變壓器油紙絕緣熱電聯合老化特征量研究

張宇航　蘭　生

（福州大學電氣工程與自動化學院，福州 350108）

變壓器油紙絕緣熱電聯合老化特征量研究

張宇航蘭生

（福州大學電氣工程與自動化學院，福州 350108）

為研究電力變壓器油紙絕緣在熱、電兩種應力作用下的老化特性，搭建了油紙絕緣熱電聯合老化試驗平臺，設計了兩組在130℃下進行的加速老化試驗：一組是單因子熱老化試驗，另一組為熱電聯合老化試驗。通過對兩組老化樣本的絕緣紙聚合度、擊穿電壓、油中微水含量等參數進行對比分析，結果表明，熱電聯合老化樣本絕緣紙聚合度下降速度比熱老化樣本要快，且在老化初期絕緣紙擊穿電壓與絕緣紙聚合度呈一定線性關系，與油中水分含量則沒有明顯的直接聯系。

電力變壓器；油紙絕緣；熱電聯合老化；擊穿電壓

變壓器在電力系統中有著舉足輕重的地位，一旦發生故障，就有可能引發大面積的停電事故，甚至會對現代國民經濟產生不可估量的經濟損失，而致使變壓器等電力設備失效的主要原因是其絕緣性能的劣化［1］。為了盡可能的降低變壓器發生的事故，迫切需要對油紙絕緣的老化特性進行研究，從而為評估變壓器的絕緣狀態提供有效地依據。

溫度是變壓器固體絕緣老化的最主要影響因素之一［2］。變壓器在運行中產生的熱量使溫度不斷升高，高溫環境的作用下，絕緣材料快速地發生了劣化；倘若時間很長，就算溫度不是很高，絕緣材料仍舊會劣化且無法恢復，以上兩種情況稱為熱老化。溫度越高，受熱時間越長，劣化趨勢越明顯，壽命也就越短。除此之外，變壓器在運行過程中其內部油紙絕緣系統還會受到電場的作用，由于變壓器在生產設計的時候，其絕緣系統留有足夠裕度承受工作電場對其絕緣性能的影響，所以變壓器運行時的工作場強不是引起油紙絕緣電老化的主要因素。一般認為，局部放電是促使變壓器油紙絕緣電老化的最主要原因［3］。

目前對于變壓器油紙絕緣老化特性的研究多為單因子熱老化。文獻［4］中對多種組合類型的油紙絕緣試品在90℃、110℃、130℃三種溫度下開展單因子熱老化試驗，對比分析了不同絕緣組合的老化特征參量的老化規律，包括絕緣紙聚合度、油中糠醛含量、CO、CO2以及油酸值和微水含量等。文獻［5］中對不同組合類型的油紙絕緣系統在110℃下進行加速熱老化試驗，分析了絕緣紙的擊穿電壓和介電常數隨老化時間的變化關系，指出在整個加速熱老化階段絕緣紙的擊穿電壓變化幅度不大，且擊穿電壓與紙中水分之間不具有明顯的相關性。

變壓器油紙絕緣系統在運行的過程中會同時受到溫度、電場、水分、酸、氧氣、等多種因素的影響，并且它們不是簡單地單獨作用，而是彼此干擾，互相加強，進而加速油紙絕緣的老化進程。文獻［6］中對油紙絕緣進行電熱聯合加速老化，認為FALLOU模型最適合用來作為油紙絕緣電熱聯合老化的壽命模型；文獻［7］中設計了油紙絕緣缺陷模型并進行電熱老化試驗，通過定期采集模型的局部放電信號以及絕緣紙樣本聚合度，分析試驗樣本局部放電信號中特征算子在老化過程中的變化規律。

