【摘 要】
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电力变压器是电网系统中能量输送和分配的核心设备,一旦发生故障,会给社会带来不可估计的经济损失以及严重的安全问题。近些年来,因变压器绕组受到绝缘油中腐蚀性硫的影响而引发的输变电设备故障时有发生,受到了国内外众多研究机构的关注。国际大电网组织分别在2005年和2009年成立了专门的工作组来解决这一问题,相关行业还制定了标准严格控制绝缘油中腐蚀性硫的含量,希望从事故源头控制硫腐蚀现象的产生。国内外电网公
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电力变压器是电网系统中能量输送和分配的核心设备,一旦发生故障,会给社会带来不可估计的经济损失以及严重的安全问题。近些年来,因变压器绕组受到绝缘油中腐蚀性硫的影响而引发的输变电设备故障时有发生,受到了国内外众多研究机构的关注。国际大电网组织分别在2005年和2009年成立了专门的工作组来解决这一问题,相关行业还制定了标准严格控制绝缘油中腐蚀性硫的含量,希望从事故源头控制硫腐蚀现象的产生。国内外电网公司均采用向绝缘油中添加金属钝化剂的措施,虽然取得了较好抑制硫腐蚀的效果,但在变压器长期运行过程中,钝化剂会逐渐消耗而失去保护作用,且研究表明,钝化剂产生的杂散气体会溶解于绝缘油中,干扰油中溶解气体的故障诊断结果。经过相关企业和科研机构的研究,腐蚀性硫与绕组的反应机理已得到初步的共识,但至今除了向绝缘油中添加金属钝化剂外还缺乏有效的手段抑制绕组的腐蚀。因此,找到一种新的有效抑制绕组腐蚀的方式,为保障变压器安全,稳定,可靠的运行,具有重要的学术意义和工程价值。晶界特征分布(GBCD)是指对具有中低层错能面心立方的金属,通过合适的形变和热处理工艺,调整金属内部晶界网络结构,从而显著提升金属的抗腐蚀性能。本文正是采用晶界工程技术,通过优化铜绕组生产工艺中形变和热处理参数,调控绕组内部特殊晶界含量及分布,有效提升绕组的抗腐蚀性能。然后探究了晶界特征分布优化后的绕组在不同影响因素及长时间热、电热联合作用下的抗腐蚀性能及其对油纸绝缘的影响。最后分别从电化学(反应动力学)、反应热力学两个不同角度揭示了晶界特征分布优化绕组抗腐蚀机理。通过以上研究论文取得的主要创新性成果有:(1)采用晶界特征分布优化变压器铜绕组,在兼顾绕组导电率及力学性能的前提下,获得了绕组抗腐蚀性能优异的形变和热处理工艺参数。本文以一种典型的变压器用铜绕组为研究对象,探究了绕组形变量、轧制道次、退火温度以及退火时间对绕组晶界特征分布的影响,从而得出经过晶界分布优化后的绕组具有优异的抗腐蚀性能;(2)研究了晶界特征分布优化绕组在不同影响因素下的抗腐蚀性能及其对油纸绝缘特性的影响。对于普通绕组,温度的升高、DBDS浓度的增加、氧气的存在以及电场强度的增大均会加速其腐蚀,绕组及其绝缘纸表面均发现有明显的腐蚀产物沉积,绝缘油及绝缘纸上铜元素含量随影响因素的加强逐渐增多,油纸绝缘性能严重劣化;而优化后的绕组在各影响因素下显示出了良好的抗腐蚀性能,温度的升高、DBDS浓度的增加、氧气的存在以及电场强度的增大并没有加速绕组的腐蚀,绝缘油及绝缘纸上铜元素含量相对较低,使得油纸绝缘性能相对较好;(3)研究了晶界特征分布优化后绕组在长时间热及交、直流电热联合作用下的抗腐蚀性能及其对油纸绝缘特性的影响。试验结果表明,普通绕组在单一热作用下会随着时间的延长腐蚀逐渐加深,且在电热联合尤其是直流电热联合作用下绕组腐蚀更加明显,导致绝缘油和绝缘纸上铜元素含量逐渐增多,油纸绝缘性能急剧降低;优化后的绕组在单一热作用下随腐蚀时间的延长并没有发生明显的腐蚀,即便在直流电热联合作用下依旧没有发生明显腐蚀,具有优异的抗腐蚀性能,绝缘油和绝缘纸上铜元素含量相对较低,油纸绝缘性能受腐蚀影响相对较小,从而保持了较好的电气性能;(4)分别从特殊晶界的分布、反应热力学角度揭示了晶界特征分布优化绕组抗腐蚀的机理。首先,通过电化学腐蚀试验得出优化后的绕组因具有大量特殊晶界不但降低了绕组界面能,还打断了随机晶界网络结构,阻断了绕组的腐蚀通道,从而有效提升了绕组的抗腐蚀性能;然后,通过在不同温度下的腐蚀试验,分别计算了绕组与腐蚀性硫的反应温度与活化能,得出优化后的绕组与腐蚀性硫的反应温度为135.2℃,而普通绕组与腐蚀性硫的反应温度为104.5℃;优化后的绕组反应活化能为32557.62J/mol,普通绕组反应的活化能为9375.61J/mol,优化后的绕组不仅反应温度比普通绕组更高,反应后的活化能也更大,从而表现出更加优异的抗腐蚀性能。
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