淺談變壓器固體絕緣及其老化分析

劉永娟

摘要： 通過對固體絕緣老化診斷方法的對比，得出檢測電力變壓器油中糠醛濃度是評價固體絕緣老化狀態(tài)的有效方法之一，并且通過對油中糠醛含量以及溶解氣體含量的測定對變壓器固體絕緣老化故障進行綜合的診斷。

Abstract： Contrasting the insulation aging diagnosis methods for the detection of solid， it's concluded that the furfural content in transformer oil is one of the effective methods for evaluating solid insulation aging state. And through the determination of furfural content and dissolved gas content in oil， the paper does a comprehensive diagnosis for the fault of solid insulation aging of transformer.

關(guān)鍵詞： 變壓器；絕緣；老化；糠醛；聚合度；色譜分析

Key words： transformer；insulation；aging；furfural；degree of polymerization；chromatographic analysis

中圖分類號：TM215.6 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2014）10-0026-02

0 引言

變壓器是電力系統(tǒng)最重要的電力設(shè)備之一，隨著變壓器運行年限的增加，變壓器絕緣紙將不斷老化，絕緣性能也隨之下降，所以當(dāng)變壓器內(nèi)部故障涉及固體絕緣時，可能發(fā)展成為主絕緣和縱絕緣的擊穿事故。從本質(zhì)上講，固體絕緣材料的壽命就是變壓器的壽命。

1 絕緣紙的老化

油浸紙纖維是電力變壓器的主要絕緣系統(tǒng)，油浸紙纖維全是各種形式的紙（牛皮紙、馬尼拉紙）、紙板或紙的壓力成型件做絕緣的[1]。紙的主要組成是纖維素（C6H10O5）n，纖維素是一種多糖。纖維素的降解過程就是變壓器固體絕緣纖維素大分子老化的過程，主要有以下三種方式：

1.1 水解 纖維配糖鍵在水和酸的作用下會發(fā)生斷裂而產(chǎn)生自由糖，從而導(dǎo)致纖維鏈之間鍵變?nèi)?、鏈斷裂變短而最終生成D-葡萄糖。絕緣紙板中的含水量越多，纖維素水解速度越快。纖維素配糖鍵在變壓器油中酸的作用下降低了破裂的活化能，從而加速了水解速度。

1.2 熱解 將纖維加熱到200℃時，如果存在氧化物和水等就會容易將配糖鍵和葡萄糖鍵打開，從而產(chǎn)生葡萄糖、水分、CO、CO2和有機酸。當(dāng)超過此溫度時還會發(fā)生其他反應(yīng)。變壓器在運行中產(chǎn)生的局部過熱都會引發(fā)纖維的熱解反應(yīng)。

1.3 氧化降解 當(dāng)油面直接與空氣接觸時，由于油中的空氣可以達到10%，因此氧氣成為促使纖維素氧化的因素之一。葡萄糖上的伯醇基易被氧化成醛基，醛基氧化為羧基，而羧基也不穩(wěn)定而易發(fā)生水解。

2 監(jiān)測固體絕緣狀況的方法

由于固體絕緣變化時必然導(dǎo)致電氣、機械和化學(xué)特征的變化，可相應(yīng)的用這些方法檢測絕緣狀況。作為絕緣監(jiān)督的手段，過去國內(nèi)外廣泛的采用直流泄露、絕緣電阻、介損測量、交流耐壓和局部放電等電氣絕緣特性試驗。但是這些實驗共同特點是要求被試設(shè)備停運，很難測出事故發(fā)生前的很小的內(nèi)部故障，雖然局部放電實驗室檢出絕緣局部缺陷的較好方法，但往往受外部干擾，影響檢測的準(zhǔn)確性[2]。根據(jù)絕緣老化產(chǎn)生的水、CO、CO2糠醛等都向油中擴散可以通過測量油中微水含量和油中溶解微量氣體分析（DGA）和糠醛含量來確定固體絕緣狀況，測量只需進行油質(zhì)取樣，方法簡單易行。當(dāng)纖維老化降解時，其強度和聚合度都會發(fā)生變化。因此，檢測這些變化是對固體絕緣狀況進行監(jiān)測最直接的方法。

