變壓器絕緣老化診斷技術(shù)

王松林

（浙江省寧波電業(yè)局，浙江 寧波 315010）

安全、優(yōu)質(zhì)的供電是對(duì)現(xiàn)代電力系統(tǒng)運(yùn)行的基本要求。隨著電網(wǎng)容量的逐步擴(kuò)大及用戶對(duì)電能質(zhì)量要求的不斷提高，電力系統(tǒng)能否安全可靠地運(yùn)行受到極大的關(guān)注。據(jù)統(tǒng)計(jì)在 1981－1990 年間，我國(guó)主要電網(wǎng)有近 1/3 的電網(wǎng)事故的直接起因是設(shè)備故障損壞所造成的，而在“八五”期間，由設(shè)備故障直接引發(fā)的電網(wǎng)事故占事故總量的 26.3%，可見提高設(shè)備的運(yùn)行可靠性是保證電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的關(guān)鍵。

大型電力變壓器、互感器、充油電力電纜等油浸式高壓電氣設(shè)備是電力系統(tǒng)中的主要設(shè)備，擔(dān)負(fù)著系統(tǒng)電能傳遞、測(cè)量等重要任務(wù)。其中，變壓器是各種高壓電器設(shè)備中最重要的設(shè)備，是電網(wǎng)中能量轉(zhuǎn)換、傳輸?shù)暮诵?，是?guó)民經(jīng)濟(jì)中各行各業(yè)和千家萬(wàn)戶能量來(lái)源的必經(jīng)之路，也是變電站的核心設(shè)備，它的運(yùn)行狀況直接關(guān)系到系統(tǒng)的安全運(yùn)行，由于大型電力變壓器的造價(jià)十分昂貴，所以變壓器故障造成的損失是巨大的。如某地區(qū)在1997年發(fā)生的一起110kV變壓器因絕緣故障起火事故，直接損失費(fèi)用達(dá)300萬(wàn)，加上停電引起的間接損失達(dá)到了600多萬(wàn)元，再加上其他的社會(huì)效益，損失將會(huì)是更高[1-4]。

運(yùn)行中，盡管避雷器、差動(dòng)、接地等多重保護(hù)在大型電力變壓器中得到廣泛運(yùn)用，但由于變壓器內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜、電場(chǎng)及熱場(chǎng)不均等諸多因素的影響，事故率仍然很高。并且大量的文獻(xiàn)[5-8]表明，導(dǎo)致電力設(shè)備失效的大多數(shù)原因是其絕緣性能的劣化，變壓器絕緣老化將導(dǎo)致變壓器承受線路涌流、雷擊的能力下降，極易在外因觸發(fā)下發(fā)生放電，直至絕緣擊穿發(fā)生故障，從而影響變壓器的正常運(yùn)行。變壓器的絕緣分為內(nèi)絕緣和外絕緣，外絕緣主要是指油箱以外的空氣絕緣，內(nèi)絕緣包括套管絕緣、繞組絕緣、引線及分接線開關(guān)絕緣。內(nèi)部絕緣從結(jié)構(gòu)上又分為縱絕緣和主絕緣?？v絕緣指同一繞組的不同匝間、層間、段間、引線間、分接開關(guān)各部分的絕緣，主要絕緣材料是包在導(dǎo)線上的紙帶，匝間、段間的墊塊和油道等。繞組主絕緣是一種油－紙屏障的結(jié)構(gòu)，由作為覆蓋層纏在導(dǎo)線上的絕緣紙帶、油道、放在導(dǎo)體和接地體間油道中的絕緣紙板所構(gòu)成?？梢娮儔浩髦兄饕^緣材料是油和紙，它在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行中由于受到電場(chǎng)、水分、溫度、機(jī)械力的作用下會(huì)逐漸劣化，最后引起故障而導(dǎo)致變壓器壽命的終結(jié)。

