电力变压器油纸绝缘老化微观机理及热特性研究

论文摘要

油纸绝缘是大型电力变压器内绝缘的主要组成形式,在温度、电场、氧气、水分等复杂环境的长期作用下逐渐老化,绝缘性能下降,绝缘寿命缩短,引发绝缘事故的可能性增加,降低电网安全运行可靠性。变压器油纸绝缘老化机理研究是绝缘老化状态评估、寿命预测和制定抗老化措施的前提和基础。传统的电气和老化生成物特性的研究很难从机理上对油纸绝缘的老化过程进行解释。油纸绝缘老化不仅与绝缘材料分子结构、聚态结构有关,还与热应力作用下的物理和化学性质有关,因此油纸绝缘老化的微观机理及热特性研究具有重要工程价值和学术意义。温度是油纸绝缘老化的主要因素,本文主要设计了油浸式电力变压器常用的普通牛皮纸和环烷基矿物油复合绝缘在90℃下长达370天的热单因子老化试验。利用FTIR（傅立叶红外光谱）、UV-Vis（紫外-可见光谱）、XRD（X射线衍射）定期测量了不同老化状态的绝缘样品,对比分析了油纸绝缘的官能团和绝缘纸的聚态结构的变化情况,并深入讨论了绝缘纸聚合度下降的动力学过程;最后利用DSC（差示扫描量热）和TG（热重）研究了绝缘纸分子热运动特点和裂解动力学过程并分析了不同老化程度绝缘纸热裂解动力学参数的变化。研究结果表明:①变压器油纸绝缘老化会产生溶解于油中的含C = C共轭基团和C = O生色基团的老化生成物,老化特征基团随老化时间的增加而增加。②绝缘纸在老化过程中,纤维素氢键和糖苷键发生断裂,引起聚合度下降,结晶区遭受破坏,晶粒尺寸减小,导致纤维素分子间作用力减弱,热裂解活化能降低。③老化过程中,绝缘纸纤维素晶体类型不变,聚合度的下降规律符合二阶动力学模型,相对结晶度的变化规律能很好的解释了聚合度的变化规律。④绝缘纸不定形区域中分子链在程序升温过程中出现“玻璃化转变”,但结晶区的氢键没有断裂,不定形区域分子链的热反应活性高于结晶区。⑤绝缘纸的热裂解过程中主裂解阶段在230～380℃,裂解活化能为65～96 kJ /mol。主裂解阶段中,当温度升至330℃时裂解机理发生改变,且低温降解阶段（230～330℃）的活化能小于高温阶段（330～380℃）的活化能。因此利用实验室恒温加速老化试验来模拟变压器绝缘纸的正常老化试验时,试验温度不宜过高。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 课题研究的意义
• 1.2 变压器油纸绝缘老化研究的现状
• 1.2.1 引起油纸绝缘老化的因素
• 1.2.2 油纸绝缘老化机理
• 1.2.3 油纸绝缘老化诊断方法
• 1.3 油绝缘纸老化的微观机理研究现状
• 1.4 绝缘材料热特性研究现状
• 1.5 本文的主要内容
• 2 实验基础及方法
• 2.1 引言
• 2.2 油纸绝缘材料成分及结构性质
• 2.2.1 绝缘油
• 2.2.2 绝缘纸
• 2.3 紫外光谱理论简介及实验方法
• 2.3.1 紫外光谱理论简介
• 2.3.2 实验方法
• 2.4 红外光谱理论简介及实验方法
• 2.4.1 红外光谱理论简介
• 2.4.2 实验方法
• 2.5 X 衍射理论简介及实验方法
• 2.5.1 X 衍射理论简介
• 2.5.2 实验方法
• 2.6 热分析基础简介及实验方法
• 2.6.1 高分子热运动特点
• 2.6.2 高聚物力学状态和热转变
• 2.6.3 实验方法
• 2.7 小结
• 3 油纸绝缘老化的官能团分析
• 3.1 引言
• 3.2 老化试验
• 3.3 绝缘纸聚合度
• 3.4 绝缘纸老化的官能团分析
• 3.5 矿物油老化的官能团分析
• 3.5.1 红外光谱
• 3.5.2 紫外光谱
• 3.6 小结
• 4 绝缘纸老化的聚态结构分析
• 4.1 引言
• 4.2 物相分析
• 4.3 相对结晶度
• 4.4 晶粒尺寸
• 4.5 绝缘纸降解动力学过程及机理
• 4.6 小结
• 5 绝缘纸热特性研究
• 5.1 引言
• 5.2 绝缘纸分子热运动特点
• 5.3 绝缘纸热裂解过程
• 5.3.1 热裂解环境的选取
• 5.3.2 热裂解过程
• 5.4 绝缘纸热裂解动力学
• 5.4.1 动力学方程
• 5.4.2 热裂解动力学过程
• 5.5 小结
• 6 结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A.作者在攻读硕士学位期间发表的论文
• B. 作者在攻读硕士学位期间参与的科研项目