2.1 CO和CO2方法 由于纖維材料老化和非故障狀態(tài)都會產(chǎn)生CO和CO2，因此，很難判斷其含量是什么原因產(chǎn)生的[1]。因此，IEC599推薦以CO/CO2的比值確定故障與固體絕緣的關(guān)系。認(rèn)為CO/CO2>0.33或<0.09時表示可能有纖維絕緣分解故障的存在。對于隔膜式變壓器，CO/CO2>0.5；對于充氮式變壓器CO/CO2>0.2即可能存在異常。由于這種方法在實際應(yīng)用中也有很大的局限性，因此，這種方法不能直接反映變壓器絕緣老化的程度，僅能作為一種參考。

2.2 聚合度測量 纖維素作為線形分子，一般新紙板的聚合度是1000-1200，當(dāng)聚合度降低后則表現(xiàn)為機械強度的降低，這一點也得到了國內(nèi)外許多學(xué)者試驗和研究的證明，圖1為聚合度和機械強度之間的關(guān)系。目前，國內(nèi)外公認(rèn)的是：當(dāng)平均聚合度降到500時，變壓器整體絕緣處于壽命中期，當(dāng)下降到250時則認(rèn)為絕緣壽命終止。

雖然最能表征絕緣老化程度的指標(biāo)是聚合度，但是由于對運行的變壓器定期取紙樣需要停運吊芯，從而難以實施。此外，聚合度的數(shù)值會隨著取紙樣部位的不同而不同，經(jīng)證明，最佳的取樣部位就是制造廠繞制線圈時標(biāo)注制造年月以及繞制人的標(biāo)號紙。

2.3 油中溶解糠醛分析法 取樣時分析用油量100mL左右即可，允許樣品在無高溫、日照的條件下放置較長時間。一般認(rèn)為，油中糠醛質(zhì)量濃度達到0.5mg·L-1時，變壓器整體絕緣水平處于壽命的中期；達到1-2mg·L-1，變壓器絕緣劣化嚴(yán)重；達到3.5mg·L-1，變壓器絕緣壽命終止。

3 實際案例

我公司某220kV變壓器，型號為SFPSZ9-150000/220，廣州維奧伊林變壓器有限公司生產(chǎn)，油重34.2噸，于2002年4月16日投運，投運后運行狀況良好。2008年4月19日該主變色譜在線裝置報警（C2H4：60.34μL/L），對其進行離線色譜分析發(fā)現(xiàn)C2H4、CO、CO2較歷史數(shù)據(jù)有明顯增長。對其進行長期色譜跟蹤，仍是 C2H4、CO、CO2不斷增長。

與另一臺同一廠家、同一型號、同時投運的變壓器取油樣作對比，發(fā)現(xiàn)這臺變壓器的油質(zhì)顏色較深，色譜分析特征氣體以C2H4、CO、CO2為主，初步判斷涉及固體絕緣的過熱故障。08年12月對其進行糠醛含量測試為0.33mg/L。

變壓器油中的糠醛含量的下限值應(yīng)滿足式（1）

log（f）=-1.65+0.08t （1）

式中f——糠醛含量，（mg·L-1）；t——運行年限。

按其運行7年計算可得出log（f）=-1.65+0.08×7；f=0.08

與糠醛測試數(shù)據(jù)相比較0.08<0.33；說明此糠醛含量已經(jīng)超出下限值，可判斷為非正常絕緣老化。

按DT/596- 1996《電力設(shè)備預(yù)防性試驗規(guī)程》中所規(guī)定的非正常老化及老化嚴(yán)重的限值（見表2），糠醛含量也超出限值。

