基于核磁共振弛豫谱的变压器油老化检测研究

李晓南1 刘国强1,2,† 张来福3 王志鹏3 丁广鑫1 赵世龙1,4 夏慧1

1. 中国科学院电工研究所工程电磁场及应用技术研究部, 北京 100190; 2. 中国科学院大学, 北京 100049; 3. 国网山西省电力公司电力科学研究院,太原 030001; 4. 河北工业大学电气工程学院, 天津 300401; † 通信作者, E-mail: liuguoqiang@mail.iee.ac.cn

摘要 针对目前常规的变压器油绝缘热老化检测中过程繁杂等问题, 提出一种基于低场核磁共振弛豫时间谱的检测方法。根据油品中烃类化合物在高压放电环境中出现裂解、结构发生改变的原理, 设计变压器油热老化核磁共振横向弛豫谱检测系统。采用自旋回波序列采集油样时域信号回波峰值点, 描述弛豫时间谱反演算法。利用山西省电力公司长治变电站110 kv高压变压器提取的油样(挂网运行年限分别为1, 10和20 年), 进行检测装置性能的验证及测试。结果表明, 在 17.173 MHZ条件下, 该检测方法可以在1分钟内完成一次油样的信号检测与弛豫谱反演,3种油样的弛豫时间峰值分别为203.83, 145.82和 141.95 ms。可以看出, 随着年限的增加, 弛豫时间呈下降的趋势, 表明高温能够导致油品中分子化学键断裂, 析出气体。关键词 核磁共振; 弛豫时间谱; 自旋回波序列; 变压器油; 热老化

Research on Transformer Oil Aging by Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy of Relaxation Time LI Xiaonan1, LIU Guoqiang1,2,†, ZHANG Laifu3, WANG Zhipeng3, DING Guangxin1, ZHAO Shilong1,4, XIA Hui1 1. Research Department of Electromagnetic Field and Applied Technology, Engineering Institute of the Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049; 3. Research Institute of Electric Power Science, Shanxi Electric Power Company, Taiyuan 030001; 4. School of Electrical Engineering, Hebei University of Technology, Tianjin 300401; † Corresponding author, E-mail: liuguoqiang@mail.iee.ac.cn

Abstract According to the limitations of conventional thermal aging detection of transformer oil insulation (not accurate or complicated process), a low field nuclear magnetic resonance relaxation time spectrum detection method is proposed. Based on the principle that hydrocarbon compounds in oil are cracked in high-pressure discharge environment and the molecular structure of hydrogen-containing molecules is changed, a transverse NMR relaxation spectrum detection system for thermal aging of transformer oil is designed. An algorithm for obtaining relaxation time spectrum based on inversion is described by using the peak point of time domain signal of oil samples collected by spin echo sequence. With the oil samples from the 110 kv power station in Changzhi City, the aging factor was detected by the nuclear magnetic resonance relaxation spectroscopy. The oil samples were used for 1, 10 and 20 year, individually. The results show that, in a 17.173 MHZ condition, the relaxation time is 203.83, 145.82 and 141.95 ms, respectively. The detection time is controlled within 1 minute. The decreasing trend of relaxation time indicates that the high temperature causes the breaking of molecular chemical bonds and the precipitation of small hydrocarbon gases. Key word nuclear magnetic resonance; relaxation spectroscopy; pulse sequence of spin echo train; transformer oil; thermal aging

电力系统在国民经济中具有重要的地位, 其运行的安全和稳定是社会生产和人民生活的保障。电力系统变压器是电力网络的心脏, 变压器的正常运行非常重要。在电网运行的安全监测中, 对变压器中绝缘介质——变压器油(transformer oil)的老化状态监控, 是故障预测预报的重要手段。