本文同時考慮溫度和電場對油紙絕緣老化的影響，研究了油紙絕緣的熱電聯合老化特征參量隨老化時間的變化關系以及特征參量之間的關系，并與單因子熱老化結果進行對比分析。

1　油紙絕緣熱電聯合老化試驗

試驗材料選用長城25#變壓器油和普通變壓器絕緣紙（純硫酸鹽木漿紙），絕緣紙厚度為0.5mm。為了盡量縮短老化時間，采用130℃的恒溫對絕緣油紙樣本進行加速老化。另外據重慶ABB有限公司提供的油浸式變壓器匝間油紙的耐壓強度數據，匝間絕緣油紙耐受電壓不超過3kV/mm，可認為當所受場強達到3kV/mm時，絕緣油紙處于加速電老化狀態，因每組板板電極間疊加放有兩層絕緣紙，故本次試驗施加電壓值為3kV。

為模擬變壓器油紙絕緣的實際處理過程，需要對試驗樣品進行預處理，其具體流程如下。

1）將絕緣紙裁剪成直徑9cm的圓形。

2）將這些試樣置于真空恒溫干燥箱中，在90℃、50Pa條件下干燥48h，使得絕緣紙試樣中的水分降低到較低水平。

3）將溫度降至40℃，注入經過加熱至40℃的25#變壓器油，油浸24h。

4）完成處理后將絕緣紙放入試驗油箱內，并注入新的25#變壓器油，油與紙的質量比例為10∶1，每個油箱內疊加放入兩片絕緣紙樣品，往油箱內充入氮氣。樣本預處理流程如圖1所示。

圖1　樣本預處理流程圖

將預處理后的樣本分T、TE兩組置于老化箱內，T組用于單因子熱老化，TE組用于熱電聯合老化，T組只需加熱，TE組同時施加溫度和電壓，試驗溫度為130℃，電壓為3kV工頻交流電壓；定期測量樣本的絕緣紙聚合度、絕緣紙擊穿電壓、微水含量等參量。

本次試驗在130℃溫度下持續進行10天，根據“10度半”規則，即溫度每升高10℃絕緣壽命減半，相當于油紙絕緣在正常工作情況下工作了接近一年左右。

試驗油箱采用不銹鋼制成，底面直徑為10cm，高度為10cm。因老化試驗溫度達到130℃，油箱蓋采用耐高溫的聚四氯乙烯材質。板板電極采用金屬銅制成，經過打磨和拋光，使得其表面平整和光滑。板板電極示意圖如圖2所示。

圖2　板板電極

熱電聯合老化試驗中采用3kV工頻交流電壓，試驗油箱內部電極通過高壓套管與老化箱外界加壓電路相連。加壓電路如圖3所示。

圖3　油紙絕緣熱電聯合老化加壓電路

絕緣紙擊穿電壓采用逐步升壓法測量，即將某一預期的電壓加于電極上，停留一段時間后，升高一定電壓值，再停留一段時間，如此重復直至擊穿。逐步升壓法示意圖如圖4所示。預期的電壓稱為初始電壓；每次升高的電壓值均相同，稱為升壓步長；每次升壓后停留的時間也應相同；若是擊穿發生在停留的電壓級上，則以該級電壓作為擊穿電壓值，若是擊穿發生在升壓過程中，應以擊穿前開始升壓的那一級電壓作為擊穿電壓值。

圖4　逐步升壓法試驗示意圖

測量絕緣紙擊穿電壓采用的試驗電極按照ASTM-D149-81的規程［8］設計，其示意圖如圖5所示。試驗時選定初始電壓為0、升壓步長為1kV、電壓停留時間為1min，按照升壓步長逐步增加電壓，直至試樣發生擊穿，記錄下擊穿時的電壓值Ut，在同一升壓步長條件下重復進行多次試驗。每個老化階段做5次試驗，取多次試驗結果的中值作為該老化樣本的擊穿電壓，若有任何一個試驗結果偏離中值15%以上，則需要另做5次試驗，以10次試驗結果的中值作為樣本的電氣強度［9］。

