电力变压器绝缘老化产物的研究

电力变压器绝缘老化产物的研究

于鲜莉

内蒙古电力科学研究院，内蒙古呼和浩特 010020

摘要：电力变压器绝缘老化研究主要是检测和分析油中糠醛含量、绝缘纸聚合度及油中一氧化碳和二氧化碳气体含量。许多学者对变压器老化的特征量和测量手段以及基于特征量的寿命预测方法进行了大量的研究，并取得了一定成效。

关键词：变压器；绝缘老化；产物研究；

引言

电力变压器寿命主要决定于绝缘系统，变压器绝缘主要由液体绝缘和固绝缘组成，也就是矿物油和绝缘纸或纸板构成的复合绝缘组成，绝缘纸的绝缘材料构成成分是纤维。因此，变压器的运行年限是由纤维素运行质量和运行油质来判断。研究纤维素降解所生成的产物和油中溶解气体对保障电力变压器等充油设备可靠运行具有重大意义。

1绝缘老化分析

1）影响变压器寿命的因素

变压器内绝缘主要由矿物油和绝缘纸或纸板形成的绝缘组成，在长期运行中会受到热、光或磁等物理、化学作用，导致绝缘的电气和机械性能下降而形成老化；绝缘油经过长期使用，油的体积电阻率系数和总酸值等虽然会发生较大的变化，但油的老化问题可以通过净化或再生处理甚至换新油手段来解决，不是影响变压器绝缘寿命的主要因素。而纤维纸劣化后引起的性能下降则是不可逆转的，是决定变压器绝缘寿命的关键因素。

2）绝缘纸成分组成

绝缘纸、绝缘纸板是以木浆为主原料，以纤维素为主要组成、木质素为辅助组成。因此，变压器常用的普通牛皮纸纤维素成分约占 90%，半纤维素占 6%～7%，木质素占 3%～4%。纤维素是天然的高分子聚合物，在变压器长期运行中，内部发生复杂的化学与物理变化将导致性能逐渐劣化。

3）绝缘老化的形式

绝缘材料受到外界环境因素的影响，进而导致一系列的化学、物理变化，造成机械和电气性能降低，这个过程称为绝缘纸的绝缘老化。

电老化：在油纸结构中，绝缘纸纤维间的孔隙被油浸渍，在出厂过程中就会存在一些微观尺度甚至宏观尺度的气隙缺陷。当外电场达到气隙的起始放电电压时，就会引起局部放电，破坏绝缘纸的原始结构，大大降低它的绝缘性能。

热老化：绝缘纸在高温环境下会产生热裂解、氧化裂解等化学反应，导致自身的机械性和电气性能下降。经实验证明：温度每升高 10℃ 则绝缘寿命约降低50％。热老化实际是有聚合链分解作用的氧化效应，本质为一种化学反应，遵循1nL=1nA+B/T方程。其中，A、B 分别是由老化反应所决定的常数，L为绝缘寿命，T为绝对温度 。这些理论论证了绝缘纸的绝缘寿命和温度的关系。

机械力老化：运行中的变压器，绝缘纸会受到各种力的同时作用，绝缘纸受到的机械力来自于机械作用力、温度突变和电场力等。当绝缘纸受到机械力作用后，力学性能发生不可逆降低直至产生裂痕或气隙导致局部放电。

水分促进老化：水分对绝缘纸的影响在于它可以直接参与纤维素的降解反应，加速绝缘纸的降解老化。纤维素分子链降解的同时又产生一部分水，这部分水又加速纤维素的降解，恶性循环，同时，水分会使绝缘纸的电导率增加，介质损耗增大，绝缘纸的击穿强度急剧下降，加速了绝缘纸的绝缘老化。

绝缘纸的绝缘老化并不是单个因素的老化，往往受到多个因素的同时作用。因此，要想探究绝缘纸绝缘老化的规律，就需要在多种组合因素的的共同作用下深入研究。

2 老化产物检测

1）　抗张强度和聚合度检测

检测缘纸的抗张强度是估算其绝缘老化程度最直接的方法。以下是两组试验数据：

表
一：绝缘纸老化14 d抗张强度测定

表二：绝缘纸在153℃时抗张强度测定

绝
缘纸的抗张强度随老化温度的升高和老化时间的延长而降低，通过研究测定绝缘纸的抗张强度可估算它的老化程度。

聚合度也是直接表征绝缘纸老化程度的指标，20 世纪 70 年代经科学家们研究发现：当聚合度下降至 50％的时候，绝缘纸的抗张强度下降比较缓慢，此后便急剧下降。在不同的老化温度下，抗张强度随聚合度降低而下降的趋势大致相同。

研究绝缘纸的抗张强度和聚合度估算其绝缘老化的方法属于破坏性试验，已经逐渐被在线检测方法所取代。

2）油中溶解气体含量测定

绝缘纸在老化降解的过程中会释放出 CO 和 CO2气体 ，通过测定溶解在油中的这两种气体的含量来评价绝缘纸老化情况具有一定的参考价值 。

《变压器油中溶解气体分析和判断导则》中推荐以mCO/ CO2m 比值作为判断绝缘故障的依据。该比值如果大于 0.33 或者小于 0.99，即表明可能存在绝缘纸绝缘故障。

3）油中糠醛产物测定

运行中变压器，纤维素降解除了产生 CO 和 CO2 外，还产生具有呋喃结构的物质 ，主要是糠醛。糠醛沸点高，在变压器油中很少逸散，因此利用高效液相色谱 测定绝缘油中的糠醛浓度来判断绝缘纸的绝缘老化程度已成为主要的方法。

我国 《电力设备预防性试验》中详细规定了非正常老化和严重老化的糠醛含量限值，当油中糠醛含量达到 0.5 mg/L 时，变压器的整体绝缘水平处于其寿命中期；而当糠醛含量大于 4 mg/L 时，整体绝缘水平处于寿命晚期。

4）新型技术研究

近年来随着新技术的发展，出现了利用凝胶渗透色谱法 (GPC) 分析绝缘纸的分子质量和分布形态、利用傅里叶变换红外和近红外光谱法评估绝缘纸绝缘状况的方法。

结论

国内外学者对绝缘老化进行了诸多的研究，一是依靠分析油中糠醛、油中含气量等参量在老化过程中的变化情况，反映绝缘纸的老化状况。另外就是直接测量纸的聚合度、拉伸强度等参数，基于变压器油中CO与CO₂含量得到科学综合评估法。

参考文献：

GB/T 29305-2012《新的和老化后的纤维素电气绝缘材料粘均聚合度的测量》

[2]路长柏.电力变压器绝缘技术