多年來(lái)國(guó)內(nèi)大型變壓器的運(yùn)行、試驗(yàn)以及事故分析表明：由于設(shè)計(jì)、制造、安裝和運(yùn)行中造成的缺陷，在電、熱、機(jī)械等應(yīng)力的聯(lián)合作用下逐漸發(fā)展、并最終導(dǎo)致絕緣失效。目前，電網(wǎng)中運(yùn)行的變壓器有一批已接近或超過(guò) 30 年，絕緣壽命已進(jìn)入晚期，有的曾發(fā)生絕緣故障。因此，如能在電力變壓器的運(yùn)行過(guò)程中通過(guò)必要的監(jiān)測(cè)和試驗(yàn)手段有效地確定其絕緣狀態(tài)，對(duì)減少事故的發(fā)生、提高設(shè)備的運(yùn)行可靠性具有重要意義。

近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，變壓器故障診斷技術(shù)得到快速的發(fā)展，但對(duì)于絕緣老化程度的評(píng)估一直沒有行之有效的方法。IECC57.91[9]等規(guī)程中以變壓器最熱點(diǎn)溫度作為固體絕緣壽命損失率的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，由于變壓器內(nèi)部是一個(gè)復(fù)雜的絕緣系統(tǒng)，不同部位承受的老化應(yīng)力水平各不相同，所以難以通過(guò)單一的老化模型進(jìn)行描述。而通過(guò)研究油紙溶解氣體、糠醛、丙酮、水分、酸值等絕緣老化特征生成物含量隨絕緣老化變化規(guī)律，挖掘出能有效表征絕緣老化程度的特征信息，建立用于評(píng)判絕緣老化狀態(tài)的綜合評(píng)估模型，從而實(shí)現(xiàn)不停電、不吊芯評(píng)判絕緣狀態(tài)及壽命預(yù)測(cè)，這無(wú)疑是一項(xiàng)具有重要現(xiàn)實(shí)意義和學(xué)術(shù)價(jià)值的基礎(chǔ)性前沿科學(xué)問題。

1 變壓器油紙絕緣老化機(jī)理

1.1 變壓器油的老化機(jī)理

變壓器油是由烷烴、環(huán)烷烴、芳香烴等碳?xì)浠衔锝M成的混合物。在正常溫度下，變壓器油不會(huì)發(fā)生熱分解，其老化主要是由氧化導(dǎo)致。油中吸收的氧在水分、溫度作用下加速老化，生成醇、醛、酮等氧化物及酸性化合物，并最終析出油泥。油氧化反應(yīng)形成少量的CO和CO2，隨著運(yùn)行中氣體的積累，CO和CO2往往成為油中溶解氣體中的主要組分，同時(shí)還伴隨有少量H2和低分子烴類氣體。這些烴類氣體的迅速增加是在非正常的油溫下產(chǎn)生的，因?yàn)殡姾蜔峁收峡梢允鼓承〤-H鍵和C-C鍵斷裂，伴隨生成少量活潑的氫原子和不穩(wěn)定的碳?xì)浠衔锏淖杂苫@些氫原子或自由基通過(guò)復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)迅速重新化合，形成氫氣和低分子烴類氣體（如CH4、C2H6、C2H4、C2H2等）；隨著不同故障能量和時(shí)間的作用也可能生成碳?xì)渚酆衔铮╔-蠟）及固體碳粒[10]。

