電力變壓器油紙絕緣熱老化現(xiàn)象的研究

張文吉

摘 要：油紙絕緣是電力變壓器內(nèi)部絕緣的主要形式。分析了電力變壓器油紙絕緣的熱老化現(xiàn)象，闡述了影響油紙絕緣熱老化現(xiàn)象的各類因素，總結(jié)了油紙絕緣熱老化現(xiàn)象的電氣特征量，討論了電力變壓器油紙絕緣熱老化現(xiàn)象的機理，以期通過油紙絕緣的熱老化程度有效判斷電力變壓器的故障部位，從而保證電網(wǎng)的安全運行。

關(guān)鍵詞：電力變壓器；油紙絕緣；熱老化現(xiàn)象；電氣特征量

中圖分類號：TM855 文獻標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.06.126

電力變壓器是變配電的核心裝置，也是電網(wǎng)運行中最關(guān)鍵的設(shè)備之一，其穩(wěn)定性直接影響著電網(wǎng)的安全運行。油紙絕緣是電力變壓器內(nèi)部絕緣的主要形式。如果油紙絕緣出現(xiàn)熱老化現(xiàn)象，則會導(dǎo)致電力變壓器發(fā)生故障，縮短電力變壓器的使用壽命，進而對整個電網(wǎng)的安全運行造成影響。因此，本文對電力變壓器油紙絕緣的熱老化現(xiàn)象進行了研究，以期為相關(guān)單位查找電力變壓器的運行故障提供幫助，避免引發(fā)更大的電力故障。

1 電力變壓器油紙絕緣的熱老化機理

1.1 絕緣油的老化機理

電力變壓器的絕緣油主要由烷烴、環(huán)烷烴等碳氫化合物組成。該物質(zhì)在電弧和局部過熱的情況下，會出現(xiàn)碳氫鍵斷裂或碳碳鍵斷裂的現(xiàn)象，斷裂的碳原子和氫原子通過復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)會重新組合在一起，形成氫氣或低分子的烴氣。這種現(xiàn)象會隨著過熱時間的推移形成大量的碳氫聚合物，進而造成絕緣油熱老化。

1.2 絕緣紙的老化機理

絕緣紙的主要成分為纖維素，變壓器絕緣紙的熱老化是指纖維素出現(xiàn)了降解現(xiàn)象。絕緣紙的老化方式有3種：①水解老化。絕緣紙接觸到的水分越多，纖維素的水解速度就越快，進而導(dǎo)致絕緣紙老化。②如果變壓器的溫度過高，則會導(dǎo)致纖維素中的糖鍵斷裂，出現(xiàn)纖維素解體的現(xiàn)象，進而造成絕緣紙熱老化。③氧化作用會使纖維素末端的游離羧基出現(xiàn)氧化還原反應(yīng)，導(dǎo)致羧基狀態(tài)不穩(wěn)定，出現(xiàn)水解現(xiàn)象，最終造成絕緣紙老化。

2 油紙絕緣熱老化的影響因素

2.1 溫度

溫度是影響電力變壓器油紙絕緣老化的主要原因，溫度越高則油紙絕緣的穩(wěn)定性就越低。比如，當(dāng)溫度超過100 ℃時，纖維素會出現(xiàn)降解現(xiàn)象，并產(chǎn)生大量的水和二氧化碳，經(jīng)過一段時間后，絕緣紙將難以發(fā)揮應(yīng)有的作用，并逐漸變脆，進而出現(xiàn)老化現(xiàn)象。此外，熱降解也會使絕緣油中的碳氫鍵、碳氧鍵斷裂，進而出現(xiàn)老化現(xiàn)象。

在運行過程中，電力變壓器的溫度會不斷升高，導(dǎo)致油紙絕緣的使用壽命逐漸縮短。由此可見，溫度是影響電力變壓器油紙絕緣老化的主要因素。

2.2 電場

電場會使變壓器的絕緣結(jié)構(gòu)出現(xiàn)變化，進而導(dǎo)致油紙絕緣出現(xiàn)老化現(xiàn)象。具體而言，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(dāng)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(jié)構(gòu)，出現(xiàn)有機物分子結(jié)構(gòu)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(dǎo)致老化速度變快。

2.3 水分

水分是影響變壓器油紙絕緣老化的重要因素之一。在變壓器運行的過程中，絕緣油會吸附一定的水分，隨著溫度的升高，其吸附水分的能力逐漸提升。而油紙絕緣的纖維素只有少部分能形成固定的氫鍵，剩余部分的羥基全部以游離狀態(tài)存在。在水分子增多的情況下，纖維素的水解穩(wěn)定性會逐漸降低，最終加快纖維素的降解速度，導(dǎo)致油紙絕緣的老化速度加快。