圖5　擊穿試驗電極示意圖

2　試驗結果及分析

2.1絕緣紙聚合度

絕緣紙的聚合度測量可以反映絕緣老化的本質特征，需要的實驗樣品比較少，數據分散性也比較小，由于具有重復性好、測量精度高、能準確反映絕緣老化程度的優點，是判斷絕緣紙老化程度的理想參數。參照ASTM D4243及ASTM D445的標準，采用粘度法測量得到兩組樣本不同老化階段的聚合度如圖6所示。

圖6　絕緣紙聚合度隨老化時間變化規律

從圖6中可以看出，隨著老化程度的加深，絕緣紙聚合度逐漸降低；TE組聚合度降低速度比T組較快，當老化時間達到240h時，絕緣紙聚合度降為800多，說明絕緣紙還處于老化的初期，本文所探究的也是油紙絕緣老化初期的老化特性。

2.2絕緣紙擊穿電壓

采用逐步電壓法分別測得T、TE組絕緣紙的擊穿電壓值見表1。

表1　絕緣紙的擊穿電壓值

從圖7中可以看出，在油紙絕緣老化初期，隨著老化的進行，T和TE兩組樣本的絕緣紙擊穿電壓剛開始略有下降，隨后有升高的趨勢；另外TE組的絕緣紙擊穿電壓整體上略低于T組，說明相比單因子熱老化，熱電聯合作用下的油紙絕緣擊穿電壓更低，電場的作用會進一步降低油紙絕緣的電氣強度。初步分析其原因，可能是因為油浸絕緣紙內部難免會存在氣隙或氣泡等缺陷，而油紙絕緣的擊穿過程是尋找油紙絕緣系統“最薄弱環節”的過程，在這些微小的缺陷在工頻電場的持續作用下逐漸變大，從而形成所謂的“最薄弱環節”，導致絕緣紙相對于單因子熱老化下的絕緣紙更加容易被擊穿。

圖7　絕緣紙擊穿電壓隨老化時間變化規律

2.3油中的微水含量

變壓器油、紙在老化裂解過程中均會生成水，導致油紙絕緣系統內水分含量增加，進一步加快油紙絕緣的老化進程。對于油、紙組成的固液絕緣系統，水分會在油與紙之間進行遷移以達到某種動態平衡，最終會以一定的比例分配在絕緣油和纖維紙中，而一般絕緣紙內的水分含量難以獲取，故通常以油中微水含量作為油紙絕緣老化的一個重要特征參量。本次兩組試驗的油中微水含量如圖8所示。

由圖8可知，對于130℃下的兩組試驗，在油紙絕緣老化初期油中微水含量總體趨勢呈現的是先增大再減小，然后趨于平穩的趨勢，但總的變化并不明顯。

2.4絕緣紙擊穿電壓與聚合度的關系

為探究在老化初期絕緣紙擊穿電壓與聚合度的關系，得到如圖9所示的絕緣紙擊穿電壓與聚合度DP的關系曲線。

圖9　絕緣紙擊穿電壓與聚合度的關系

從絕緣紙的整個老化過程（老化初期到壽命終止）來看，絕緣紙的擊穿電壓與聚合度并沒有明顯的關系［10］，而從圖9中可以看出，對于在130℃下的兩組加速老化試驗樣本，在絕緣紙老化初期（DP＞800），其擊穿電壓與聚合度呈一定的線性關系。

2.5絕緣紙擊穿電壓與油中微水含量的關系

普遍認為水分是影響絕緣介質電氣強度的重要因素之一，鑒于此本文探究了絕緣紙擊穿電壓與油中微水含量之前的關系，如圖10所示。為消除量綱的影響，對擊穿電壓和油中微水含量進行歸一化處理，處理方式為取數據占數據總和的比值。從圖10中可以看出，T、TE組絕緣紙擊穿電壓與油中微水含量之間并不具有明顯的相關性。