1.2 固體絕緣的老化機(jī)理

變壓器固體絕緣的主要材料是絕緣紙（紙板），紙的主要成份是纖維素，纖維素是由長(zhǎng)鏈的糖和單糖構(gòu)成的有機(jī)物。變壓器固體絕緣纖維素大分子老化過(guò)程即纖維素的降解過(guò)程，主要有三種方式：①水解。水和酸使得纖維素中的配糖鍵斷裂，生成自由的糖，使纖維素的聚合度降低，使纖維變?nèi)酰s短。絕緣紙板中含的水分越多，纖維素水解的速度越快；同時(shí)，變壓器油中的酸起著觸媒的作用，能夠降低纖維素配糖鍵斷裂的活化能，加速水解的反應(yīng)速度。②熱解。纖維素加熱至 200℃時(shí)，如有氧化物、水等存在就易于打開配糖鍵和葡萄糖鏈，反應(yīng)生成物包括葡萄糖、水分、CO、CO2和有機(jī)酸等。絕緣的老化，即纖維結(jié)構(gòu)鏈的斷裂速度，主要取決于熱點(diǎn)溫度。③氧化降解。纖維素容易被氧化，氧與纖維素分子里的碳原子反應(yīng)生成醛類和羧酸，同時(shí)產(chǎn)成水、CO、CO2等。氧氣是促使纖維素氧化的原因之一，葡萄糖上的伯醇基（-CH2OH）很容易被氧化生成醛基，醛基再氧化生成羧基，羧基不穩(wěn)定，容易發(fā)生水解[11-12]。

2 變壓器老化診斷方法

2.1 油中溶解氣體

變壓器在運(yùn)行中因受溫度、電場(chǎng)、氧氣和水分的影響和銅、鐵等材料的催化作用，油紙絕緣發(fā)生氧化、裂解和碳化等反應(yīng)，生成某些氧化產(chǎn)物及其縮合物（油泥），產(chǎn)生氫及低分子烴類氣體和固體X臘等。在外界游離因素作用下，部分油分子被裂解成游離基。游離基是極其活潑的基團(tuán)，與油中氧作用生成更活潑的過(guò)氧化游離基，過(guò)氧化基繼續(xù)對(duì)烴類作用，生成過(guò)氧化氫物，過(guò)氧化氫物極不穩(wěn)定，可分解成過(guò)氧化游離基和羥基，使氧化反應(yīng)繼續(xù)下去。變壓器油一旦開始劣化，即使外界不供給能量也能把以游離基為活化中心的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)自動(dòng)持續(xù)下去，而且反應(yīng)速度越來(lái)越快。并最終生成醇（ROH）、醛（RCOR）、酮（RCOR）、有機(jī)酸（RCOOH）等中間氧化物，并生成H2O、CO2及H2和碳鏈較短的低分子烴類[13]。當(dāng)變壓器油受高電場(chǎng)能量的作用時(shí)，即使溫度較低，也會(huì)分解產(chǎn)氣。在場(chǎng)強(qiáng)為130kV/cm作用下，變壓器油在25～30℃時(shí)也會(huì)產(chǎn)生低分子烴類氣體。

同時(shí)，固體絕緣的老化也是變壓器油中溶解氣體的主要來(lái)源。油紙絕緣包括絕緣紙、絕緣紙板等，其主要成分是纖維素。紙、層壓板或木塊等固體絕緣材料分子內(nèi)含有大量的無(wú)水左旋糖環(huán)和弱的C-O鍵及葡萄糖苷鍵，它們的熱穩(wěn)定性比油中的碳?xì)滏I要弱，并能在較低的溫度下重新化合。聚合物裂解的有效溫度高于105℃，完全裂解和碳化高于300℃，在生成水的同時(shí)，生成大量的CO和CO2及少量烴類氣體和呋喃化合物，同時(shí)油被氧化。CO和CO2的生成不僅隨溫度升高而加快，而且隨油中氧的含量和紙的濕度增大而增加。纖維素?zé)岱纸獾臍怏w組分主要是CO、CO2、CH4、C2H4等[13]。

