電力變壓器油紙絕緣熱老化現象的研究

張文吉

摘 要：油紙絕緣是電力變壓器內部絕緣的主要形式。分析了電力變壓器油紙絕緣的熱老化現象，闡述了影響油紙絕緣熱老化現象的各類因素，總結了油紙絕緣熱老化現象的電氣特征量，討論了電力變壓器油紙絕緣熱老化現象的機理，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，從而保證電網的安全運行。

關鍵詞：電力變壓器；油紙絕緣；熱老化現象；電氣特征量

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

電力變壓器是變配電的核心裝置，也是電網運行中最關鍵的設備之一，其穩定性直接影響著電網的安全運行。油紙絕緣是電力變壓器內部絕緣的主要形式。如果油紙絕緣出現熱老化現象，則會導致電力變壓器發生故障，縮短電力變壓器的使用壽命，進而對整個電網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象進行了研究，以期為相關單位查找電力變壓器的運行故障提供幫助，避免引發更大的電力故障。

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、環烷烴等碳氫化合物組成。該物質在電弧和局部過熱的情況下，會出現碳氫鍵斷裂或碳碳鍵斷裂的現象，斷裂的碳原子和氫原子通過復雜的化學反應會重新組合在一起，形成氫氣或低分子的烴氣。這種現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了降解現象。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，進而導致絕緣紙老化。②如果變壓器的溫度過高，則會導致纖維素中的糖鍵斷裂，出現纖維素解體的現象，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氧化還原反應，導致羧基狀態不穩定，出現水解現象，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定性就越低。比如，當溫度超過100 ℃時，纖維素會出現降解現象，并產生大量的水和二氧化碳，經過一段時間后，絕緣紙將難以發揮應有的作用，并逐漸變脆，進而出現老化現象。此外，熱降解也會使絕緣油中的碳氫鍵、碳氧鍵斷裂，進而出現老化現象。

在運行過程中，電力變壓器的溫度會不斷升高，導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構出現變化，進而導致油紙絕緣出現老化現象。具體而言，由于變壓器內部存在氣隙，加之電場對變壓器局部的放電會不斷累積。當累積到一定程度時，電子會發生混亂現象，產生大量的自由電子在整個電場中加速運動，破壞有機物的結構，出現有機物分子結構解體現象，進而出現老化現象。此外，電場會使油紙絕緣的降解速度加快，進而導致老化速度變快。

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存在。在水分子增多的情況下，纖維素的水解穩定性會逐漸降低，最終加快纖維素的降解速度，導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氧化降解現象，進而導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、介質損耗等進行檢測，從而準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。具體而言，采用該方法會對油紙絕緣進行局部放電處理，根據放電量畫出油紙絕緣的放電相位圖，并根據圖譜中放電相位的變化規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，可有效分析變壓器油紙絕緣的老化狀態，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 介電響應法

介電響應法是檢測變壓器油紙絕緣老化的新方法，其利用介電響應的參數判斷油紙絕緣的老化狀態。隨著油紙絕緣老化程度的加深，介電響應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。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。由于變壓器的結構和絕緣油的比例會對檢測結果造成一定的影響，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。

此外，油紙絕緣在熱老化的過程中會產生糖醛。因此，可將糖醛與聚合度、拉伸強度等數據聯系起來，分析其線性變化關系，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 結束語

本文總結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，從而采取有效的應對措施，避免引發更大的電力故障。

參考文獻

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〔編輯：張思楠〕