基于LCC的变压器中水分和含气量限值探讨

王瑞珍，曾喜闻，何 清，胡 然

（1.国网湖北省电力公司电力科学研究院，湖北 武汉 430077; 2.国家电网公司运行分公司，北京 100052）

基于LCC的变压器中水分和含气量限值探讨

王瑞珍1，曾喜闻2，何 清1，胡 然1

（1.国网湖北省电力公司电力科学研究院，湖北 武汉 430077; 2.国家电网公司运行分公司，北京 100052）

分析了温度、水分、氧气对绝缘纸老化速率的影响，通过加速老化试验和对比分析，指出氧气对绝缘纸老化速率的影响与水分几乎相当，应引起重视。讨论了相关标准对变压器纸中水分、油中含气量（氧气）的规定，从全寿命周期成本（LCC）管理的角度，建议对变压器纸中水分含量和油中氧含量限制应采用同一要求，而不应分电压等级。

全寿命周期成本（LCC）；变压器使用寿命；影响因素；水分限值；含气量限值

1 全寿命周期成本（LCC）管理的定义

全寿命周期成本（LCC）管理，是从设备/项目的长期经济效益出发，统筹考虑设备/项目在全寿命周期内的规划、设计、制造，购置、安装、运行维护、报废各阶段的成本，使全寿命周期成本最小的一种管理理念和方法，其目的是提升企业的经济效益。

全寿命周期成本（LCC）管理1904年起源于瑞典铁路系统，1965年在美国国防系统全面推广，并颁布了《全寿命周期成本估算采购指南》，以控制国防开支。1992年IEC颁布了《可信性管理-第三章：实施指南 寿命成本分析》（IEC300-3-3），推动了LCC在世界各国的应用。

LCC在电力系统的应用始于上世纪八十年代，主要应用于工程建设、设备采购等方面。2004年国际大电网会议（CIGRE）提出应用全寿命周期成本来管理设备，并鼓励设备供应商提供产品的LCC报告。

在电网公司系统内，上海电力公司2007年率先在设备采购中应用了LCC管理方法[1]，2010年在国家电网公司“两会”上提出了“强化资产全寿命周期管理，提高设备使用年限，降低运行维护成本”的要求，全面启动了LCC应用。

2 变压器全寿命周期成本的构成

变压器全寿命周期成本由设备的制造成本和运维成本构成。制造成本包括设计、制造、试验、营销等费用，运维成本包括安装调试、运行维护、检修以及能量损耗等费用。将全寿命周期成本除以变压器的使用寿命（一般为30 a）即得到变压器每年的成本，称为EUAC（the Equivalent uniform annual cost）,EUAC越小，变压器的经济效益越高[2]。变压器容量越大制造成本越高，在全寿命周期的成本的占比越高。因此，提高变压器的使用寿命是开展全寿命周期管理，提升设备运营水平、降低运营成本的重要措施和手段。

3 变压器使用寿命的影响因素

变压器的寿命按不同的分类方法可分为设计寿命与使用寿命，技术寿命与经济寿命等。技术寿命由于变压器技术指标不能满足新的技术要求而导致寿命终止，经济寿命则是指变压器由于继续使用的费用高于所产生的效益而导致寿命终止。设计寿命是指按照一定规范进行设计和制造的变压器在额定运行条件下理论上能够使用的时间，使用寿命则是指变压器从投入使用到终止使用期间的时间。

变压器终止使用的原因很多，如变压器故障、老化，或技术更新要求、经济效益要求，等等，显然，使用寿命可能比设计寿命短，也可能比设计寿命长。若不考虑故障导致的变压器寿命终止，变压器的使用寿命实际上取决于绝缘材料的使用寿命。由于绝缘油可以再生或更换，变压器的使用寿命也就取决于绝缘纸的寿命。而绝缘纸的寿命则取决于绝缘纸老化的速度，纸老化速度越慢，寿命则越长，反之亦然。因此，对变压器类以油纸为主要绝缘材料的电气设备，降低绝缘纸老化速度是提高其使用寿命的关键。

3.1 绝缘纸老化机理及影响因素

变压器用绝缘纸属于纤维素绝缘材料，它主要是由90%的α-纤维素和10%的半纤维素组成。α-纤维素是由多个葡萄糖单体组成的长链状高聚合碳氢化合物（C6H10O5）n，长链中葡萄糖单体的个数n即为聚合度，如图1所示。

图1 纤维素分子结构Fig.1 Cellulose molecular structure

纤维素绝缘材料的劣化过程就是葡萄长链的断裂过程，其劣化主要有水解降解、氧化降解和热解降解三种形式。其机理如下：

水解降解，水分子透过纤维素长链的分子之间，与相邻的两个葡萄糖环的氧反应，形成两个OH基，各附于一个环，使聚合链断裂成两部分。

热解降解，是由于葡萄糖分子中的C-O键的键能低，也就是热稳定性差，在正常运行温度下就可能被打开。在150℃以上时，纤维素分子结构中的化学结合水开始被脱除，发生去氢反应，当油中氧含量较多时，部分氢与氧结合成水，导致进一步的水解。

氧化降解，则由于纤维素的葡萄糖环的第六位碳原子存在化学性质非常活泼的醇羟基（CH2OH），氧侵入第六位碳原子形成醛基，醛基再氧化生成羧基，由于同分异构化，在葡萄糖苷碳上形成双键，这样葡萄糖苷碳键就变得很不牢固，容易发生水解，使纤维素链断裂。

