温度时间常数对油纸绝缘间水分动态迁移过程的影响研究

2024-01-08段井娜窦冰杰车传强

电工电能新技术 2023年12期

王琼, 段井娜, 杨波, 窦冰杰, 车传强, 刘卓, 周游

(1.内蒙古电力(集团)有限责任公司内蒙古电力科学研究院分公司, 内蒙古呼和浩特 010000; 2.电气与信息工程学院智能电网运行与控制湖南省重点实验室, 长沙理工大学, 湖南长沙 410004)

1 引言

油浸式电力变压器作为重要的变电设备,其绝缘性能直接影响电网的安全稳定性[1]。在众多影响因素中,油纸绝缘介质中水分的含量及形态直接影响变压器绝缘性能[2,3]。由于油和绝缘纸板对水的吸附能力不同,绝大部分水分会被亲水的纤维素吸附,大量储存在纸板中,对绝缘的影响较弱。但是在运行期间受负荷波动和环境温度的影响,内部温度的动态变化会导致油-纸中的水分发生相间迁移和扩散。一旦油中水分含量明显增加,甚至会析出形成悬浮水,将会加剧局部放电和油流带电,严重缩短变压器的使用寿命[4,5]。因此基于变压器负荷和温度变化,研究变压器油纸绝缘间水分的动态迁移过程对合理安排变压器负荷调度,保障变压器的运行稳定性具有重要意义。

温度改变时水分在绝缘油和绝缘纸之间的动态迁移和扩散现象是由于不同温度下介质吸附水分的能力改变程度不同所引起的[6]。国内外学者以不同介质材料在空气中相对湿度相等为理论基础,绘制了不同温度下油-纸介质的水分平衡曲线[7]。但这些曲线只能反映油-纸介质热平衡状态后的稳态水分分布,而水分在油纸之间的迁移过程远跟不上变压器内部温度的变化,因此,仅依靠水分平衡曲线难以可靠估计变压器运行过程中的动态水分分布。周利军等人采用Fick第二定律建模计算了油浸纸板中水分对外迁移的物理过程,但并未考虑水分迁移引起的绝缘油中含水量的变化[8]。Belen Garcia等人研究了动态温度下油和纸绝缘中的水分瞬态迁移和扩散过程,但仿真模型并未考虑油纸绝缘的相界面特性[9]。在油和纸之间,存在一个从油的占比为13%的油浸纸向100%纯油的过渡区域,称之为界面区域[10]。虽然目前这个界面区域没有明确清晰的定义,但是其物理和化学性能与油浸纸以及绝缘油都存在一定的差异。而大量研究表明,油纸界面区域的水分是沿面放电形成白斑,导致变压器发生围屏爬电故障的主要原因[11]。

为综合考虑动态负载下变压器内部油纸绝缘之间以及界面处水分含量的变化,本文基于Fick第二定律和双膜模型建立了油纸绝缘间水分动态扩散迁移模型,分别计算了不同升温和降温时间常数下油、绝缘纸板和油膜处的水分动态分布变化规律,为变压器安全负荷调度提供相应的理论依据。

2 油纸间水分动态扩散模型

变温过程中油-纸间的水分随着温度的变化导致吸附水分能力的改变,从而引起水分发生迁移并引向新的平衡。而变压器内部绕组上的温度最高且随负荷变化最快,导致其附近绝缘中的水分含量变化也最为快速[12]。因此本文以油浸式变压器绕组热点温度附近的油纸介质为研究对象,研究绕组温度变化后水在油纸之间的迁移过程及其对绝缘的影响。考虑到内油道与绝缘纸板间的距离较窄,水分向绕组侧迁移扩散过程较弱,因此近似认为水分在绕组附近以向外的单边扩散为主,忽略向内(向绕组侧)水分的迁移和扩散[13]。同时,由于绝缘纸板正反面的面积要远大于侧面积,对应可以忽略水分从侧面渗透,将绝缘纸板近似看成一维系统[14]。

