固體絕緣老化診斷技術研究現(xiàn)狀

孫啟林，江 沄，王倩倩

（1.廣州供電局有限公司，廣東廣州510620；2.廣州武高電力科技有限公司，廣東廣州510663；3.廣州電力設計院，廣東廣州510610）

固體絕緣老化診斷技術研究現(xiàn)狀

孫啟林1，江 沄2，王倩倩3

（1.廣州供電局有限公司，廣東廣州510620；2.廣州武高電力科技有限公司，廣東廣州510663；3.廣州電力設計院，廣東廣州510610）

變壓器是電力系統(tǒng)的核心裝置。研究表明，雖然受到諸多內(nèi)外因素的影響，但變壓器的壽命主要還是由油紙絕緣結構的老化決定，所以，固體絕緣材料的老化診斷對變壓器具有重要意義。本文對目前的老化診斷技術及其發(fā)展趨勢進行了分析，為今后研究提供了方向。

固體絕緣老化；絕緣紙；老化機理；評估方法

1 前言

大型電力變壓器主要采用油紙絕緣，由絕緣油和絕緣紙組成。目前，大型變壓器使用壽命通常為為30年左右，但是，變壓器油紙絕緣系統(tǒng)在長期運行中受到溫度、水分、氧氣等各種因素的影響而不斷老化，其中絕緣油的老化可以進行更換或者再處理以提高其絕緣性能，而絕緣紙的老化不可恢復且不易更換，因而，判斷變壓器固體絕緣（絕緣紙）的老化狀態(tài)對于保證變壓器的安全運行意義重大。

2 變壓器固體絕緣老化機理

2.1 熱老化

絕緣紙的主要成分是由α-D-葡萄吡喃糖聚合而成的纖維素，由于其聚合鍵能較低，因此遇到高溫時，會發(fā)生斷鏈等反應，從而使聚合度降低。這就絕緣紙的熱老化反應。

1954年，Mc Burney通過研究纖維素的水解反應，得出整個過程可分為兩部分：質子加成的快速過程，質子轉移形成帶正電荷聚合物及其與H2O反應生成水合氫離子的慢速過程。其中，質子在反應中起催化作用。

2.2 氧化降解

纖維素容易被氧化，氧與纖維素分子里的碳原子發(fā)生反應，生成醛類和羧酸，同時產(chǎn)成水、CO、CO2等。當油面直接和空氣接觸時，氧氣是促使纖維素氧化的原因之一。

2.3 酸性水解

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，從而導致纖維鏈之間鍵變?nèi)酢㈡湐嗔炎兌潭罱K生成D-葡萄糖。在變壓器內(nèi)部，油紙氧化會產(chǎn)生一定量的酸，使整個變壓器內(nèi)部環(huán)境呈弱酸性，酸會降低破裂活化能，加快纖維素的水解速率。盡管濃度很低，但由于長時間處于該環(huán)境，絕緣紙還是受到其催化作用影響。因此，絕緣紙板中的含水量越多，纖維素水解速度越快。

2.4 電老化

電老化是指在外加高電壓或強電場作用下發(fā)生的老化。電場會使變壓器的絕緣結構出現(xiàn)變化，進而導致油紙絕緣出現(xiàn)老化現(xiàn)象。具體而言，是由于變壓器內(nèi)部存在氣隙，加之電場對變壓器局部的放電會不斷累積。當累積到一定程度時，電子會發(fā)生混亂現(xiàn)象，產(chǎn)生大量的自由電子在整個電場中加速運動，破壞有機物的結構，出現(xiàn)有機物分子結構解體現(xiàn)象，進而出現(xiàn)老化現(xiàn)象。此外，電場會使油紙絕緣的降解速度加快，進而導致老化速度變快。由于固體絕緣材料無法復原，所以最終必然導致?lián)舸?，但一般情況下影響較小。

3 固體絕緣老化診斷技術

常見的固體絕緣老化診斷方法主要包括：絕緣紙抗張強度測試、聚合度測試、糠醛含量檢測、CO和CO2的檢測等。

3.1 抗張強度測試

抗張強度（Tensile Strength）用于表示單位面積的破碎力。Montsinger等人研究表明：當絕緣紙的抗張強度下降到初始值的50%甚至更低時，可認為變壓器的壽命終止。但由于其樣品不易獲取，且測試結果受取樣的影響較大，同時對原有的絕緣系統(tǒng)會造成一定程度的損傷。因此，在現(xiàn)場運行的變壓器中不具有太高的應用價值。

3.2 聚合度測量

在變壓器固體絕緣老化的過程中，絕緣紙機械性能的改變遠大于其電氣性能的改變，即使老化嚴重，電氣性能也不會發(fā)生顯著改變。而絕緣紙的機械強度主要取決于纖維素的強度以及纖維間化學鍵結合的強度。因此，可以通過測量聚合度來判斷絕緣紙的老化程度。

