變壓器絕緣老化診斷技術

王松林

（浙江省寧波電業局，浙江 寧波 315010）

安全、優質的供電是對現代電力系統運行的基本要求。隨著電網容量的逐步擴大及用戶對電能質量要求的不斷提高，電力系統能否安全可靠地運行受到極大的關注。據統計在 1981－1990 年間，我國主要電網有近 1/3 的電網事故的直接起因是設備故障損壞所造成的，而在“八五”期間，由設備故障直接引發的電網事故占事故總量的 26.3%，可見提高設備的運行可靠性是保證電力系統安全運行的關鍵。

大型電力變壓器、互感器、充油電力電纜等油浸式高壓電氣設備是電力系統中的主要設備，擔負著系統電能傳遞、測量等重要任務。其中，變壓器是各種高壓電器設備中最重要的設備，是電網中能量轉換、傳輸的核心，是國民經濟中各行各業和千家萬戶能量來源的必經之路，也是變電站的核心設備，它的運行狀況直接關系到系統的安全運行，由于大型電力變壓器的造價十分昂貴，所以變壓器故障造成的損失是巨大的。如某地區在1997年發生的一起110kV變壓器因絕緣故障起火事故，直接損失費用達300萬，加上停電引起的間接損失達到了600多萬元，再加上其他的社會效益，損失將會是更高[1-4]。

運行中，盡管避雷器、差動、接地等多重保護在大型電力變壓器中得到廣泛運用，但由于變壓器內部結構復雜、電場及熱場不均等諸多因素的影響，事故率仍然很高。并且大量的文獻[5-8]表明，導致電力設備失效的大多數原因是其絕緣性能的劣化，變壓器絕緣老化將導致變壓器承受線路涌流、雷擊的能力下降，極易在外因觸發下發生放電，直至絕緣擊穿發生故障，從而影響變壓器的正常運行。變壓器的絕緣分為內絕緣和外絕緣，外絕緣主要是指油箱以外的空氣絕緣，內絕緣包括套管絕緣、繞組絕緣、引線及分接線開關絕緣。內部絕緣從結構上又分為縱絕緣和主絕緣。縱絕緣指同一繞組的不同匝間、層間、段間、引線間、分接開關各部分的絕緣，主要絕緣材料是包在導線上的紙帶，匝間、段間的墊塊和油道等。繞組主絕緣是一種油－紙屏障的結構，由作為覆蓋層纏在導線上的絕緣紙帶、油道、放在導體和接地體間油道中的絕緣紙板所構成。可見變壓器中主要絕緣材料是油和紙，它在長時間運行中由于受到電場、水分、溫度、機械力的作用下會逐漸劣化，最后引起故障而導致變壓器壽命的終結。

多年來國內大型變壓器的運行、試驗以及事故分析表明：由于設計、制造、安裝和運行中造成的缺陷，在電、熱、機械等應力的聯合作用下逐漸發展、并最終導致絕緣失效。目前，電網中運行的變壓器有一批已接近或超過 30 年，絕緣壽命已進入晚期，有的曾發生絕緣故障。因此，如能在電力變壓器的運行過程中通過必要的監測和試驗手段有效地確定其絕緣狀態，對減少事故的發生、提高設備的運行可靠性具有重要意義。

近年來，隨著計算機技術的飛速發展，變壓器故障診斷技術得到快速的發展，但對于絕緣老化程度的評估一直沒有行之有效的方法。IECC57.91[9]等規程中以變壓器最熱點溫度作為固體絕緣壽命損失率的計算標準，由于變壓器內部是一個復雜的絕緣系統，不同部位承受的老化應力水平各不相同，所以難以通過單一的老化模型進行描述。而通過研究油紙溶解氣體、糠醛、丙酮、水分、酸值等絕緣老化特征生成物含量隨絕緣老化變化規律，挖掘出能有效表征絕緣老化程度的特征信息，建立用于評判絕緣老化狀態的綜合評估模型，從而實現不停電、不吊芯評判絕緣狀態及壽命預測，這無疑是一項具有重要現實意義和學術價值的基礎性前沿科學問題。