油纸绝缘相间水分的传质,是指水分在具有相对(绝对水分含量/饱和含水量)差的油和绝缘纸板间,从相对饱和度大的向相对湿度小的转移的现象。由于油纸介质在不同温度下吸附水分的能力不同,当温度发生变化时绝缘油和绝缘纸的相对饱和度对应变化,导致水分在油和纸之间转移,直至两者间的相对湿度再次达到平衡。Whiteman提出的双膜理论是最早的相间传质理论,该模型至今还在被广泛用来解释传质机理[15]。双膜模型理论认为,两个互不相溶的物质之间进行传质时,流体相在靠近相界面侧存在着一层虚拟膜。膜内流体处于静止状态,流体相的传质阻力都集中在那层静止的虚拟膜内。膜外的流体相中由于强烈的湍流运动使其浓度均匀。因此,层流膜外的流体相中传质阻力可忽略不计,在界面处两相水分时刻处于平衡状态[15]。双膜模型的传质机理为分子扩散,传质通量可用菲克定律描述。由于膜很薄,可近似认为膜内无组分积累,传质时已达稳态。采用双膜理论对油纸绝缘的界面区域进行建模。为区分传统界面和界面区域的概念,本文中将主体油与绝缘纸板间的层流膜界面区域简化统称为油膜,建立的油纸绝缘模型如图1所示。其中l为绝缘油的尺寸,mm;Δ为绝缘纸板的尺寸,mm;δ为油膜的厚度,mm;co为主体油与油膜中的绝对水分浓度,ppm;cp为绝缘纸板上的绝对水分浓度,%。

图1 油纸绝缘纸间水分动态扩散模型Fig.1 Dynamic diffusion model of water between oil and paper

2.1 油膜厚度

针对模型中油膜尺寸,根据油纸界面电荷转移过程研究的Couette设备[16],结合经验公式,计算出不同温度下的油膜厚度[17,18]为:

(1)

式中,v0为油的运动粘度,m2/s;S为施密特数;u0为摩擦速度,m/s。S和u0可由式(2)～式(5)近似计算[17,18]为:

(2)

(3)

(4)

(5)

式中,Doil为油中水分的扩散系数,m2/s;τw为应力,kg/(m·s2);ρ0为油的密度,kg/m3;Rv为流体的雷诺数;ω为角速度,rad/s;R2为Couette设备的外半径;R1为Couette设备的内半径;d为内外半径差,mm。油中水分扩散系数Doil与离子迁移率b、玻尔兹曼常数k、电荷量q、油温T有关,可由式(6)和式(7)计算[19],油的密度ρ0和运动粘度v0可分别根据式(8)和式(9)计算[20]为:

(6)

(7)

(8)

(9)

式中,α为常数,α=1.5×10-11C/m。

通过式(1)～式(9)计算得到油膜厚度随温度的变化曲线如图2所示。随着温度的升高,油膜的厚度逐渐降低,但是在变压器的运行温度范围内,油膜的厚度在14～16 μm。

图2 油膜厚度变化曲线Fig.2 Thickness of interface region with different temperature

2.2 控制方程和边界条件

油纸绝缘间的水分在浓度梯度和温度梯度作用下发生相间迁移和扩散[21],采用Fick第二定律描述水分在油纸绝缘间解吸和吸附的运动过程。

2.2.1 油膜

由于油膜的厚度为微米数量级,因此假设油膜内部不存在复杂的浓度分布,膜内水分浓度梯度呈线性变化,即:

(10)

式中,co为油膜中的水分浓度,ppm;x为不同位置处油膜的厚度,mm。

由双膜模型可知,相间的水分相对饱和度始终处于平衡状态,即同一温度下油中水分的相对饱和度与空气中的相对饱和度相同。油中水分的相对饱和度为:

(11)

式中,RH为油中水分的相对饱和度,%;s为油中水分的饱和溶解度,ppm。

Fessler等人通过研究数据得到了平衡时油纸间水分含量的关系式[7],即油膜右边界的水分浓度为:

(12)