因此，对以纤维素为主要成分的绝缘纸，影响其老化速度的主要因素为：水分、氧气和温度。绝缘油中的酸性物质对纤维素的水解反应有催化作用。

葡萄糖大分子链断裂表现为聚合度的下降和机械强度的降低，伴随着葡萄糖大分子链的断裂生成水、CO、CO2、糠醛系列化合物等。

3.2 温度对绝缘纸老化的影响

温度对变压器使用寿命的影响已经引起广泛重视，而且温度对绝缘纸老化速率的影响有公认的数学模型和计算公式，即以98℃时的热老化率为基准，温度每升高6℃热老化的速率增加一倍。

式中：V为相对热老化率；θk为绝缘纸的热点温度。

变压器的设计寿命是按纸热点温度98℃来考虑的，如果运行中纸热点温度高于98℃寿命损失将加快，低于98℃寿命损失将减缓。因此，变压器一般尽可能在较低的温度下运行，以延长其使用寿命。

3.3 水分对绝缘纸老化的影响

关于水分对绝缘纸老化速率影响的研究也有相关文献[3-8]，但尚未形成公认的计算公式。文献[3]给出了以0.3%含水量纸老化速率为基准的不同含水量纸的老化速率倍数，如图2所示。根据图2，采用曲线拟合法可得到以下近似关系式，即

也即

式中：k为老化速率倍数；w为纸中水分含量；V为相对老化率。

图2 纸含水量对老化速率的影响Fig.2 Influence of the moisture on the aging rate of paper

从式（2）可以看出，相对老化率与水分含量比值的1.5次方成正比。也就是说含水量2%纸的老化速度是含水量1%纸的近3倍，变压器的寿命也将缩短2/3倍，寿命周期成本将增加3倍。

3.4 氧气对绝缘纸老化的影响

关于氧气对绝缘纸老化速率影响的研究相对较少，主要原因是基于以下的认知：在变压器中，水分主要存在于绝缘纸中，而氧气主要存在绝缘油中，因此，氧气对绝缘纸的老化影响较轻[3]。但根据纤维素劣化机理，氧的存在会导致纤维素氧化降解，而且绝缘油老化生成的水、酸等会加速纸的老化，因此，氧气对绝缘纸老化的影响不容忽视。

为了研究氧气对纸老化速率的影响，对干燥纸浸含氧油和潮湿纸浸脱氧油进行了加速老化试验和对比分析。样品条件见表1，老化温度120℃，在老化的不同阶段取样进行聚合度测试。测试结果如图3所示，干纸+氧与湿纸的聚合度变化基本相同，也即氧气对纸老化的影响几乎与水分相同。

表1 加速老化试验用样品条件Tab.1 Condition of the paper and oil for accelerated aging

图3 纸聚合度随老化时间的变化Fig.3 DPv changing of the paper vs aging time

4 水分和含气量限值探讨

对于纸中水分，DL/T596《电力设备预防性试验规程》规定：500 kV及以上不大于1%，330 kV不大于2%，220 kV不大于3%。该要求是基于纸中水分对绝缘强度的影响考虑，从全寿命周期成本管理的角度，水分的控制指标分电压等级显然是不合理的。而且，变压器的设计寿命都是按纸中含水量0.5%来考虑的，水分越高使用寿命越短，全寿命周期成本就越高，因此，对于纸中水分应统一限值要求，均应控制在1%。

对于油中含气量，GB/T7595-2008《运行中变压器油质量标准》仅对330 kV及以上设备油中含气量提出了控制指标的要求：变压器一般不大于3%，电抗器一般不大于5%。该要求是基于检查设备密封状况考虑，另外考虑到低电压等级设备由于油箱机械强度的限制不能采用真空注油。从全寿命周期成本管理的角度，应对可采用真空注油的220 kV及以上变压器均增加含气量限值的要求，而且电抗器应与变压器相同，均应控制在3%。

5 结语

水分和氧气是除温度外影响变压器绝缘纸老化速度的主要因素，也是影响变压器类设备使用寿命的主要因素，必须严格控制，以最大可能地延长设备使用寿命，降低设备全寿命周期成本，提高电网企业经济效益。对大型变压器、电抗器纸中水分和油中含气量的控制指标应采用统一值，不应区分电压等级和设备类型。

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Tentative Discussion on LCC Based Criteria of Moisture and Atmosphere Gas Content in Transformer

WANG Ruizhen1,ZENG Xiwen2,HE Qing1,HU Ran1
(1.State Grid Hubei Electric Power Research Institute,Wuhan Hubei 430077,China; 2.Grid Operation Branch of State Grid Corporation of China,Beijing 100052,China)

The impact of temperature,moisture and oxygen on the aging rate of insulating paper is analyzed.Based on the comparison analysis of the results of acceleration aging of paper with dif⁃ferent moisture and oxygen,it is pointed out that oxygen is almost same harmful as moisture to the aging of paper.The criteria of moisture and atmosphere gas content(oxygen)in transformer re⁃quired in related standards is discussed and the suggestion is proposed based on LCC that it not be classified by rate voltage of the transformer.

life cycle cost(LCC);operation life-span;influence factor;moisture criteria;atmo⁃sphere gas content criteria

TM41

B

1006-3986(2016)04-0025-04

10.19308/j.hep.2016.04.006

2016-03-05

王瑞珍(1966)，女，河南镇平人，教授级高级工程师。