定律的简化。 对变压器而言, 并无 一个准确的 寿命终点的标
10、准 ,所以 IEEE 和 IEC考虑 使用老化速率来判断老化 , 即 Montsinger公式寿命的倒数, 见式( 2) : ( 2) 式 ( 2)中 : R 老化速率; C 常数 。 其值 取决于 许多参数,例如纤维素 纸 的原始质量以及环境参数(系统中的 湿度 和氧 含量 ) ,该 影响 因素参考 图 1 所示。 NB/T 10201 2019 3 图 1 不同老化过程老化速率图 3.2.3 湿度和氧气的影响 湿度和氧气对 纤维素纸 的老化有重要 的 影响( 主要是 氧化)。 湿度 和 氧气 不仅 降低绝缘纸的 机械强 度,而且会导致液 -固绝缘 体系老化产物 的增加 ,因为绝缘 油和纸形
11、成的降解产物 会 导致 绝缘纸的 进一 步降解。 在 油 -纸绝缘体系 的老化 过程中会 形成许多副产物 ,如碳氧化合物、 水 、 酸 、油泥 和呋喃化合物。 部分降解产物,如呋喃化合物易溶于油,且稳定性好, 可 作为 老化 诊断 特征产物 。呋喃 类化合物 是纤维 素和半纤维素水解以及纤维素氧化热解后的脱水反应形成 ,其 测 试方法 见 IEC 61198 。 在变压器中, 老化 过程( 包括 水解 、 氧化和热解) 是 同时进行 的 , 形成了 非线性 的 综合 老化 机 制 (见 图 1) , 哪个过程起主导 作用 取决于温度和 运行 参数。 由于油纸绝缘 降解过程 复杂 , 难以进行单
12、一 活化 能 计算 。 3.3 绝缘 纸 老化的症状 3.3.1 概述 绝缘 纸的老化 程度 可通过直接检测 纸 或通过测量溶解在油中的副产物来 获得 。 纤维素降解主要影响 绝缘 纸的机械性能( 抗 张 强度 、 拉伸率 、破裂 强度 、 折叠强度等)(见图 2), 但是对这些参数的直接测量需要大量 的纸 样,在 运行 变压器 无法实现 。然而,机械 特性 和聚合度( DP) 之间的关系是 公认 的。 纤维素 的降解 对绝缘纸的抗压力影响不大 。 NB/T 10201 2019 4 图 2 绝缘纸机械性能与聚合度的关系 DP 值是纤维素 链上 糖苷环的平均数 。 在天然纤维素中 DP 值可以
13、高达 10000,但经过 相应处理后的 纤维素纸 DP 值降低至 1000 左右(通常是 1200)。 根据 GB/T 29305,通过检测溶解于铜乙二胺( Cuen)中纤维溶液的粘度,再计算得出绝缘纸的 DP 值。 绝缘 纸 的 老化副产物可 分 为挥发性,可溶性和不溶性 三类,主要来源于 热解 、 水解或氧化 , 3.3.2 挥发性副产物 碳氧化合物( CO 和 CO2)是纤维素降解的最终产物,根据 IEC 60567,用溶解气体分析法( DGA)可 进行 测量。 除纤维素降解外,绝缘油的氧化也可产生 CO和 CO2。 绝缘纸 含 水 量可 高达几个百分点 。 其中, 大部分 水分 被 绝
14、缘纸所 吸附,只有小部分溶解在油中。油 中水分的 来源除绝缘纸外,还包括空气中的水分 。 油中的水分检测 方法 见 IEC 60814。 3.3.3 可溶性副产物 油中可溶性化合物(如酸 、 醇等)由纸降解产生。其中, 最常用的诊断物质 是 以下 糠醛( 2-FAL) 及其相关化合物: 5-羟甲基 -2-糠醛 ( 5-HMF) ; 2-呋喃甲醇 ( 2-FOL) ; 2-乙酰 基 呋喃( 2-ACF) ; 5-甲基 -2-糠醛 ( 5-MEF) 。 油中 2-糠醛及其相关化合物的检测 见 IEC 61198。 NB/T 10201 2019 5 绝缘 纸降解后产生的 部分 呋喃化合物 会被绝缘
15、纸吸附 。纸和油中各种呋喃化合物的浓度存在差异, 并受温度影响。随着温度增加, 呋喃化合物在固液两相重新平衡, 油中浓度 升 高 ; 温度降低则纸中 呋喃 浓度 升高 。 呋喃类化合物 在 油 和 纸 中的 浓度 受纸的 类型 和含水量 影响。 含水量高的 纸 更利于吸附 呋喃化合物, 从而降低 呋喃类化合物的 油纸浓度比。 呋喃 类 化合物 的 稳定 性较差 ,在 高 含氧量的油中 易 被氧化降解, 因此, 在变压器运行 中 会观察到糠 醛浓度的 降低 。 纤维素或油的氧化会产生酸性化合物,酸性物质浓度升高会加速纸老化。 3.3.4 不溶性副 产物 纸的严重老化最终会导致纤维素 链 的断 链