式中,cp为绝缘纸板靠近油侧,即左边界处的水分浓度,%;Pv_sat为饱和水蒸气压,Pa。绝缘油中水分的饱和溶解度s和饱和水蒸气压Pv_sat均为温度的函数[13,22]:

(13)

dT=T1-T

(14)

式中,A和B为矿物绝缘油的典型数据[5],A=7.42,B=1 670,参数A和B的值取决于绝缘油的种类及其老化条件等;PC为临界水分压强,PC=218 atm;T1为临界温度,值为374.2 K;a、f、c、e的值分别为3.24、5.87×10-3、1.17×10-4、2.19×10-3。

由于微米数量级的油膜远小于主体油和绝缘纸板的厚度,因此可忽略水分在油膜中的积累,主体油和绝缘纸板中的水分满足质量守恒。又因为主体油为湍流运动,使得水分能够得到充分的扩散,因此假设主体油中水分分布均匀,则油膜的左边界条件为:

(15)

式中,co0为油的初始水分浓度,ppm;mp、mo分别为绝缘纸板和主体油的质量,分别为13.24 g和899.35 g。

2.2.2 主体油和绝缘纸板

考虑到主体油的流动,水分一旦进入到油中则立即均匀分布开,因此认为主体油与油膜左边界处的水分浓度相等,即:

co=co1

(16)

而绝缘纸板中的水分动态迁移和扩散满足Fick第二定律:

(17)

双膜模型假设认为,水分在相间传质时阻力全部集中在油膜和绝缘纸板中[23]。因此相间水分通量连续,绝缘纸板的左边界通量条件为:

(18)

式中,Dp为绝缘纸板中水分迁移速度,m2/s;ρp为绝缘纸板的密度,kg/m3;co1为油膜的左边界处绝对水分浓度,ppm。当ρp=1 240 kg/m3,水分扩散系数Dp为温度T和水分浓度cp的函数,可由式(19)计算[19,24]:

(19)

绝缘纸板的右边界与绕组紧密接触,因此右边界的水分通量为零。

3 温度变化对油纸绝缘水分暂态分布影响

3.1 温度曲线

本文以一台50 MV·A/110 kV自然油循环电力变压器为研究对象,通过仿真计算得到额定负荷、环境温度为20 ℃冷启动时的热点温度约为90 ℃,前期针对变压器内部温度分布的研究得到其温升曲线如图3所示[25]。水分在油纸绝缘间的扩散方式主要有热扩散和分子扩散两种方式。热扩散指受温度梯度的影响,热流促使内部密度较小的水分子向高温区域运动,导致油纸绝缘间的水分分布不均,产生浓度梯度。当油纸绝缘间的水分存在浓度差时,在分子热运动的作用下,水分子会自发地由高浓度区域向低浓度区域扩散,最终使得油纸相间水分达到新的平衡状态。典型的水分在油、绝缘纸板中的扩散系数见表1[16]。根据模型的尺寸结构和扩散系数可计算出对应的扩散时间见表2。介质的热扩散时间远远小于分子扩散时间,因此忽略热扩散对传质的影响。

表1 扩散系数Tab.1 Diffusion coefficient

表2 扩散时间Tab.2 Diffusion time

图3 额定负荷下的热点温升曲线Fig.3 Hot-spot temperature rise curve under rated load

为研究不同的温度变化速率对水分的影响,定义温度时间常数为当负荷变化时温升达到超过温度稳定值63.2%时所需的时间[26]。温度时间常数可以反映温升随负荷变化时响应速度的快慢,是确定变压器负荷曲线的基础[20]。通过一阶指数曲线拟合,得到该变压器在额定负载下的热点温度时间常数τ约为5.5 h。由于变压器在运行过程中,通常负荷的变化远小于冷启动时的情况,因此本文中温度时间常数以5.5 h作为最小值。通过研究不同的降温速率的水分分布发现,当降温时间常数小于9.49 h时主体油中水分的瞬时相对饱和度可超过100%,因此四舍五入选择9.5 h为分界线。对于时间常数小于分界线的情况,增加了7.5 h和8.5 h两个时间常数。对于时间常数大于9.5 h的情况,分别研究了13.5 h、21.5 h、29.5 h、37.5 h、53.5 h、77.5 h、109.5 h、173.5 h和237.5 h代表性时间常数进行研究。