為避免故障進一步擴大，2009年4月5日停電檢查，現(xiàn)場并沒發(fā)現(xiàn)問題，決定返廠檢查。返廠發(fā)現(xiàn)，在高壓線圈B相上部，由于靜電屏與高壓線圈第一餅之間局部過熱而發(fā)生絕緣紙老化，尤其在墊塊地方呈發(fā)黑現(xiàn)象，但是在第一餅和第二餅之間墊塊沒有此現(xiàn)象。由于高壓B相靜電屏絕緣包扎不緊密，從而使得一部分油流沒有按照設(shè)計要求流動，從而導(dǎo)致這部分溫度慢慢變高而影響下部幾餅。

4 結(jié)論

運行后的變壓器，經(jīng)過長期的熱效應(yīng)積累使得繞組絕緣膨脹，因此，原本統(tǒng)包的絕緣窄油道變窄，冷卻油速度變慢，因此，不能夠充分帶走繞組的熱量，繞組絕緣紙受熱后會析出各種有機氣體和糠醛，經(jīng)證明，變壓器存在非正常絕緣老化的現(xiàn)象。

對變壓器油中溶解的氣體進行分析不僅對檢測變壓器的各種故障具有重要作用，并且，對油中糠醛含量和絕緣紙的聚合度進行測試也是診斷變壓器老化的重要手段。在對變壓器的絕緣狀況進行檢測以及診斷故障的時候一定要堅持綜合分析的原則，對某一臺變壓器的運行狀態(tài)、故障歷史、檢修歷史以及電氣試驗和色譜縫隙等資料進行綜合的分析，力求得出正確的結(jié)論。

參考文獻：

[1]電力行業(yè)油、氣分析檢驗人員考核委員會.電力用油（氣）. 國家電力公司熱工研究院.

[2]操敦奎編著.變壓器油中氣體分析診斷與故障檢查[M].中國電力出版社，2005.

[3]朱祖清.絕緣油介損及體積電阻率一體化測試系統(tǒng)研究[D].福州大學(xué)，2004.

與另一臺同一廠家、同一型號、同時投運的變壓器取油樣作對比，發(fā)現(xiàn)這臺變壓器的油質(zhì)顏色較深，色譜分析特征氣體以C2H4、CO、CO2為主，初步判斷涉及固體絕緣的過熱故障。08年12月對其進行糠醛含量測試為0.33mg/L。

變壓器油中的糠醛含量的下限值應(yīng)滿足式（1）

log（f）=-1.65+0.08t （1）

式中f——糠醛含量，（mg·L-1）；t——運行年限。

按其運行7年計算可得出log（f）=-1.65+0.08×7；f=0.08

與糠醛測試數(shù)據(jù)相比較0.08<0.33；說明此糠醛含量已經(jīng)超出下限值，可判斷為非正常絕緣老化。

按DT/596- 1996《電力設(shè)備預(yù)防性試驗規(guī)程》中所規(guī)定的非正常老化及老化嚴(yán)重的限值（見表2），糠醛含量也超出限值。

為避免故障進一步擴大，2009年4月5日停電檢查，現(xiàn)場并沒發(fā)現(xiàn)問題，決定返廠檢查。返廠發(fā)現(xiàn)，在高壓線圈B相上部，由于靜電屏與高壓線圈第一餅之間局部過熱而發(fā)生絕緣紙老化，尤其在墊塊地方呈發(fā)黑現(xiàn)象，但是在第一餅和第二餅之間墊塊沒有此現(xiàn)象。由于高壓B相靜電屏絕緣包扎不緊密，從而使得一部分油流沒有按照設(shè)計要求流動，從而導(dǎo)致這部分溫度慢慢變高而影響下部幾餅。

4 結(jié)論

運行后的變壓器，經(jīng)過長期的熱效應(yīng)積累使得繞組絕緣膨脹，因此，原本統(tǒng)包的絕緣窄油道變窄，冷卻油速度變慢，因此，不能夠充分帶走繞組的熱量，繞組絕緣紙受熱后會析出各種有機氣體和糠醛，經(jīng)證明，變壓器存在非正常絕緣老化的現(xiàn)象。