實驗表明，新紙的聚合度約為1000～1300，當其降為初始值的25%時，其拉伸強度約為初始值的一半，這意味著絕緣紙機械性能的完全喪失。

聚合度測量是用烏別洛特粘度計測定紙溶液的粘度，由此計算出粘均聚合度（DPv）。紙溶液的制備有紙溶解于乙酸乙脂中和紙溶解于銅乙二胺中兩種方法。實際所測定的聚合度為平均聚合度。

2015年，李潔等[1]研究表明，絕緣紙老化產(chǎn)物和聚合度之間有非常密切的關系，具體的結論為：在不同溫度下，絕緣紙聚合度下降速度增加，分解產(chǎn)物濃度增加；聚合度與分解產(chǎn)物濃度之間具有一定關系。二者結合能更準確地判斷判斷油紙絕緣老化狀態(tài)。

聚合度實驗準確度高（2%），能從本質上揭示了絕緣材料的老化程度，即使是極度老化的材料仍有效。但其需要停電吊芯取樣，且溫度的差異會導致不同部位的劣化情況不一致，從而使聚合度的數(shù)值差異較大。

3.3 糠醛含量檢測

20世紀70年代末，在分析2臺400/22kV發(fā)電機變壓器的事故原因時，檢測到溶解在油中的以糠醛為主的呋喃類化合物，并發(fā)現(xiàn)變壓器油中糠醛僅僅來自于絕緣紙等纖維素材料的老化分解，而與變壓器油無關，由此開始了基于糠醛分析的固體絕緣診斷方法的研究。該方法可以在變壓器不停運情況下測樣，比較方便。

2002年，尚勇[2]加速老化的試驗結果表明，糠醛含量的常用對數(shù)與絕緣紙的平均聚合度之間是高度線性相關的。其線性擬合方程為：lg（Furan）=1.065-0.0027DP。

2012年，李志成等[3]研究得出。變壓器油中糠醛含量與變壓器運行年限有關，糠醛含量只有在運行一定期限后才開始隨時間的延長而增大。在正常情況下，變壓器油中糠醛含量在0.5mg/L以下，若超過了0.5mg/L，則變壓器可能存在輕微老化；若超過1.0mg/L，則可能發(fā)生比較嚴重的老化現(xiàn)象。

3.3.1 高效液相色譜法測糠醛

高效液相色譜是色譜法的一個重要分支，以液體為流動相，采用高壓輸液系統(tǒng)，將具有不同極性的單一溶劑或不同比例的混合溶劑、緩沖液等流動相泵入裝有固定相的色譜柱，在柱內(nèi)各成分被分離后，進入檢測器進行檢測，從而實現(xiàn)對試樣的分析。

2006年，劉文山等[4]利用高效液相色譜法測糠醛含量。實驗表明，如果變壓器較長時間內(nèi)沒有進行過油處理，則糠醛的質量濃度取對數(shù)后與聚合度之間有較好的線性關系。但相對低的糠醛含量并不一定預示著變壓器具有較大的絕緣裕度，因為油處理會影響絕緣油中糠醛的含量，發(fā)生在絕緣薄弱處的局部故障也會造成很大危險。

2011年，陳潔等[5]實驗表明，高效液相色譜測定糠醛含量的方法準確度高、重復性好。重復性實驗中，相對標準偏差RSD=0.98%；而配置不同濃度糠醛油標準液，按上述方法測定，回收率為90～110%。

3.3.2 萃取比色法測糠醛

比色法（colorimetry）通過比較或測量有色物質溶液顏色深度來確定待測組分含量。根據(jù)糠醛在水中有較大溶解度的特點，采用通過水做萃取劑萃取提純和富集絕緣油中的糠醛，以醋酸苯胺為顯色劑，直接加人被試油樣中，通過分光光度計在波長520mm處比色檢測來定量測定油中糠醛含量。即先配制糠醛標準色階，繪制出糠醛含量—最大吸光度圖，再把油樣蒸餾萃取后比色，用記錄的最大吸光度在圖上計算出它的含量。該方法抗干擾能力強、操作簡便、配置低廉，更適合在基層單位使用。

3.3.3 分光光度法測糠醛

分光光度法是通過測定被測物質在特定波長處或一定波長范圍內(nèi)光的吸光度或發(fā)光強度，對該物質進行定性和定量分析的方法。

1992年，楊鳳梧等[6]根據(jù)醋酸苯胺與糠醛作用縮合成紅色化合物的特征，在λ=518nm處比色測定煉油廢水中糠醛含量，糠醛比色測定上限為3.0mg/L，最低檢出濃度為0.3mg/L。1997年許漢英[7]以及2013年孫紹暉[8]也分別在白酒和生物質水解液中利用分光光度法測糠醛。該方法簡便直觀、快速和易于操作且便宜。但是，若糠醛久置后顏色后逐漸加深，就會對檢測結果造成較大的影響。

