电力变压器油纸绝缘老化特性及机理

电力变压器油纸绝缘老化特性及机理

张亮

国网黑龙江省电力有限公司电力科学研究院

摘要：电力变压器投入使用的过程中，影响其油纸绝缘老化及使用寿命的因素较多，如温度、电场、酸及氧气等，为了降低老化概率，应重点分析相应的防范措施。本文总结了电力变压器油纸绝缘老化的基本特点，针对电力变压器油纸绝缘老化特性及机理进行分析，明确了各类要素带来的不同影响，为电力变压器的绝缘材料选择及油纸绝缘老化问题的有效防范提供依据，有助于提高电力变压器的利用率及预测变压器使用寿命，使其能够发挥实质效用，让电力系统的安全运行拥有坚实基础。

关键词：电力变压器；油纸绝缘；老化特性与机理；电力系统；安全运行

电力行业发展中，油浸式电力变压器发挥着重要作用，是电力系统的关键支撑，通常纸和油为电力变压器的主要绝缘结构。而在变压器的长期运行中，油、纸绝缘容易受到环境温湿度、酸度及氧气浓度等因素影响，使得油纸绝缘发生老化，不利于变压器的正常使用，需重点加强对油纸绝缘老化特性及机理的研究。

1.电力变压器油纸绝缘老化特点

电力系统运行中，变压器是不可或缺的重要设备，通常变压器经过长时间运行，避免不了变压器绕组会释放大量的热，此种环境条件下，油纸绝缘材料会出现温度升高的现象，进而发生化学反应及物理变化，增加了绝缘材料的变质概率，一旦绝缘材料发生变质，则容易引发老化问题。因为电力变压器中的油纸绝缘更换难度大，也有着不可再生的特点，会给变压器的运行稳定性及使用寿命带来不良影响，所以，要重视分析电力变压器油纸绝缘老化特性及机理，合理选择绝缘材料或者做好相应的防范。

2.电力变压器油纸绝缘老化特性及机理的具体分析

2.1温度引发的绝缘老化

对于电力变压器固体绝缘老化问题来说，温度是重要影响要素，因为绝缘纸的热稳定性较差，所以，一旦环境温度达到100℃以上，绝缘纸的纤维素就会发生缓慢降解。在温度逐渐升高的过程中，绝缘纸的劣化程度也不断增高。针对一些常见固体绝缘材料来说，需要浸入电力变压器油中，一旦在使用过程中环境温度达到规定的标准值以上，会缩短绝缘纸的使用寿命，通过分析相关的研究数据和实验数据，绝缘纸寿命可缩短50%左右，不仅浪费资源，还会影响变压器的安全使用。很多领域内的研究人员针对电力变压器油纸绝缘老化特性进行了多达9000多个小时的老化试验分析，明确了绝缘纸的机械强度与聚合度会随着温度升高而快速下降。在热降解过程中，绝缘油纸纤维素容易出现分子链断裂或分子链解环的问题，使得油纸绝缘更加快速老化。

2.2电场引发的绝缘老化

在电力变压器油纸绝缘持续运行中，无论是正常运行还是故障状态下，均需要承受瞬时电压相应电场的作用，而针对电场应力下油纸绝缘的老化特性而言，现阶段未出现针对性的理论公式，无法实现量化描述。基于对大量研究结果的分析，与绝缘材料的局部放电相比，外施电压小于其起始电压时，因电场作用引发的绝缘材料老化概率较低，基于对部分变频电机匝绝缘材料试验结果的分析，如果存在局部放电现象，则会出现短时间内击穿绝缘的情况，而不存在局部放电的情况下，绝缘可维持两年及以上不被破坏。此外，依托于一些研究成果，在温度恒定的情况下，决定绝缘材料寿命的主要因素为某一电场阈值，即Er，一旦外施电场应力接近或低于Er，则可无限延长绝缘材料的使用寿命，可见，进行电场分析与控制十分必要。

2.3水分引发的绝缘老化

导致电力变压器油纸绝缘老化的因素除了温度及电场外，还包括水分，因为变压器油十分纯净，且干燥性很强，在使用过程中受潮的概率较高，油纸绝缘中含有纤维素，游离羟基是纤维素中的重要构成部分，与水有较强的亲和力，所以变压器油容易受潮。常温条件下，对于电力变压器油纸绝缘系统而言，油、纸绝缘分配比例为1：1000，以上比例会受到温度影响发生变化，即在温度不断升高的过程中逐渐下降。尤其在纤维素无定形区内，极性游离羟基大量存在，容易吸附水分子，进而形成对应的氢键组合。对于长链来说，其水解稳定性受到联结纤维素葡萄糖基的β-苷键的影响，在水分作用下，苷键容易发生断裂，一定程度上增加了固体绝缘降解的概率。为此，对于纤维素水解速度来说，与绝缘材料中的水分含量呈正比，因此，水分是油纸绝缘老化的重要影响因素。

2.4氧气引发的绝缘老化

氧气是引发油纸绝缘老化的关键因素之一，在氧气单独作用下，即可导致油纸绝缘老化问题。虽然很多变压器在投入使用之前都进行了真空干燥、充氮运输等处理，且经过规范注油操作及性能检查，但依然会在变压器内存在一定量氧气，在变压器运行过程中，避免不了会经过外部渗入增加氧气含量，此部分氧气会发挥氧化剂的作用，使得油纸绝缘在短时间内发生老化。同时，在氧气的作用下，纤维素作为由主要成分会受到明显影响，经过氧化反应，会形成氧化纤维素，即游离羟基经过氧化后，生成酮基、醛基等。在羟基被氧化后，纤维素长链会发生断裂问题，此种条件下容易降低聚合度，如果油纸绝缘中的养分含量处于0.3—5%范围内，在氧气的作用下，会增加绝缘纸的降解速度，相关数据表明降解速度会增加2.5倍左右。

2.5酸引发的绝缘老化

酸也会给电力变压器油纸绝缘带来一定影响，是需要关注的重要因素。通常情况下，在电力变压器的实际运行过程中，绝缘纸及绝缘油会发生不同程度的老化，虽然老化速度缓慢，但会产生一定量的酸及酸性物质，此类酸性物质有溶于油的特点，即溶解到变压器油中。在酸和酸性物质中，油纸绝缘容易吸附低分子量酸，变压器油则容易吸附高分子量酸。基于对相关数据信息的分析，低分子量酸能够在一定程度上改变油纸绝缘及变压器油中水的配比，使得变压器有中有更多水分溶解，可见，会加速油纸绝缘老化；而高分子量酸在加速油纸绝缘老化方面物明显体现，随着H+含量不断增加，油纸绝缘的老化速度也会加快。

结语：电力变压器的稳定运行与电力行业的安全发展存在密切联系，而在电力变压器的主要结构中，不能缺少绝缘部分，油纸绝缘是常见绝缘形式，受到氧气、环境温度及酸度等影响，会增加油纸绝缘老化概率。因此，应重点了解以上几种要素引发油纸绝缘老化的机理，强化对绝缘结构的合理设计，强化电力变压器绝缘性能的可靠性。

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