淺析油浸式變壓器的老化和壽命評估

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摘要：在電力行業為了保證變壓器的正常運行，要準確的評估電力變壓器的老化速度以及剩余壽命，本文以變壓器絕緣老化機理為基礎原理，并參考了近年國內外相關的研究，對油浸式變壓器的老化以及壽命評估進行了深入的分析和研究，以供同仁參考。

關鍵詞：油浸式變壓器；老化；壽命評估

經濟的發展促進了電力行業的發展，目前在我國伴隨著電網裝機容量的迅速增長，電力行業對于供電的安全以及可靠性有了越來越高的要求。變壓器是核電站電力輸出的重大、關鍵設備之一。目前我國核電站主變主要使用的是超高壓、大容量的油浸式大型電力變壓器。油浸式電力變壓器的一般設計壽命為30 年，實際運行壽命一 般為20～40 年，在實際工作中，油浸式變壓器的安全運行以及使用壽命都是由變壓器的絕緣老化程度所直接影響并決定的，一般的，變壓器油在變壓器正常工作運行中可以進行再生或更換，所以油浸式變壓器的老化以及使用壽命主要是取決于絕緣紙板以及實際的使用狀況。因此要評估和預 測主變的設計壽期以延長設計壽期內能否安全、可靠 運行，首先要對它的老化與壽命狀態進行實時的監測與評估，這樣能夠保證變壓器的正常運行。

一、變壓器老化壽命評估的意義

電力工業的迅猛發展對電力系統的安全運行以及供電可靠性提出了更高的要求。電力系統中最重要的就是電力變壓器的運行，可以說它是系統運行的關鍵，它的運行狀況直接關系到系統能否安全運行，它是電網中能量轉換、傳輸的核心，在電力系統中處于極其重要的地位。一旦大型的電力變壓器在正常運行時發生事故，可能會導致大面積停電，其檢修期一般也需要半年左右。因此，由于電力變壓器自身的昂貴造價以及其在電力系統中的重要地位，其發生事故所帶來的直接間接損失將是非常巨大的。變壓器作為輸變電系統中最關鍵和昂貴設備，其運行安全可靠性對于用戶來說是非常重要的。目前世界上有很多變壓器已經運行到了其設計壽命終點，而且要更換的成本是非常昂貴，但其中也有一些變壓器本身狀況卻非常好并且可以繼續運行很多年，因此判斷變壓器老化狀況并以次對變壓器壽命進行評估將會對電力部門起到非常關鍵作用。

根據國內外電力行業的運行經驗，電壓等級越高、容量越大，電力變壓器的故障率一般也就越高，并且修復時間也就越長。所以，保證變壓器的安全運行對電力系統具有非常重大的意義。目前使用最廣泛的電力變壓器分為油浸式變壓器以及干式樹脂變壓器兩種，其中油浸式變壓器占電力系統中運行的變壓器大多數。電力變壓器的絕緣系統的安全可靠，是變壓器正常工作運行的基本條件，絕緣材料的壽命對變壓器的使用壽命起決定作用。

二、油浸式變壓器的老化方式及評估方法

在變壓器運行一段時間后，在運行過程中由于電場，水分，溫度以及機械力等諸多的外界作用會加速變壓器絕緣體的老化速度，目前我國的變壓器絕緣材料的聚合度是判斷變壓器絕緣老化程度的最重要依據。在實際工作中，在實際工作中主要是以絕緣紙板的平均聚合度為標準來判斷變壓器老化程度，目前我們采用的是以下標準：

絕緣紙平均聚合度的評價標準

分類壽命級危險級

平均DP< 450< 250

1）壽命級的指標 當變壓器的外部發生短路現象時，絕緣紙的承受拉伸強度會有所降低，直至初始值的 60%；而危險級是指變壓器的最大拉伸強度降低至初始值的15%。

2）絕緣紙纖維的 DP 失效概率具體標準如下：

①DP≥450，失效概率 =0；②450 > DP≥250，失效概率 =（450 - DP）/ 200；③250 > DP，失效概率 =1。

3）用平均 DP 估算變壓器的剩余壽命即nL/ n0=（1 - r）L，其中 n0為平均 DP 起始值；nL為L后的平均 DP；L為年數，a；r 是平均 DP 下降率。