1 變壓器油紙絕緣老化機理

1.1 變壓器油的老化機理

變壓器油是由烷烴、環烷烴、芳香烴等碳氫化合物組成的混合物。在正常溫度下，變壓器油不會發生熱分解，其老化主要是由氧化導致。油中吸收的氧在水分、溫度作用下加速老化，生成醇、醛、酮等氧化物及酸性化合物，并最終析出油泥。油氧化反應形成少量的CO和CO2，隨著運行中氣體的積累，CO和CO2往往成為油中溶解氣體中的主要組分，同時還伴隨有少量H2和低分子烴類氣體。這些烴類氣體的迅速增加是在非正常的油溫下產生的，因為電和熱故障可以使某些C-H鍵和C-C鍵斷裂，伴隨生成少量活潑的氫原子和不穩定的碳氫化合物的自由基，這些氫原子或自由基通過復雜的化學反應迅速重新化合，形成氫氣和低分子烴類氣體（如CH4、C2H6、C2H4、C2H2等）；隨著不同故障能量和時間的作用也可能生成碳氫聚合物（X-蠟）及固體碳粒[10]。

1.2 固體絕緣的老化機理

變壓器固體絕緣的主要材料是絕緣紙（紙板），紙的主要成份是纖維素，纖維素是由長鏈的糖和單糖構成的有機物。變壓器固體絕緣纖維素大分子老化過程即纖維素的降解過程，主要有三種方式：①水解。水和酸使得纖維素中的配糖鍵斷裂，生成自由的糖，使纖維素的聚合度降低，使纖維變弱，縮短。絕緣紙板中含的水分越多，纖維素水解的速度越快；同時，變壓器油中的酸起著觸媒的作用，能夠降低纖維素配糖鍵斷裂的活化能，加速水解的反應速度。②熱解。纖維素加熱至 200℃時，如有氧化物、水等存在就易于打開配糖鍵和葡萄糖鏈，反應生成物包括葡萄糖、水分、CO、CO2和有機酸等。絕緣的老化，即纖維結構鏈的斷裂速度，主要取決于熱點溫度。③氧化降解。纖維素容易被氧化，氧與纖維素分子里的碳原子反應生成醛類和羧酸，同時產成水、CO、CO2等。氧氣是促使纖維素氧化的原因之一，葡萄糖上的伯醇基（-CH2OH）很容易被氧化生成醛基，醛基再氧化生成羧基，羧基不穩定，容易發生水解[11-12]。

2 變壓器老化診斷方法

2.1 油中溶解氣體

變壓器在運行中因受溫度、電場、氧氣和水分的影響和銅、鐵等材料的催化作用，油紙絕緣發生氧化、裂解和碳化等反應，生成某些氧化產物及其縮合物（油泥），產生氫及低分子烴類氣體和固體X臘等。在外界游離因素作用下，部分油分子被裂解成游離基。游離基是極其活潑的基團，與油中氧作用生成更活潑的過氧化游離基，過氧化基繼續對烴類作用，生成過氧化氫物，過氧化氫物極不穩定，可分解成過氧化游離基和羥基，使氧化反應繼續下去。變壓器油一旦開始劣化，即使外界不供給能量也能把以游離基為活化中心的鏈式反應自動持續下去，而且反應速度越來越快。并最終生成醇（ROH）、醛（RCOR）、酮（RCOR）、有機酸（RCOOH）等中間氧化物，并生成H2O、CO2及H2和碳鏈較短的低分子烴類[13]。當變壓器油受高電場能量的作用時，即使溫度較低，也會分解產氣。在場強為130kV/cm作用下，變壓器油在25～30℃時也會產生低分子烴類氣體。

同時，固體絕緣的老化也是變壓器油中溶解氣體的主要來源。油紙絕緣包括絕緣紙、絕緣紙板等，其主要成分是纖維素。紙、層壓板或木塊等固體絕緣材料分子內含有大量的無水左旋糖環和弱的C-O鍵及葡萄糖苷鍵，它們的熱穩定性比油中的碳氫鍵要弱，并能在較低的溫度下重新化合。聚合物裂解的有效溫度高于105℃，完全裂解和碳化高于300℃，在生成水的同時，生成大量的CO和CO2及少量烴類氣體和呋喃化合物，同時油被氧化。CO和CO2的生成不僅隨溫度升高而加快，而且隨油中氧的含量和紙的濕度增大而增加。纖維素熱分解的氣體組分主要是CO、CO2、CH4、C2H4等[13]。