3.2 不同升温速率对水分暂态分布的影响

为研究不同升温速率对油纸间水分暂态分布的影响,利用一阶指数曲线来模拟热点温度从20 ℃升温到90 ℃的变化:

(20)

油纸绝缘相间水分的传质,是指水分在具有相对饱和度(绝对水分含量/饱和含水量)差的油和绝缘纸板间,从相对饱和度大的向相对饱和度小的转移的现象。当温度发生变化时绝缘油和绝缘纸的相对饱和度对应变化,导致水分在油和纸之间转移,直至两者间的相对饱和度再次达到平衡。假设初始状态水分已经动态平衡,根据20 ℃时油和绝缘纸板的相对饱和度相等原则,可得到油和绝缘纸板中初始绝对水分平衡浓度co0和cp0。为了比较更加清晰地展示出水分在油和纸之间的动态迁移过程,首先选取了高水分的co0和cp0分别为8.70 ppm和4%的情况展开讨论。图4给出了时间常数为5.5 h时油纸绝缘间相对水分含量的暂态分布特性。

图4 油纸绝缘间相对饱和度变化Fig.4 Changes of relative humidity between oil-paper insulation phases

20 ℃时油和绝缘纸板中水分的相对饱和度均为16.5%。随着温度的升高,绝缘纸板的饱和含水量降低。由于水分来不及迅速迁移,导致同样绝对水含量下纸板的水分相对饱和度逐渐增大。而主体油的饱和含水量随温度的升高而增加,对应的油中水分相对饱和度减小。此时绝缘油和绝缘纸中水分的瞬时相对饱和度出现浓度差,表现为油膜中出现梯度变化的水分相对饱和度。水分开始从绝缘纸板左边界向油中迁移和扩散,进而绝缘纸内部径向也出现水分相对饱和度的浓度差。但是由于油吸附水分的能力比绝缘纸小得多,即便当绝缘纸板中一小部分水扩散到油中,油中水分的相对饱和度便会迅速回升。随着时间的发展,越来越多的水分从纸板深处逐渐迁移到油中,最终水分在相对饱和度为26.8%处达到新的稳态平衡。

图5为不同时刻绝缘纸板中绝对水分浓度的动态径向分布。当平衡状态被破坏后,绝缘纸板水分迅速通过油膜向主体油中迁移,导致纸板中径向水分分布呈现出极度不均匀的分布状态。随着时间的发展,绝缘纸板右边界处即靠近绕组侧水分在浓度梯度作用下,逐渐向绝缘纸板左边界方向迁移,最终使得纸板整体水分分布均匀。达到新的平衡状态时绝缘纸板中的绝对水分浓度由4.00%减小到了2.86%。

图5 绝缘纸板径向绝对水分浓度分布Fig.5 Radial moisture concentration distribution of paper

由于绝缘纸板左边界处的水分通过油膜迅速扩散到油中,因此绝缘纸板左边界与油膜右边界处水分的绝对浓度与相对饱和度的变化值得注意,其分布如图6所示。由图6(a)可知,绝缘纸板左边界处的绝对水分浓度随时间逐渐减小,而油膜右边界与绝缘纸板左边界处的绝对水分浓度满足Oommen平衡曲线,因此油膜右边界处的绝对水分浓度co2逐渐增大,其在0～23.7 h内近似按指数规律增长,平衡时达到最大约为176.7 ppm。若假设油膜的右边界几乎与纸板的成分结构一致,按照纸的吸水性的变化,图6(b)同时给出了油膜右边界水分的相对饱和度与时间的变化关系。由于水分迁移和温度引起的溶解度变化相比存在滞后性,导致边界处水分的相对饱和度随时间先增大后减小,在17.2 h时达到最大约为28.0%。