2.2 油中糠醛

1984年12屆國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議上，英國(guó)學(xué)者首先提出油中糠醛可作為運(yùn)行變壓器內(nèi)絕緣紙老化的特征產(chǎn)物，檢測(cè)絕緣油中的糠醛含量，也可以判斷電氣體絕緣材料劣化程度。從此，國(guó)內(nèi)外許多科技工作者進(jìn)行了大量關(guān)于糠醛與變壓器油紙絕緣老化理論及試驗(yàn)研究的相關(guān)工作。大量的理論分析和實(shí)驗(yàn)室研究結(jié)果均表明[14-15]，變壓器油中糠醛的產(chǎn)生僅僅來(lái)自于絕緣紙的老化分解。然而對(duì)于糠醛的形成機(jī)理，卻仍然沒有一種令人信服的理論。主要有三種觀點(diǎn)：①纖維素?zé)峤到庑纬傻淖笮暇厶牵强啡┊a(chǎn)生的主要來(lái)源；②在纖維素老化過(guò)程中，生成左旋葡聚糖的葡萄糖基陽(yáng)離子也可反應(yīng)直接形成糠醛；③纖維素水解亦可以形成糠醛，纖維素水解形成糠醛。

然而，在變壓器常規(guī)運(yùn)行溫度 60～150℃下，通過(guò)左旋葡聚糖產(chǎn)生糠醛并不是糠醛形成的主要途徑，纖維素水解反應(yīng)才是糠醛形成的主要原因。另外，纖維素絕緣紙中半纖維素的數(shù)量和類型也是影響糠醛形成的重要原因，因?yàn)榘肜w維素降解將產(chǎn)生更多的糠醛，同時(shí)其熱穩(wěn)定性較差，可能最先發(fā)生反應(yīng)從而形成糠醛；同時(shí)，酸性條件能夠促進(jìn)糠醛的產(chǎn)生，在酸催化熱老化條件下，糠醛的生成量約為在中性條件下的3倍。

這樣，當(dāng)變壓器絕緣發(fā)生老化時(shí)，油紙系統(tǒng)就會(huì)包含一定量的糠醛，由于糠醛在油分子的運(yùn)動(dòng)與擴(kuò)散遵循菲克定律，其在運(yùn)行中的變壓器油中近似為均勻分布。因而，利用高效液相色譜法對(duì)糠醛進(jìn)行定量檢測(cè)，其含量的多少就間接反映了變壓器油紙絕緣的老化程度，對(duì)診斷油紙絕緣老化狀態(tài)有重要意義。

2.3 絕緣紙聚合度

變壓器在運(yùn)行過(guò)程中，受溫度、電場(chǎng)、水分、氧氣、酸等因素的影響，絕緣紙纖維素發(fā)生熱降解、水解降解、氧化降解等反應(yīng)，導(dǎo)致連接葡萄糖分子間的糖苷鍵發(fā)生斷裂，纖維素分子鏈長(zhǎng)度逐漸縮短，機(jī)械及電氣性能劣化，絕緣紙聚合度降低，成為威脅電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的重大隱患。多年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明：變壓器絕緣故障的主要原因是由于絕緣紙機(jī)械故障導(dǎo)致的電擊穿。老化對(duì)絕緣紙機(jī)械性能的影響遠(yuǎn)大于其對(duì)電氣性能的作用，即使在嚴(yán)重老化的情況下，其電氣性能也不會(huì)發(fā)生顯著變化。絕緣紙的機(jī)械強(qiáng)度取決于纖維素的強(qiáng)度以及纖維間化學(xué)鍵結(jié)合的強(qiáng)度。通常，拉伸強(qiáng)度是絕緣紙機(jī)械性能最為直觀的反映，但是由于其在測(cè)試過(guò)程中分散性過(guò)大，需要樣品數(shù)量多，而使測(cè)試絕緣聚合度成為反映絕緣機(jī)械性能的更為合理的選擇。新紙的聚合度約為 1000～1300，當(dāng)其降為初始值的 25%時(shí)，其拉伸強(qiáng)度約為初始值的 50%，這意味著絕緣紙機(jī)械性能的完全喪失[16]。