三、固體絕緣結構以及其老化機理

油浸式變壓器的固體絕緣紙屬于纖維素絕緣材料，實際應用的絕緣材料主要是由90%的Q纖維素以及10%的半纖維素，再加之少量的木質素等材料所共同構成的。這其中纖維素是由2000左右的葡萄糖單體所組成的長鏈狀高聚物，它的結構大約是70%的結晶部分以及30% 的無定型部分；材料中的半纖維素是葡萄糖單體低于200的聚合物，它的組成因素主要是氫鍵以及纖維素纖維的結合體，為多糖構成，而這種成分對于變壓器的機械強度有很大的影響。木質素是較為復雜的酚類聚合物，它的分子量大約為11000，主要是由肉桂醇立體聚合而成，其具體結構因 來源不同而各異。在實際情況中一旦葡萄糖單體聚合物的聚合度值低于200，就會影響機械的正常運行，難以達到電氣絕緣強度的實際要求，因此極度老化導致絕緣紙壽命終止的聚合度應約為150～200。絕緣紙化過程中，其聚合度和抗拉強度將逐漸降低，并生成水分、CO、C02、氫氣等特征氣體，以及糠醛等特征老化產物，從而降低體積電阻率以及抗拉強度，導致介損增大。

在實際工作中，固體紙絕緣會發生不同程度的不可逆轉的老化，就會直接影響機械和以及電氣強度的運行，的降低都是不可恢復的。變壓器的使用壽命主要取決于絕緣材料的壽命，因此油浸變壓器的固體絕緣材料，既應該具有良好的電氣絕緣性能和機械強度，并且應該在長時間運行過程中，這些性能保持較慢的下降速度，即具有良好的老化特性。

四、油浸式變壓器結構材料的老化特性與可維修性

大型電力變壓器普遍采用油紙絕緣結構，而固體絕緣具有不可恢復的老化特性，其性能狀態對變壓器的運行壽命及維護策略有著決定性的影響。

機械設備及機械零件在有形老化的影響下，會出現明顯的機械故障。根據機械設備的使用與維修特點，總結機械故障的基本規律，分析機械故障的基本特性，有利于正確選擇機械設備的維修方式。

目前，油紙絕緣結構在大型電力變壓器的設計和生產中得到了普遍的應用，在運行過程中一直受到電、熱、機械及化學等應力的作用，性能不斷劣化，容易引發非計劃性停電甚至災難性的事故。絕緣油可以在變壓器服役期間通過濾油或更換的方式來改善其絕緣性能，而變壓器紙板具有不可逆轉的老化特性，因此變壓器的壽命很大程度上取決于絕緣紙板等固體絕緣材料的電氣和機械性能。

目前變壓器的絕緣主要是利用油紙進行絕緣，也就是將絕緣紙浸漬絕緣油，這樣就能消除絕緣紙纖維之間的氣隙，能夠有效的提高絕緣的電氣強度。電力變壓器絕緣紙常采用電力電纜紙、高壓電纜紙和變壓器匝絕緣紙，變壓器及其他電器產品的絕緣；高壓電纜紙一般用于110～330 kV變壓器和互感器的絕緣；變壓器匝絕緣紙是性能更好的一種電氣絕緣紙，可用于500 kV 的變壓器、互感器和電抗器。

結束語

變壓器是電力系統中中最為關鍵與昂貴的電力設備，它的安全運行對于整個電力系統的穩定運行有重要的意義。在實際情況下，由于不同的負荷以及實際運行條件，會導致電力變壓器的絕緣出現各種各樣的老化現象，最終影響其實際壽命。因此研究變壓器絕緣老化的監測與分析方法，以準確評估變壓器的運行壽命，對發展電力設備的狀態維修策略以及保證電力系統的安全、可靠與穩定運行，具有非常重要的應用價值和現實意義。

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