图6 油膜右边界与绝缘纸板左边界处水分暂态分布Fig.6 Transient distribution of water at the right boundary of oil film and the left boundary of insulating paperboard

图7为主体油和油膜左边界处的绝对水分浓度co1和水分的相对饱和度RH1随时间的变化。其绝对水分浓度由8.70 ppm增大到176.7 ppm,但水分的相对饱和度RH1先减小后增大,在t=3.8 h时达到最小值为6.7%,平衡后达到最大值26.8%。这主要是因为,升温初期油中水分迁移速度较慢,但油对水分的溶解性随温度增长迅速增加,导致升温初期主体油中水分的相对饱和度减小。随着温度的大幅上升,油和绝缘纸板中水分的相对饱和度差异变大,水分迁移和扩散速度增加,单位时间内主体油水分浓度增长速率大于饱和水分含量增长速率,导致对应的水分相对饱和度RH1增大,直至油纸相间水分浓度达到平衡。

图7 主体油中水分暂态分布Fig.7 Transient distribution of water in oil

为研究变压器在不同负荷波动速率下水分迁移对油纸绝缘特性的影响,图8和图9分别给出了绝缘纸板左边界、油膜右边界以及主体油即油膜左边界处水分的绝对浓度和相对饱和度变化。可以看出,随着负荷变化速度的变慢,温度变化时间常数的增加,纸板左边界和油中的水分变化速度也越缓和。对应的油膜的右边界即绝缘纸板左边界处水分的相对饱和度最大值下降,主体油中水分的相对饱和度最小值上升。

图8 不同时间常数下边界处的水分暂态分布Fig.8 Water transient distribution at interphase boundary under different time constants

图9 不同时间常数下主体油中的水分暂态分布Fig.9 Water transient distribution in oil under different time constants

综上所述,即使变压器以最小的时间常数5.5 h运行,冷启动过程中油中水分的相对饱和度最大仅为稳态值26.8%。绝缘纸板中的水分浓度减小,水分从绝缘纸板向油中迁移,但是绝缘纸板和油在界面处在升温初期会发生不明显的水分相对饱和度的线性积聚,绝缘纸板靠近油膜处最大也仅达28%,对绝缘的影响不大。前期的研究结果也表明在变压器冷启动升温过程中,若变压器内部没有局部缺陷,升温过程变压器油的粘度迅速降低,不会出现因为绝缘油凝固产生的过热问题[24]。

3.3 不同降温速率对水分暂态分布的影响

由于变压器在运行过程中可能会因为线路故障等原因导致负荷的突然急剧减少,从而伴随着温度急剧降低现象。因此本文利用式(21)的温度变化函数,研究从90 ℃降温到20 ℃时,不同时间常数下降温速率对油纸间水分暂态分布的影响。

(21)

在降温计算模型中,将2.2节中升温到90 ℃后达到稳态时水分分布作为初始值,即油和绝缘纸板中的初始绝对水分浓度co0和cp0分别为176.7 ppm和2.86%。典型的时间常数5.5 h时油纸绝缘间的水分相对含量暂态分布如图10所示。随着时间的增长,油纸绝缘间温度不断降低,油对水分的溶解能力逐渐降低,油的饱和含水量降低导致短时间内主体油中水分的相对饱和度迅速增大,在10 h附近达到最大。而绝缘纸板的饱和含水量则因温度降低而增加,导致其水分的相对饱和度降低。此时油和绝缘纸板之间水分的相对饱和度存在梯度差,主体油中的水分开始沿着油膜向纸板内迁移。但由于纸板中的水分扩散系数比油中小得多,因此水分首先引起纸板靠近油侧水分增加,甚至会高于降温前纸板中水分的相对饱和度,从而在纸板中呈现出左边界水分的相对饱和度高于右边界的不均匀分布情况。此时大量水分在纸板界面和油膜处积聚,产生高水分层。随着时间的发展,越来越多油中水分扩散到纸板内部,主体油中水分相对饱和度开始降低。而纸板由于具有较高的饱和含水量,油膜两侧水分的相对饱和度差值逐渐降低,水分迁移速率降低,最终达到新的平衡状态,此时水分相对饱和度为16.5%。