16、 ,小的纤维会从 绝缘纸上脱落 。 根据 IEC 60970 ,纸纤维可以 作为 绝缘油 颗粒物进行 检测。 3.4 影响纸热老化的 运行 参数 影响纸热老化的主要运行参数包括: 变压器 运行 时间 、 负 荷、 冷却 方式、 变压器类型 、绝缘油质等 。 变压器的高负载 导致运行 温度 高 ,促进纸热降解 。高负荷的变压器包括 并联电抗器 、高 端 直流换流 变、升压变压器、 联络 变压器 等 。 就冷却类型而言,冷却介质(水或空气)和流动类型(强 油循环 或自然 循环 )都会影响散热效率, 从而影响纸热降解的 速率 。最有效的冷却 方式是 在强 油循环中 以水作为冷却剂 。 例如, 通常
17、水电站 升压 变压器的 纸 降解程度低于 相同 运行时间的火电厂 升压 变压器。这 与变压器 (冷 却方式 )( OFWF与 ONAF和 OFAF) 、运行 时间 、水电站 和 火电厂变压器 历史 负荷 有关。 由于氧气和水含量 高 ,敞开式变压器 绝缘纸 比密封式变压器更容易被降解 。 由于纸降解过程是受温度影响的, 某些 可能影响温度的 运行条件和 环境 因素 也可能改变固体绝缘的 降解速率。因此,过高的环境温度或高负荷可能会 促进 纸的降解速度,进而导致糠醛 、 CO2、 CO等副产 物增加。 3.5 油 种 和 工况的作用 油 种 影响纸的老化速度 ,含抗氧化剂绝缘 油 中 酸的形成
18、趋势显著降低 ,同时减缓了氧化过程 ; 氧气 在纸氧化过程中的影响也降低。 与 使用无抗氧化剂绝缘油 的 变压器 相比,即使 绝缘纸 聚合度( DP) 相同 , 使用含抗氧化剂绝缘 油的 变压器糠醛含量 较低 。 钝化剂(三唑衍生物)在纤维素老化中的作用尚未明确。金属钝化剂在氧化过程中可以通过 对 铜催 化 去活化作用 来降低油的降解速率, 进而 减缓纸的降解过程,但金属钝化剂 并不直接影响 油中糠醛浓度。 一些实验室研究表明,浸渍 钝化剂绝缘油 的纸具有减慢呋喃化合物形成的趋势 ,说明 三唑类钝化剂 在抑 制 老化 中有一定的 效果。 油的老化条件也可能影响呋喃化合物 在 固体绝缘和液体绝缘
19、间的分配 ; 酸性油可能导致油中糠醛浓 度的增加,因为其从纸中提取极性化合物 (呋喃) 的能力 较强 。 3.6 影响热老化的故障条件 在降解机理可能是热或电的变压器中,由于温度的骤升,纸降解速率可能迅速增加。 高能热电故障 中 通过绝缘体循环电流 过大 和大电流 随动会 造成绝缘纸的 大面积 破坏 甚至 碳化。 NB/T 10201 2019 6 在 因 故障导致的局部热降解的情况下,纸热寿命的预判非常困难,因为所涉及的 纸 的体积膨胀量是 未知的,并且在较短时间内温度也可能发生巨变。通过 DGA 对热故障 进行研究 时应同时考虑纸的热寿命 评估,以免 造成 误导性结论。 高能电气故障(高能
20、放电)通常发生在 小范围 ,它对呋喃化合物浓度的影响可以忽略不计。在涉及 绝缘纸的 放电时 ,碳氧化 合 物的增加比糠醛的增加更明显。纤维素副产物的形成尚未发现与局部放电有 关。 3.7 影响热老化指标的 运行维护 3.7.1 概述 油的 运行维护 可能影响纤维素热老化指标(见 3.3)。在 考虑 糠醛 的 总浓度和评估热老化指标的增 长率时应考虑 运行维护 的影响。 3.7.2 油处理 的影响 油处理 可能会降低油中的糠醛浓度, 这与 处理时间 和 效率 有关 。在线脱气或 长时间油处理 可能会减 少纸中的水分。 糠醛在 油纸 两相间 的 经过 一段时间 重新分配后达到新的平衡 , 时间取决
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