油浸式電力變壓器固體絕緣剩余壽命探討

顧春陽

(上海電機學院,上海 201306)

油浸式電力變壓器固體絕緣剩余壽命探討

顧春陽

(上海電機學院,上海 201306)

變壓器是電力系統的重要組成部分,其運行效果在很大程度上決定了系統運行穩定性與可靠性,但是基于變壓器持續不間斷的運行特點,必須要做好對其服務壽命的研究,尤其是固體絕緣剩余壽命的管理,爭取有效提高變壓器綜合服務效果。本文對油浸式電力變壓器固體絕緣老化機理進行了分析,并對其絕緣剩余壽命管理措施進行了簡要探討。

油浸式變壓器 固體絕緣 剩余壽命

電力變壓器是電網進行與運行的重要保障，關系著整個電力系統運行安全性與穩定性。電力變壓器在應用時具有持續不間斷的運行特點，固體絕緣受損比較嚴重，尤其是針對部分投入早期的設備，基本上已經超出設計壽命。這樣為提高設備運行效率，就需要從固體絕緣老化機理出發進行研究，并選擇有效的措施來適當的延長構件服務年限，延長其剩余壽命，提高電網運行穩定性與經濟性。

1 電力變壓器老化機理分析

對于油浸式電力變壓器來說，其運行時主要是利用油-紙絕緣結構，由絕緣油、紙板以及絕緣紙等組成，在運行時絕緣油通過脫氣、過濾以及換油等方式來對絕緣性進行優化，這樣在變壓器運行過程中，就可以對絕緣油進行再生與更換，最終由固體絕緣決定了變壓器的剩余壽命。從實際情況來看，變壓器基本上均處于高壓環境下長期不間斷運行，勢必會造成固體絕緣的逐漸老化，進而會影響到設備運行效率。油浸式電力變壓器固體絕緣老化即纖維素降解的過程，包括熱解降解、水解降解以及氧化降解等方式[1]。為延長變壓器使用壽命，在實驗室通過加速老化試驗來對多種因素下絕緣材料老化過程進行研究，并由此來推出正常電壓與環境作用下老化壽命，有針對性的采取措施來延長固體絕緣服務時間。

2 影響油浸式電力變壓器固體絕緣剩余壽命因素分析

2.1 溫濕度

變壓器運行環境比較特殊，溫濕度均會對固體絕緣老化速度造成影響，對于油浸式變壓器來說，基本上都是采用的A級絕緣，在常規運行環境中允許運行溫度為65℃，當溫度超過80℃后每升高6℃，將會加倍固體絕緣的老化，縮短變壓器剩余壽命[2]。而對于濕度來說，水分越多使得紙纖維講解速度越快，急速降低機械強度，對紙絕緣構件影響比較大。為降低濕度對紙絕緣的影響，需要提前對其進行干燥與浸油處理，并且要保持密封狀態，以免潮氣進入破壞機械內部干燥環境。因此，要做好對變壓器運行環境的控制，將溫濕度均控制在允許的范圍內，以免溫濕度過高加快固體絕緣的老化。

2.2 負載

變壓器運行散熱與負載能力如何，在根本上決定了變壓器的工作溫度，如果此環節出現問題，將會導致設備運行溫度升高，進而會加速固體絕緣的老化。目前社會發展對電力需求不斷增大，使得很多變壓器長期處于過負載運行狀態，同樣會加快固體絕緣老化速度，縮短設備剩余壽命。因此，為延長電力變壓器剩余壽命，必須要適當控制其運行負載，避免長期超負荷運行，降低此因素對設備服務壽命的影響。

2.3 短路電流

如果變壓器在運行時出現短路故障，則短路電流沖擊作用會造成變壓器引線位移，或者繞組變形，使得絕緣距離發生變化。如果處理不及時，還會造成繞組與絕緣機構機械性能降低，對固體絕緣造成損傷，降低繞組承受短路電流的能力。因此，在變壓器運行時要不定期進行巡邏檢修，檢查各線路的完整性與運行穩定性，減小短路故障的發生概率。并且在巡檢過程中一旦發現短路故障，要及時進行處理，并對損壞的固體絕緣構件進行更換，保證變壓器能夠正常運行。

2.4 過電壓

大氣過電壓具有幅值高、波頭陡等特點，會對變壓器主絕緣與縱絕緣產生較大的影響，尤其是對于首端繞組電位來說，梯度大會受到大于沖擊電壓的高電壓，不但會造成固體絕緣損壞，甚至還會出現放電問題。另外，操作過電壓波頭相對平緩，在絕緣上的電壓分布相對均勻，很有可能會導致主絕緣與相間絕緣劣化。而對于暫時過電壓來說，其持續的時間比較長，會致使絕緣構件溫度升高，在油紙絕緣內部出現電離故障。過電壓是影響油浸式電力變壓器固體結緣構件老化的主要因素，同時在控制上難度也比較大，在電網運行過程中必須要加強對此方面因素的重視，針對不同的過電壓影響特點，來選擇相對應的處理措施，降低其對設備運行造成的影響，延長變壓器剩余壽命。