图10 油纸绝缘间水分的相对饱和度变化Fig.10 Changes of relative humidity between oil-paper insulation

在油中水分向绝缘纸板扩散过程中,绝缘纸板径向的绝对水分浓度分布如图11所示。过渡过程中绝缘纸板的左边界,即靠近油膜处水分浓度迅速增大。随着时间的增加,左边界处的高浓度水分在浓度梯度作用下,逐渐向绝缘纸板内部迁移和扩散。

图11 绝缘纸板径向绝对水分浓度分布Fig.11 Radial moisture distribution of paperboard

绝缘纸板左边界、油膜的右边界处水分的绝对浓度和相对饱和度随时间变化如图12所示。降温过程中,绝缘纸板左边界水分的绝对浓度与相对饱和度均呈先增大后减小的变化趋势,在t=23.1 h时,其水分的绝对浓度和相对饱和度达到最大值,分别为9.40%和60.3%。而油膜右边界的绝对水分浓度co2在0～17 h迅速减小,17 h后浓度降低速度减慢。降温初期主体油中的水向绝缘纸板中迁移时,水分迅速通过油膜扩散到绝缘纸板上,但绝缘纸板中的水分扩散速度较慢,初始阶段绝缘纸板左边界上的水分来不及向内部迁移和扩散,最终导致水分在绝缘纸板与油膜紧密接触的边界上发生积聚,产生了高水分层。大量的研究表明[27],界面处的水分含量过高时,在电场作用下一旦诱发沿面局部放电,则可能使得水分在放电能量作用下气化产生白斑通道,最终引起变压器发生短路击穿事故。因此降温过程中的油纸界面处高水分油层现象需要引起运维人员的重视。

图12 界面处绝缘纸板和油膜中水分暂态分布Fig.12 Transient variation of moisture at interface of paper and oil film

在水分动态迁移和扩散过程中,主体油中水分的绝对浓度co1和相对饱和度RH1如图13所示。co1由176.7 ppm减小到8.7 ppm,水分的相对饱和度先增大后减小。在t=13.3 h时水分的相对饱和度达到最大值为131.7%,并且在6.4～23.1 h油中的水分浓度始终大于饱和浓度,对应水分的相对饱和度大于100%。这是因为降温期间油中的水分迅速通过油膜扩散到绝缘纸板中,但是水分的迁移速率赶不上迅速降低的温度引起的油中溶解水分的能力变化。随着油中水分的相对饱和度增加,大量溶解态的水分逐渐相互结合成为水簇,甚至析出转变为悬浮水,严重影响油纸介质的绝缘性能[28]。

图13 油膜边界和主体油中水分浓度Fig.13 Transient distribution of water in oil

降温过程中油纸绝缘相间水分的迁移和扩散大致分为四个阶段:①油膜右边界处的水分迅速透过界面迁移到绝缘纸板中;②主体油中的水分在浓度梯度作用下,逐渐向油膜右边界处迁移和扩散;③绝缘纸板左边界靠近油膜处水分发生积聚,产生高水分界面层;④绝缘纸板左边界上的高水分层逐渐向内部界面处迁移和扩散。在这个过程中,如果负荷变化引起变压器温度变化太快,则可能导致主体油中的相对水分含量显著增加甚至析出悬浮水珠,而纸板边界处也会因为纸板内部水分迁移速度过慢而导致水分在边界处堆积影响界面绝缘。不同时间常数下油纸绝缘间的水分暂态分布如图14和图15所示。

图14 不同时间常数下边界处的水分暂态分布Fig.14 Water transient distribution at boundary under different time constants

图15 不同时间常数下主体油中的水分暂态分布Fig.15 Water transient distribution in main oil under different time constants