3.4 CO、CO2濃度檢測

由于固體絕緣老化會產(chǎn)生CO及CO2氣體，可以通過檢測二者含量的大小來對絕緣老化程度進行判斷。對于同一臺變壓器，其結構參數(shù)是固定的，影響油中CO、CO2含量的因素相對穩(wěn)定，當發(fā)現(xiàn)CO、CO2在原有基礎上快速增長時，往往預示著固體絕緣老化程度嚴重。除此之外，還可根據(jù)CO2/CO比值診斷固體絕緣老化，或利用mL（CO2+CO）/g（紙）診斷變壓器絕緣壽命。

利用CO、CO2含量評估固體絕緣整體老化具有不需另取樣，不增加試驗成本等優(yōu)點。但不確定因素多，表現(xiàn)在油中CO和CO2含量一般沒有嚴格的界限，規(guī)律也不明顯。這主要是由于從空氣中吸收的CO2、絕緣紙老化及油的長期氧化形成的CO和CO2的基值過高造成的，且油中的氣體還會泄漏出去。另外，變壓器油進行濾油處理后也會造成影響。這些都將影響紙絕緣老化程度的判斷。

3.5 其他方法

2011年，吳靜等利用離子色譜儀對變壓器油進行分析檢測，確定絕緣老化產(chǎn)生的糖分物質為巖藻糖和核糖，證實利用糖分作為變壓器固體絕緣老化判據(jù)的可行性，為判斷變壓器固體絕緣老化提供了新的思路。

2006年，楊啟平等[8]提出利用變壓器極化/去極化電流測量法評估固體絕緣老化程度，由于絕緣材料的極化特性隨絕緣狀況而變化，可根據(jù)極化特性實現(xiàn)無創(chuàng)傷監(jiān)測絕緣狀況。該方法抗干擾性能好，便于現(xiàn)場測試。

2015年，林智勇等[9]利用回復電壓法評估固體絕緣老化程度。該方法將微觀、復雜的油紙絕緣變壓器老化現(xiàn)象等效為宏觀、簡單的等效電路來分析，能更直觀、準確地判斷油紙絕緣變壓器老化狀況。

4 結論與展望

變壓器運行過程中，固體絕緣材料會在熱的作用下，發(fā)生分子裂解等化學反應。絕緣紙作為其中重要的絕緣材料，最主要的組成成分是纖維素。因此，絕緣紙的老化過程就是纖維素的降解過程，它是由水解、氧化裂解、光化學裂解、熱裂解、微生物分解等多種外界因素和多種降解過程綜合作用的結果，但起主要作用的是水解、氧化降解和熱降解三種方式。正常情況下，電老化可忽略不計。

常見的固體絕緣老化診斷方法主要包括：絕緣紙抗張強度測試、聚合度測試、糠醛含量檢測、CO/CO2檢測等。各種診斷方法都有自己的優(yōu)缺點，選擇合適的方法是未來固體絕緣老化研究的重要課題。同時，老化產(chǎn)物多種多樣，還可以開發(fā)出更多具有前景的評估方法。

[1]李 潔，侯英灑，趙建利.變壓器油紙絕緣老化產(chǎn)物與聚合度的關系研究[J].科學技術與工程，2015，33：186～189+206.

[2]尚 勇，董 明，趙文彬，嚴 璋.油浸電力變壓器固體絕緣老化的診斷[J].變壓器，2002，12：35～39.

[3]李志成，王應高，鄭朝輝，邢小玲.油中糠醛含量與固體絕緣材料老化關系研究[J].變壓器，2012，09：48～50.

[4]劉文山，何 冰，鄭曉光.變壓器油中糠醛含量與固體絕緣老化關系的研究[J].廣東電力，2006，03：14～17.

[5]陳 潔，趙 晨，烏日娜.變壓器油中糠醛含量的檢測方法及其對變壓器固體絕緣材料老化的判定[J].內(nèi)蒙古電力技術，2011，03：19～21.

[6]楊鳳梧，李世偉.廢水中糠醛的比色測定[J].環(huán)境科學，1992，06：80～83+88～97.

[7]許漢英，趙曉君.分光光度法測定白酒中的糠醛[J].應用化學，1997，03：87～89.

[8]楊啟平，薛五德，藍之達.變壓器絕緣老化評估技術的研究[J].變壓器，2006，05：1～5.

[9]林智勇，蔡金錠.變壓器油紙絕緣老化診斷方法研究[J].電力科學與技術學報，2015，03：102～108.

TM76

A

2095-2066（2016）36-0099-02

2016-12-12

孫啟林（1984-），男，山東泰安人，工程師，本科，主要從事電網(wǎng)規(guī)劃工作。

江 沄（1987-），男，湖北隨州人，本科，主要從事配網(wǎng)一次設備研發(fā)類工作。