3 油浸式電力變壓器剩余壽命評估技術分析

3.1 紙絕緣聚合度檢測法

紙絕緣是油浸式電力變壓器固體絕緣重要組成部分，所謂的聚合度即一個纖維素大分子包含的重讀結構單元數量，即D-吡喃型葡萄糖基數量。當纖維素分子聚合度降低后，分子鏈長度會縮短，分子之間作用力降低，紙絕緣機械強度減小。一般情況下新的紙絕緣聚合度為1000～1200范圍，當聚合度降低到500時，絕緣為壽命中期階段，當降低到250時則會導致機械強度大幅度降低，降低到150左右時，紙絕緣將喪失全部機械強度[3]。經過試驗分析可得，紙絕緣聚合度會隨著溫度的增加減小，在確定變壓器剩余壽命時，就可以根據紙絕緣聚合度老化與裂解參數來判斷，一般可以直接選取紙樣故障部位老化程度進行分析。

3.2 糠醛含量檢測法

在油浸式變壓器紙絕緣老化時，會將纖維素降解來生成部分D-葡萄糖單糖，但是因為其穩定性低，極容易分解成氧化雜環化合物，糠醛為其中一種，并且只有由紙絕緣或者紙板等纖維素材料降解產生。因此，在判斷變壓器剩余壽命時，可以通過對油中糠醛含量變化的測定分析，來確定當前變壓器固體絕緣老化狀態與運行趨勢。一般情況下，當油中糠醛濃度達到0.5mg/L時，就需要采取一定的措施進行處理，對紙絕緣聚合度做更進一步的檢測分析，通過多方面的綜合分析診斷，來確定變壓器的剩余壽命與運行狀態。

3.3 介質響應分析檢測法

3.3.1 恢復電壓法

如下圖1所示，將開關S1閉合后，直流電壓Uc將會作用于絕緣系統，經過充電時間tc后，將開關S1打開，并閉合開關S2，在較短短時間td內進行短路放電操作，其中td＜tc。然后將開關S1打開，則剩余的被極化電荷將會逐漸返回到自由狀態，造成絕緣系統兩端電壓升高，升高達到峰值狀態后持續下降到零值，整個過程即為恢復電壓。對于油浸式電力變壓器固體絕緣剩余壽命的分析，就可以采取此種形式，將恢復電壓峰值Umax、恢復電壓峰值時間tmax以及起始斜率S作為判斷油紙絕緣系統老化與受潮狀態的分析依據。

恢復電壓峰值與電介質極化率之間成正比例關系，恢復電壓起始斜率與電介質電導率成正比例關系，對于電力變壓器來說，隨著絕緣紙中含水量的不斷升高，將會在油紙界面產生更多的束縛電荷，相應的也就會產生更為明顯的極化現象，導致系統電導率增加，恢復電壓峰值升高以及峰值時間縮短。

3.3.2 極化去極化電流法

如圖2所示，閉合開關S1，將直流電壓Uc施加于高壓繞組與低壓繞組之間，則變壓器絕緣中就會產生極化電流ipol，公式為：

其中，f(t)表示絕緣介質響應函數，C、γ以及ε表示絕緣介質幾何電容、直流電導率以及相對介電常數。

f(t)為單調減函數，在充電時間tc足夠長時，極化電流將會達到穩定狀態，大小取值受絕緣介質直流電導率決定，當t＜100s時，油電導率為主要影響因素，電導率越高則極化電流越大。在t＞1000s以后，變壓器固體絕緣內水分將會對極化電流產生影響，即水分含量越高則電流越大。極化完成后將開關S1斷開，并合并開關S2，絕緣介質會被電流表進行短時間的短接，并產生負向反極化電流idepol，公式為：

其中，tc表示施加直流電壓充電時間，在變壓器絕緣介質被充分極化后，極化電流將會與介質相應函數成正比相關，這樣就可以利用電流變化來對固體絕緣介質受潮與老化情況進行判斷，確定變壓器固體絕緣剩余壽命。

4 結語

固體絕緣老化程度決定了油浸式電力變壓器剩余服務壽命，為延長設備使用年限，就需要對影響固體絕緣老化的因素進行分析，通過合理的方式來檢測診斷設備剩余壽命，并在此基礎上有針對性的選擇優化措施，降低固體絕緣的老化，延長設備服務年限。

[1]林朝暉.油浸式電力變壓器固體絕緣剩余壽命研究[D].西華大學, 2010.

[2]林朝暉,張彼德,黃鵬飛,林麗琴.油浸式變壓器固體絕緣診斷及剩余壽命預測[J].高壓電器,2010,09:71-73.

[3]王偉,曲文韜,楊承龍,馮新巖.油浸式電力變壓器固體絕緣老化檢測技術的應用[J].電氣技術,2010,10:39-42.