变压器油是石油的一种分馏产物, 其主要成分是多种碳氢化合物, 包括烷烃、环烷烃以及芳香族

[1–2]不饱和烃等 。变压器油过度受热以后, 其绝缘稳定性呈逐渐下降的趋势, 同时伴随气体产物析出,并溶解于油中或挥发掉。在变电站环境中, 变压器油油样的颜色有时作为热老化程度判断的一个简单依据。但是, 由于现场条件和输配电状态复杂, 存在油品来源和电压等级不同等多种因素, 更可靠的评估方法应采取色谱和光谱等定量分析技术。针对溶解气体的分析技术是基于变压器油中气体种类与设备故障对应关系中的规律, 对故障类型、部位以及程度进行诊断[3–5]。在一般的气体分析技术中, 须先将变压器热老化或者故障产生的气体从油中脱出, 再对脱出气体进行测量, 即分为油气分离与气体测量两个步骤, 不能直接对油中溶解气体进行检测。

目前, 一般都采用色谱分析技术监测油中气体产物的含量和类型, 在气体测量环节研究脱出气体的气相成份, 进而判断变压器内部是否存在过热性故障以及严重的局部放电等。由于色谱法本身的特点, 在故障检测方面还存在一定的局限性。首先,在定量分析时, 需要用标准样品结果对被测气体产生的信号进行标定和校正。在三比值法 (C2H2/C2H4, CH4/H2 和 C2H4/C2H6)[6–7]中, 各种气体针对的是变压器内的油样, 只有当根据气体各组分含量的注意值或气体增长率的注意值判断变压器存在故障时,气体比值法才有效[8–9]。另外, 三比值法中, 实际上可能会出现没有对应比值编码的情况, 加上对故障并发情况的判断能力有限, 不能进一步给出多种不同故障的隶属关系, 因此对故障状态反映不全面。

核磁共振是由人为试验发现的自然界中的一种物理现象, 自旋量子数不为偶数的同位素在外加静磁场条件下出现高频能量的共振吸收与辐射。核磁共振反映的是原子尺度上的一种电磁场变化过程,可以直接获得分子的化学属性, 如化学位移谱(核磁共振波谱, nuclear magnetic resonance spectroscopy, Nmr)和弛豫时间谱(spectroscopy of relaxation time)[10–13]。本文基于核磁共振弛豫谱的变压器油老化程度检测原理, 提出一种针对原位油样相变下的老化状态检测方法。通过分析变压器油中质子自旋体系弛豫时间谱的变化, 直接定性和定量地判断发生的宏观老化情况, 即对含有溶解气的油样品直接进行核磁共振谱分析。

1 变压器油的化学性质

由高压变压器的铁芯和绕组损耗引起发热, 通过绝缘变压器油在设备内部循环流动, 变压器进行热量的疏散[14]。变压器油比热容较大, 吸收热量后体积膨胀, 在管路中形成循环, 并通过其他散热装置将热量散发到空气中。变压器油是一种矿物质油, 其主要碳氢化合物的占比大约为烷烃 60%、环烷烃30%和芳香烃 10%[15], 图1为主要烃类的化学分子结构示意图。完整的油浸式变压器绝缘系统由变压器油和配套绝缘纸组成, 后者的主要成分为纤维素。

这些烃类分子受热后, 经变压器内部强电磁场作用, 会产生一系列化学反应, 表现为包括氢原子状态变化在内的各种分子结构和动力学变化, 从而使得能够利用各种化学分析技术(包括核磁共振)检测到。变压器油的热老化与油品和接触绝缘纸之间都存在一定的关系。油品在含有氧气和水的高温环境中出现热老化, 产生醇、醛等氧化物和酸性产物。在电力系统中, 电气与过热故障造成碳氢键C—H与碳碳键C—C断裂, 析出H2和各种低分子烃类气体[16]。在高电场强度存在的电磁环境中, 离子的撞击运动使油品分子分解产生更多的气体, 加剧局部放电过程。绝缘纸的主要成分为纤维素, 在高温环境中会发生裂解反应, 机械性能变差, 严重时甚至

图 1变压器油主要烃类的化学分子结构Fig. 1 Chemical molecular structure of main hydrocarbon of transformer oil