2.4 氧氣

氧氣對油紙絕緣的影響與水分相似。絕緣紙中的纖維素接觸氧氣后會出現(xiàn)氧化降解現(xiàn)象，進而導(dǎo)致絕緣紙的末端離子形成氧化纖維素，最終加快絕緣油的氧化速度。與氧氣接觸后，絕緣油的降解速度將提高約2.5倍。如果變壓器中有銅存在，則能減緩油紙絕緣的老化速度，這是因為銅可以消耗絕緣油中的氧氣。此外，變壓器內(nèi)部也存在一定的氧氣，這些氧氣會加快油紙絕緣的老化速度。

2.5 酸

酸可以改變變壓器油紙絕緣中水分的分配比例，從而提高絕緣油的溶解度。此外，酸與水分可協(xié)同作用，共同加快油紙絕緣的老化速度。

除了上述影響變壓器油紙絕緣老化的因素外，光、微生物、機械應(yīng)力等也會對油紙絕緣的老化造成影響。

3 油紙絕緣熱老化的診斷方法

3.1 電氣診斷法

對于電氣診斷法而言，主要是對變壓器絕緣紙的擊穿強度、局部放電情況、介質(zhì)損耗等進行檢測，從而準(zhǔn)確判斷電力變壓器油紙絕緣的老化情況。

3.1.1 局部放電法

局部放電是引發(fā)變壓器油紙絕緣老化的主要原因，而利用局部放電法可檢測油紙絕緣的老化狀態(tài)。具體而言，采用該方法會對油紙絕緣進行局部放電處理，根據(jù)放電量畫出油紙絕緣的放電相位圖，并根據(jù)圖譜中放電相位的變化規(guī)律判斷電力變壓器油紙絕緣的老化程度。此外，對比放電前、后油紙絕緣的能量分布圖，并提取油紙絕緣的特征參數(shù)，可有效分析變壓器油紙絕緣的老化狀態(tài)，但局部放電特征只能作為油紙絕緣老化診斷的補充方法。

3.1.2 介電響應(yīng)法

介電響應(yīng)法是檢測變壓器油紙絕緣老化的新方法，其利用介電響應(yīng)的參數(shù)判斷油紙絕緣的老化狀態(tài)。隨著油紙絕緣老化程度的加深，介電響應(yīng)的電壓值會逐漸增大，從而可判斷油紙絕緣熱老化的真實狀態(tài)。這種方法比局部放電法的檢測精度更高，且能反映出變壓器絕緣的真實狀況。

3.2 物理化學(xué)診斷法

油紙絕緣在老化的過程中，其性能會逐漸降低。在此情況下，可通過分析油紙絕緣的拉伸強度、聚合度、油中溶解的氣體、糖醛含量來判斷油紙絕緣的熱老化程度，從而及時采取有效的處理措施，降低變壓器事故的發(fā)生概率。

3.2.1 拉伸強度

通過拉伸強度可判斷絕緣紙的使用壽命。在油紙絕緣老化的過程中，當(dāng)絕緣紙的拉伸強度降低至初始強度的1/5時，絕緣紙會完全失效。由于絕緣紙的褶皺會影響檢測結(jié)果，所以，可檢測絕緣紙的聚合度，從而判斷絕緣紙的老化程度。

3.2.2 聚合度

聚合度能反映絕緣紙的老化程度。如果絕緣紙的基準(zhǔn)聚合度為1 000，使用一段時間后降至500，則表明絕緣紙已進入老化中期。在測量絕緣紙的聚合度時，測量溫度的差異會導(dǎo)致聚合度存在差異，進而影響油紙絕緣熱老化的檢測精度。

3.2.3 絕緣油中的溶解氣體和糖醛含量

絕緣油中的溶解氣體會加快絕緣油的降解速度。因此，通過檢測絕緣油中的溶解氣體，可判斷絕緣油的老化程度。由于變壓器的結(jié)構(gòu)和絕緣油的比例會對檢測結(jié)果造成一定的影響，所以，不能只以溶解氣體作為判斷變壓器油紙絕緣熱老化程度的依據(jù)。

此外，油紙絕緣在熱老化的過程中會產(chǎn)生糖醛。因此，可將糖醛與聚合度、拉伸強度等數(shù)據(jù)聯(lián)系起來，分析其線性變化關(guān)系，從而判斷油紙絕緣的熱老化程度。這種方法能直觀地顯示出油紙絕緣的熱老化速度。

4 結(jié)束語

本文總結(jié)了影響電力變壓器油紙絕緣熱老化的因素，分析了油紙絕緣熱老化的機理，提出了診斷電力變壓器油紙絕緣熱老化的方法。通過油紙絕緣的熱老化程度，可判斷其使用壽命，從而采取有效的應(yīng)對措施，避免引發(fā)更大的電力故障。

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〔編輯：張思楠〕