2.4 變壓器油酸值

從變壓器油中所測(cè)得的酸值，是無(wú)機(jī)酸和有機(jī)酸的總和。無(wú)機(jī)酸主要來(lái)自新油的煉制過(guò)程中，是因操作不當(dāng)而殘留下來(lái)的。通常情況下，電力用油都經(jīng)過(guò)精制，一般不存在無(wú)機(jī)酸，所測(cè)得的酸值幾乎都為有機(jī)酸，主要是環(huán)烷酸，另外還有在油品儲(chǔ)運(yùn)時(shí)因氧化而生成的酸性物質(zhì)。在運(yùn)行油中，酸值的來(lái)源主要是油質(zhì)氧化產(chǎn)生的酸性物質(zhì)，如低分子的甲酸、乙酸、高分子的脂肪酸、環(huán)烷酸、羥基酸等。一般情況下，運(yùn)行油的酸值隨運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)而增加，這除了油品的自身因素外，還受外界條件如油品溫度、油品添加劑、油中水分、油品中微生物等因素的影響。另外，纖維素降解也會(huì)導(dǎo)致酸的產(chǎn)生[17]。變壓器油與氧有較強(qiáng)的親和作用，在水分、銅鐵等導(dǎo)線材料的催化作用下，以及外界加速因素（溫度、電場(chǎng)、機(jī)械應(yīng)力等）的影響下，變壓器油的氧化是一個(gè)必然的過(guò)程。隨著油品氧化程度的加深，油中會(huì)含有各種酸和酸性物質(zhì)，它們是一類極性物質(zhì)，能使水保持乳化狀態(tài)，因而會(huì)提高油品的導(dǎo)電性，降低油的絕緣性能。尤其是油中含有較多低分子量的水溶性酸，在油中水分存在時(shí)，會(huì)降低設(shè)備的電絕緣水平。油中的酸性物質(zhì)還會(huì)使設(shè)備構(gòu)件中所使用的銅、鐵、鋁等金屬材料腐蝕，而所生成的金屬鹽又是油進(jìn)一步氧化反應(yīng)的加速劑，更加速了油的氧化過(guò)程。而油本身也是油氧化的加速劑，使油氧化產(chǎn)生更多的酸。

2.5 變壓器油水分

變壓器在運(yùn)行過(guò)程中，油紙絕緣系統(tǒng)逐漸老化，油和絕緣紙因老化產(chǎn)生的水分也開始積聚。變壓器中的水分主要聚集在絕緣紙（板）和變壓器油中，它會(huì)使絕緣電阻降低、介質(zhì)損耗因數(shù)增加。局放起始電壓和擊穿強(qiáng)度也隨絕緣系統(tǒng)含水量增加而急劇下降，對(duì)設(shè)備運(yùn)行構(gòu)成威脅，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)釀成放電擊穿事故。Lundgaard 等[17]認(rèn)為：當(dāng)纖維素或木聚糖（木漿中的主要半纖維素）發(fā)生酸水解致使其單體間的鏈接發(fā)生斷裂時(shí)，每斷鍵一次便消耗一個(gè)水分子。然而，當(dāng)絕緣系統(tǒng)中水分含量較低的時(shí)候，尤其是當(dāng)環(huán)境溫度超過(guò)100℃時(shí)，單體間糖苷鍵在發(fā)生酸水解時(shí)就伴隨著快速的酸致脫水反應(yīng)，導(dǎo)致從每個(gè)單體糖單元中釋放出三個(gè)水分子，從而，每次斷鍵便凈產(chǎn)生二個(gè)水分子。因此，由老化產(chǎn)生水分的主要來(lái)源[18]有：①纖維素分子鏈降解反應(yīng)時(shí)產(chǎn)生水分，而且一旦水分從纖維分子中釋放出來(lái)，這些水又會(huì)加速這一降解過(guò)程，從而產(chǎn)生更多的水分，所以纖維素的降解反應(yīng)初始階段是以“加速方式”進(jìn)行的，直到油紙絕緣壽命后期，反應(yīng)才趨于平緩；②變壓器油高分子氧化裂解時(shí)產(chǎn)生水分；③其他有機(jī)聚合高分子絕緣件、結(jié)構(gòu)件，其油中內(nèi)表面涂層氧化、裂解時(shí)可能產(chǎn)生的水分。絕緣油和紙自產(chǎn)生的這些水分將按當(dāng)時(shí)的溫度環(huán)境進(jìn)行轉(zhuǎn)移分配，從而實(shí)現(xiàn)增量后油紙系統(tǒng)水分分配。除此之外，變壓器制造時(shí)內(nèi)部殘留的水分、運(yùn)行時(shí)外部浸入的水分亦是導(dǎo)致變壓器油中水分含量上升的原因。