2.2 油中糠醛

1984年12屆國際大電網會議上，英國學者首先提出油中糠醛可作為運行變壓器內絕緣紙老化的特征產物，檢測絕緣油中的糠醛含量，也可以判斷電氣體絕緣材料劣化程度。從此，國內外許多科技工作者進行了大量關于糠醛與變壓器油紙絕緣老化理論及試驗研究的相關工作。大量的理論分析和實驗室研究結果均表明[14-15]，變壓器油中糠醛的產生僅僅來自于絕緣紙的老化分解。然而對于糠醛的形成機理，卻仍然沒有一種令人信服的理論。主要有三種觀點：①纖維素熱降解形成的左旋葡聚糖，是糠醛產生的主要來源；②在纖維素老化過程中，生成左旋葡聚糖的葡萄糖基陽離子也可反應直接形成糠醛；③纖維素水解亦可以形成糠醛，纖維素水解形成糠醛。

然而，在變壓器常規運行溫度 60～150℃下，通過左旋葡聚糖產生糠醛并不是糠醛形成的主要途徑，纖維素水解反應才是糠醛形成的主要原因。另外，纖維素絕緣紙中半纖維素的數量和類型也是影響糠醛形成的重要原因，因為半纖維素降解將產生更多的糠醛，同時其熱穩定性較差，可能最先發生反應從而形成糠醛；同時，酸性條件能夠促進糠醛的產生，在酸催化熱老化條件下，糠醛的生成量約為在中性條件下的3倍。

這樣，當變壓器絕緣發生老化時，油紙系統就會包含一定量的糠醛，由于糠醛在油分子的運動與擴散遵循菲克定律，其在運行中的變壓器油中近似為均勻分布。因而，利用高效液相色譜法對糠醛進行定量檢測，其含量的多少就間接反映了變壓器油紙絕緣的老化程度，對診斷油紙絕緣老化狀態有重要意義。

2.3 絕緣紙聚合度

變壓器在運行過程中，受溫度、電場、水分、氧氣、酸等因素的影響，絕緣紙纖維素發生熱降解、水解降解、氧化降解等反應，導致連接葡萄糖分子間的糖苷鍵發生斷裂，纖維素分子鏈長度逐漸縮短，機械及電氣性能劣化，絕緣紙聚合度降低，成為威脅電網穩定運行的重大隱患。多年的運行經驗表明：變壓器絕緣故障的主要原因是由于絕緣紙機械故障導致的電擊穿。老化對絕緣紙機械性能的影響遠大于其對電氣性能的作用，即使在嚴重老化的情況下，其電氣性能也不會發生顯著變化。絕緣紙的機械強度取決于纖維素的強度以及纖維間化學鍵結合的強度。通常，拉伸強度是絕緣紙機械性能最為直觀的反映，但是由于其在測試過程中分散性過大，需要樣品數量多，而使測試絕緣聚合度成為反映絕緣機械性能的更為合理的選擇。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 50%，這意味著絕緣紙機械性能的完全喪失[16]。

2.4 變壓器油酸值

從變壓器油中所測得的酸值，是無機酸和有機酸的總和。無機酸主要來自新油的煉制過程中，是因操作不當而殘留下來的。通常情況下，電力用油都經過精制，一般不存在無機酸，所測得的酸值幾乎都為有機酸，主要是環烷酸，另外還有在油品儲運時因氧化而生成的酸性物質。在運行油中，酸值的來源主要是油質氧化產生的酸性物質，如低分子的甲酸、乙酸、高分子的脂肪酸、環烷酸、羥基酸等。一般情況下，運行油的酸值隨運行時間的延長而增加，這除了油品的自身因素外，還受外界條件如油品溫度、油品添加劑、油中水分、油品中微生物等因素的影響。另外，纖維素降解也會導致酸的產生[17]。變壓器油與氧有較強的親和作用，在水分、銅鐵等導線材料的催化作用下，以及外界加速因素（溫度、電場、機械應力等）的影響下，變壓器油的氧化是一個必然的過程。隨著油品氧化程度的加深，油中會含有各種酸和酸性物質，它們是一類極性物質，能使水保持乳化狀態，因而會提高油品的導電性，降低油的絕緣性能。尤其是油中含有較多低分子量的水溶性酸，在油中水分存在時，會降低設備的電絕緣水平。油中的酸性物質還會使設備構件中所使用的銅、鐵、鋁等金屬材料腐蝕，而所生成的金屬鹽又是油進一步氧化反應的加速劑，更加速了油的氧化過程。而油本身也是油氧化的加速劑，使油氧化產生更多的酸。