圖10　絕緣紙擊穿電壓與油中微水含量的關系

3　結論

本文通過搭建油紙絕緣熱電聯合老化試驗平臺，并設計了130℃下的兩組加速老化試驗：一組是單因子熱老化試驗，另一組為熱電聯合老化試驗，對變壓器油紙絕緣在熱、電兩種應力作用下的老化特性進行了分析，結果表明：

1）隨著老化時間的推移，無論單因子熱老化還

是熱電聯合老化，絕緣紙的聚合度都逐漸減小，且熱電聯合應力作用下的絕緣紙聚合度減小速度更快，即電應力能加速油紙絕緣的老化。

2）在油紙絕緣老化初期（DP＞800），絕緣紙的擊穿電壓先略有減小，隨后呈現上升的趨勢。

3）在油紙絕緣老化初期階段，兩組加速老化試驗樣本其絕緣紙擊穿電壓與聚合度呈一定的線性關系，而絕緣紙擊穿電壓與油中微水含量沒有明顯的關系。

［1］ 王夢云. 2000～2001年全國超高壓變壓器、電流互感器事故和障礙統計分析. 電力設備［M］. 2002，3（4）： 1.

［2］ A. M Emsley， X. Xiao， R. J. Heywood， et al. Degradation of cellulosic insulation in power transformers. Part 3： effects of oxygen and water on aging in oil. IEE Proceedings： Science， Measurement and Technology， vol. 147， pp. 115-119， 2000.

［3］ 屈斌. 變壓器絕緣老化及局部放電的研究［D］. 西安：西安交通大學， 2013.

［4］ 楊麗君， 廖瑞金， 孫會剛， 等. 油紙絕緣熱老化特性及生成物的對比分析［J］. 中國電機工程學報， 2008，28（22）： 53-58.

［5］ 黃飛龍， 廖瑞金， 唐超， 等. 電力變壓器絕緣紙加速熱老化擊穿電壓及介電常數特性研究［C］//中國電機工程學會高電壓專業委員會2009年學術年會論文集，2009： 877-880.

［6］ 廖瑞金， 解兵， 楊麗君， 等. 油紙絕緣電-熱聯合老化壽命模型的比較與分析［J］. 電工技術學報， 2006，21（2）： 17-21.

［7］ 廖瑞金， 解兵， 楊麗君， 等. 油紙絕緣電-熱聯合老化壽命模型的比較與分析［J］. 電工技術學報， 2006，21（2）： 17-21.

［8］ Angel M. Contribution to Life expenditure evaluation of transformations paper-oil insulation under combined thermal and surge overvoltages stresses［C］//The 1th inter-national conference on insulation condition monitoring of electrical plant： Wuhan chinaWuhan University， 2000： 237-242.

［9］ 中國國家標準化管理委員會. GB/T 1408.1—2006.絕緣材料電氣強度試驗方法 第1部分： 工頻下試驗［S］.

［10］ 唐超， 廖瑞金， 黃飛龍， 等. 電力變壓器絕緣紙熱老化的擊穿電壓特性［J］. 電工技術學報， 2010（11）： 1-8.

Study on Thermo-electrical Aging Characteristics of Transformer Oil-paper Insulation

Zhang Yuhang Lan Sheng
（College of Electrical Engineering and Automation， Fuzhou University， Fuzhou 350108）

In order to study on thermo-electrical aging of transformer oil-paper insulation， a test platform for thermo-electrical aging of oil-paper insulation is set up， and two groups of accelerated aging test are designed under 130℃. One is thermal aging test， the other is thermo-electrical aging test. By the comparison of two aging tests， the result shows that DP of paper under thermo-electrical stress decreases faster than that under single thermal stress. The breakdown voltage of paper has a linear relation with DP but no significant relationship with water content in oil at the beginning of the aging progress.

power transformer； oil-paper insulation； thermo-electrical aging； breakdown voltage

福建省自然科學基金（2015J01194）

張宇航（1991-），男，湖北省仙桃市，碩士生，主要從事變壓器油紙絕緣老化研究。