對變壓器油中溶解的氣體進行分析不僅對檢測變壓器的各種故障具有重要作用，并且，對油中糠醛含量和絕緣紙的聚合度進行測試也是診斷變壓器老化的重要手段。在對變壓器的絕緣狀況進行檢測以及診斷故障的時候一定要堅持綜合分析的原則，對某一臺變壓器的運行狀態(tài)、故障歷史、檢修歷史以及電氣試驗和色譜縫隙等資料進行綜合的分析，力求得出正確的結(jié)論。

參考文獻：

[1]電力行業(yè)油、氣分析檢驗人員考核委員會.電力用油（氣）. 國家電力公司熱工研究院.

[2]操敦奎編著.變壓器油中氣體分析診斷與故障檢查[M].中國電力出版社，2005.

[3]朱祖清.絕緣油介損及體積電阻率一體化測試系統(tǒng)研究[D].福州大學(xué)，2004.

與另一臺同一廠家、同一型號、同時投運的變壓器取油樣作對比，發(fā)現(xiàn)這臺變壓器的油質(zhì)顏色較深，色譜分析特征氣體以C2H4、CO、CO2為主，初步判斷涉及固體絕緣的過熱故障。08年12月對其進行糠醛含量測試為0.33mg/L。

變壓器油中的糠醛含量的下限值應(yīng)滿足式（1）

log（f）=-1.65+0.08t （1）

式中f——糠醛含量，（mg·L-1）；t——運行年限。

按其運行7年計算可得出log（f）=-1.65+0.08×7；f=0.08

與糠醛測試數(shù)據(jù)相比較0.08<0.33；說明此糠醛含量已經(jīng)超出下限值，可判斷為非正常絕緣老化。

按DT/596- 1996《電力設(shè)備預(yù)防性試驗規(guī)程》中所規(guī)定的非正常老化及老化嚴(yán)重的限值（見表2），糠醛含量也超出限值。

為避免故障進一步擴大，2009年4月5日停電檢查，現(xiàn)場并沒發(fā)現(xiàn)問題，決定返廠檢查。返廠發(fā)現(xiàn)，在高壓線圈B相上部，由于靜電屏與高壓線圈第一餅之間局部過熱而發(fā)生絕緣紙老化，尤其在墊塊地方呈發(fā)黑現(xiàn)象，但是在第一餅和第二餅之間墊塊沒有此現(xiàn)象。由于高壓B相靜電屏絕緣包扎不緊密，從而使得一部分油流沒有按照設(shè)計要求流動，從而導(dǎo)致這部分溫度慢慢變高而影響下部幾餅。

4 結(jié)論

運行后的變壓器，經(jīng)過長期的熱效應(yīng)積累使得繞組絕緣膨脹，因此，原本統(tǒng)包的絕緣窄油道變窄，冷卻油速度變慢，因此，不能夠充分帶走繞組的熱量，繞組絕緣紙受熱后會析出各種有機氣體和糠醛，經(jīng)證明，變壓器存在非正常絕緣老化的現(xiàn)象。

對變壓器油中溶解的氣體進行分析不僅對檢測變壓器的各種故障具有重要作用，并且，對油中糠醛含量和絕緣紙的聚合度進行測試也是診斷變壓器老化的重要手段。在對變壓器的絕緣狀況進行檢測以及診斷故障的時候一定要堅持綜合分析的原則，對某一臺變壓器的運行狀態(tài)、故障歷史、檢修歷史以及電氣試驗和色譜縫隙等資料進行綜合的分析，力求得出正確的結(jié)論。

參考文獻：

[1]電力行業(yè)油、氣分析檢驗人員考核委員會.電力用油（氣）. 國家電力公司熱工研究院.

[2]操敦奎編著.變壓器油中氣體分析診斷與故障檢查[M].中國電力出版社，2005.

[3]朱祖清.絕緣油介損及體積電阻率一體化測試系統(tǒng)研究[D].福州大學(xué)，2004.