2.5 變壓器油水分

變壓器在運行過程中，油紙絕緣系統逐漸老化，油和絕緣紙因老化產生的水分也開始積聚。變壓器中的水分主要聚集在絕緣紙（板）和變壓器油中，它會使絕緣電阻降低、介質損耗因數增加。局放起始電壓和擊穿強度也隨絕緣系統含水量增加而急劇下降，對設備運行構成威脅，嚴重時還會釀成放電擊穿事故。Lundgaard 等[17]認為：當纖維素或木聚糖（木漿中的主要半纖維素）發生酸水解致使其單體間的鏈接發生斷裂時，每斷鍵一次便消耗一個水分子。然而，當絕緣系統中水分含量較低的時候，尤其是當環境溫度超過100℃時，單體間糖苷鍵在發生酸水解時就伴隨著快速的酸致脫水反應，導致從每個單體糖單元中釋放出三個水分子，從而，每次斷鍵便凈產生二個水分子。因此，由老化產生水分的主要來源[18]有：①纖維素分子鏈降解反應時產生水分，而且一旦水分從纖維分子中釋放出來，這些水又會加速這一降解過程，從而產生更多的水分，所以纖維素的降解反應初始階段是以“加速方式”進行的，直到油紙絕緣壽命后期，反應才趨于平緩；②變壓器油高分子氧化裂解時產生水分；③其他有機聚合高分子絕緣件、結構件，其油中內表面涂層氧化、裂解時可能產生的水分。絕緣油和紙自產生的這些水分將按當時的溫度環境進行轉移分配，從而實現增量后油紙系統水分分配。除此之外，變壓器制造時內部殘留的水分、運行時外部浸入的水分亦是導致變壓器油中水分含量上升的原因。

2.6 變壓器油紙老化診斷新技術

除上述已經發展并應用于現場的成熟診斷技術外，近年來出現了很多以化學和電特征量的診斷新技術：新化學方法有X 射線光電子能譜法等：Saha等指出在老化的過程中，與變壓器油直接接觸的絕緣紙表面經歷著顏色的改變，尤其是當老化樣品直接暴露在空氣中的情況下。X 射線光電子能譜法（XPS）的分析顯示，老化樣品的表面聚集了大量的碳氧成份，其可能來源于與絕緣紙接觸的油的氧化。這些烴類物質即使在經過多次溶劑的洗滌后依然停留在絕緣紙表面，揭示了油的降解產物與絕緣紙可能存在化學力的作用。紫外-可見光光譜、傅立葉變換紅外光譜、近紅外光譜也被應用到絕緣紙老化的特性研究中，基于譜圖的吸收特性，一種變壓器健康狀態在線評估的新技術正在形成[19-20]。

新的電診斷方法是基于電介質理論的介質響應測量技術，簡單地講，就是將整個油紙絕緣系統看成一個電路網絡，可以由集中參數電路的電阻、電容等來表示，對該系統施加不同的激勵電源，測量通過該激勵源整個電網路輸出的響應，不同的老化系統有不同的響應特征。按照施加激勵源的不同又可分為時域介電響應（直流激勵電源）和頻域介電響應（正弦激勵電源），其中有代表性的三種技術有時域回復電壓測量，極化去極化電流測量和頻域的介電譜技術，這些技術在國外發展已經相當成熟甚至有現場應用報道[21]，但由于國內變壓器運行年限均不是很高，在國內的研究較少見，但有望成為未來診斷技術的發展方向和重點。

3 結論

全文回顧了進幾十年來國內外變壓器油紙絕緣老化的機理及診斷技術發展，總結了一些傳統檢測項目的測試方法及注意問題，同時介紹了最近幾年來最新的老化診斷技術，如介質相應測量變壓器繞組等新型電診斷測試技術，作為絕緣電阻和介質損耗測量的重要補充和發展，有望成為今后發展的方向。

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