对比不同降温时间常数下的水分暂态分布结果可知,温度变化速度越慢,时间常数越长,绝缘纸板左边界处的最大绝对水分浓度越小。与此同时,油中水分的相对饱和度最大值也随着时间常数的增长而不断降低。根据不同时间常数的油纸绝缘水分暂态分布,分别提取了其绝缘纸板左边界处的绝对水分浓度和油中水分的相对饱和度最大值,并进行一阶指数函数拟合,函数关系式和拟合曲线分别如式(22)、式(23)、图16所示。

图16 一阶指数函数拟合曲线Fig.16 First-order exponential function fitting curve

(22)

(23)

式中,Cp_max为绝缘纸板左边界处水分的绝对浓度在降温过程中出现的最大值,%;RHmax为主体油中水分的相对饱和度在降温过程中出现的最大值,%;τ为时间常数,h。

由图16可知,降温过程中时间常数越小,绝缘纸板在靠近主体油一侧的左边界处水分绝对浓度最大值越大。而绝缘纸板表面含水量越高,放电程度越剧烈,更容易在相对较低的电压下引发白斑,引发变压器发生短路击穿事故[29,30]。另一方面,当时间常数小于9.49 h时,主体油中水分的相对饱和度最大值大于100%。降温速度越快,主体油中水分的相对饱和度越大,聚合态和悬浮态的水越多,对应的击穿场强越小[31,32]。降温过程中主体油中相对水分含量增大以及与主体油接触的绝缘纸板表面产生高水分层时,均使得油纸绝缘劣化,严重危及变压器的安全使用。因此电网运维人员需要根据过去历史的降温速率来综合评价目前变压器内部的水分含量对变压器运行的影响,合理地安排运行方式。

3.4 初始水分对水分暂态分布的影响

当变压器绝缘纸板中水分的绝缘浓度为4%以上时,绝缘纸板已严重老化或受潮。因此,综合考虑变压器的实际运行情况,本文分别对比分析了不同初始水分浓度值下,油纸绝缘相间的水分迁移和扩散成果。升温和降温时的四种初始值见表3和表4。

表3 升温研究中20 ℃时的油纸绝缘初始水分浓度Tab.3 Initial moisture content of oil and paper at 20 ℃

表4 降温研究中90 ℃时的油纸绝缘初始水分浓度Tab.4 Initial moisture content of oil and paper at 90 ℃

分别计算出了不同初始条件下以时间常数5.5 h的升温和降温时相间水分迁移的结果,以相间界面处绝缘纸板左边界、油膜右边界以及主体油中水分的绝缘浓度和相对饱和度结果进行比较和分析。图17和图18为升温结果,图19和图20为降温结果。

图17 不同初始值下升温时油纸水分的绝对浓度变化Fig.17 Absolute concentration of water during heating

图18 不同初始值下升温时水分的相对饱和度变化Fig.18 Relative saturation of water at rising temperature

图19 不同初始值下降温时油纸水分的绝对浓度变化Fig.19 Absolute concentration of water at cooling

图20 不同初始值下降温时水分的相对饱和度变化Fig.20 Relative saturation of water during cooling

通过比较不同初始值下油纸相间的水分分布结果,发现油和绝缘纸板中的相间水分分布变化规律基本相同,但初始值越大水分迁移过程越显著。无论初始水分含量多少,升温过程水分迁移过程对绝缘的影响均比较小,而降温过程油膜以及相间边界水分堆积的情况随着初始水分降低而缓解。以降温3,在90 ℃初始条件纸板水分为1.54%,油中水分为70.31 ppm为例。此时由于温度较高,即便油中绝对水分浓度很高,但仍由于大部分水是以溶解态存在的,因此仍然能保持较高的绝缘水平。但是随着温度降低,水分从油向绝缘纸板中迁移,界面处绝缘纸板的水分浓度最大值可达4.3%,在绝缘纸板的界面处发生水分的积聚,在一定程度上降低油浸纸板和变压器油的绝缘性能,诱发局部放电和沿面爬电现象。