2.6 變壓器油紙老化診斷新技術(shù)

除上述已經(jīng)發(fā)展并應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)的成熟診斷技術(shù)外，近年來(lái)出現(xiàn)了很多以化學(xué)和電特征量的診斷新技術(shù)：新化學(xué)方法有X 射線光電子能譜法等：Saha等指出在老化的過(guò)程中，與變壓器油直接接觸的絕緣紙表面經(jīng)歷著顏色的改變，尤其是當(dāng)老化樣品直接暴露在空氣中的情況下。X 射線光電子能譜法（XPS）的分析顯示，老化樣品的表面聚集了大量的碳氧成份，其可能來(lái)源于與絕緣紙接觸的油的氧化。這些烴類物質(zhì)即使在經(jīng)過(guò)多次溶劑的洗滌后依然停留在絕緣紙表面，揭示了油的降解產(chǎn)物與絕緣紙可能存在化學(xué)力的作用。紫外-可見光光譜、傅立葉變換紅外光譜、近紅外光譜也被應(yīng)用到絕緣紙老化的特性研究中，基于譜圖的吸收特性，一種變壓器健康狀態(tài)在線評(píng)估的新技術(shù)正在形成[19-20]。

新的電診斷方法是基于電介質(zhì)理論的介質(zhì)響應(yīng)測(cè)量技術(shù)，簡(jiǎn)單地講，就是將整個(gè)油紙絕緣系統(tǒng)看成一個(gè)電路網(wǎng)絡(luò)，可以由集中參數(shù)電路的電阻、電容等來(lái)表示，對(duì)該系統(tǒng)施加不同的激勵(lì)電源，測(cè)量通過(guò)該激勵(lì)源整個(gè)電網(wǎng)路輸出的響應(yīng)，不同的老化系統(tǒng)有不同的響應(yīng)特征。按照施加激勵(lì)源的不同又可分為時(shí)域介電響應(yīng)（直流激勵(lì)電源）和頻域介電響應(yīng)（正弦激勵(lì)電源），其中有代表性的三種技術(shù)有時(shí)域回復(fù)電壓測(cè)量，極化去極化電流測(cè)量和頻域的介電譜技術(shù)，這些技術(shù)在國(guó)外發(fā)展已經(jīng)相當(dāng)成熟甚至有現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用報(bào)道[21]，但由于國(guó)內(nèi)變壓器運(yùn)行年限均不是很高，在國(guó)內(nèi)的研究較少見，但有望成為未來(lái)診斷技術(shù)的發(fā)展方向和重點(diǎn)。

3 結(jié)論

全文回顧了進(jìn)幾十年來(lái)國(guó)內(nèi)外變壓器油紙絕緣老化的機(jī)理及診斷技術(shù)發(fā)展，總結(jié)了一些傳統(tǒng)檢測(cè)項(xiàng)目的測(cè)試方法及注意問題，同時(shí)介紹了最近幾年來(lái)最新的老化診斷技術(shù)，如介質(zhì)相應(yīng)測(cè)量變壓器繞組等新型電診斷測(cè)試技術(shù)，作為絕緣電阻和介質(zhì)損耗測(cè)量的重要補(bǔ)充和發(fā)展，有望成為今后發(fā)展的方向。

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