電力變壓器固體絕緣老化概述

劉 洋，何 健

（國(guó)網(wǎng)河北省電力有限公司檢修分公司，河北 石家莊 050070）

0 引 言

變壓器的絕緣系統(tǒng)隨著變壓器的工作條件而發(fā)生老化。在設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中，熱、電和化學(xué)應(yīng)力作用于絕緣系統(tǒng)，導(dǎo)致絕緣系統(tǒng)的性能發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的變化。這種老化應(yīng)力可能會(huì)導(dǎo)致絕緣材料的內(nèi)在或外在降解。在大多數(shù)絕緣系統(tǒng)中，由于存在缺陷和污染物，外在老化占主導(dǎo)地位。

固體絕緣和礦物油組成變壓器中的絕緣系統(tǒng)。變壓器中基于纖維素的固體絕緣和礦物油會(huì)隨著時(shí)間的推移而降解。絕緣老化的程度取決于變壓器內(nèi)的熱、電、化學(xué)和機(jī)械應(yīng)力。變壓器油和纖維素固體絕緣的溫度在影響材料的機(jī)械、化學(xué)和電性能方面發(fā)揮著重要作用。絕緣的溫度取決于變壓器的負(fù)荷與運(yùn)行方式。

除了正常老化外，雷擊和短路故障給變壓器帶來(lái)的機(jī)械應(yīng)力也影響著變壓器的絕緣強(qiáng)度。新變壓器的繞組被很好地夾緊，因此有足夠的機(jī)械強(qiáng)度。但是，隨著絕緣的老化，絕緣紙絕緣收縮，導(dǎo)致夾緊壓力降低，繞組的機(jī)械穩(wěn)定性降低。

固體絕緣和油的含水量是影響變壓器絕緣老化的重要因素之一。絕緣紙的熱降解速度通常與其含水量成正比。在制造變壓器時(shí)，首先將絕緣紙的含水量降低到在0.3%～1.0%范圍內(nèi)，然后浸漬，最后脫氣、浸入干油中。然而，在變壓器壽命期間，固體絕緣和變壓器油的含水量增加。含水量增加來(lái)自高溫和氧化引起的纖維素降解，部分來(lái)自于水從大氣中的進(jìn)入。

當(dāng)變壓器在不同負(fù)荷下呼吸時(shí)，大氣中的水分有可能進(jìn)入。電力變壓器配有連接器，以適應(yīng)增加的油量，并通過(guò)脫水呼吸器呼氣。當(dāng)變壓器在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，保護(hù)器中的油量減小，變壓器通過(guò)呼吸吸入。呼吸器中的硅膠是用來(lái)吸收周圍空氣中的水分，其效率取決于空氣和干燥劑的溫度、濕度以及風(fēng)速。

1 變壓器固體絕緣老化因素

變壓器絕緣的老化可能是由于一個(gè)或多個(gè)因素的組合，其中包括電氣、熱、化學(xué)、機(jī)械和環(huán)境老化機(jī)制。這些老化因素可能是獨(dú)立作用引起的，也可能是各類應(yīng)力之間的相互作用引起的。實(shí)際絕緣系統(tǒng)的老化可能很復(fù)雜，失效通常是由各類老化機(jī)制共同造成的，盡管可能只有一個(gè)主要的老化因素。本文主要從以下因素分析變壓器的固體絕緣。

1.1 熱老化

造成變壓器絕緣老化的最主要機(jī)制是熱老化，涉及到絕緣的化學(xué)和物理變化。這種老化是由化學(xué)降解反應(yīng)、聚合、解聚以及擴(kuò)散等引起的[1]。熱膨脹和熱收縮引起的熱力效應(yīng)也是導(dǎo)致絕緣老化的主要因素?；瘜W(xué)變化和熱機(jī)械應(yīng)力都深受變壓器運(yùn)行溫度的影響。

1.2 電氣老化

在交流電應(yīng)力或脈沖下的電氣老化，也會(huì)導(dǎo)致變壓器多年運(yùn)行過(guò)程中的絕緣老化。這些因素涉及在放電源附近的液體或氣體介質(zhì)中的局部放電影響，或在高電壓應(yīng)力下固體和液體絕緣中樹枝放電的影響。此外，高介電損耗和空間電荷效應(yīng)也會(huì)導(dǎo)致絕緣老化。電氣和化學(xué)降解效應(yīng)的結(jié)合也是以液體絕緣的電解形式發(fā)生的，特別是當(dāng)液體被極性雜質(zhì)污染時(shí)。

1.3 機(jī)械老化

絕緣結(jié)構(gòu)的機(jī)械老化可能源于較低的機(jī)電或熱機(jī)械應(yīng)力作用，在外部或內(nèi)部應(yīng)力作用下，可能會(huì)逐漸升級(jí)為固體絕緣破裂。這主要涉及可移動(dòng)部件，如分接開(kāi)關(guān)，并可能會(huì)在絕緣部件中發(fā)生磨料磨損。

1.4 環(huán)境老化

除了上述的化學(xué)和熱降解過(guò)程外，諸如灰塵和其他污染對(duì)設(shè)備電氣行為的外部環(huán)境因素也會(huì)對(duì)變壓器固體絕緣產(chǎn)生影響。

2 污染源防治措施

在正常運(yùn)行及檢修期間或在石油加工過(guò)程中，盡可能提供密封系統(tǒng)，以最大限度減少水分、氧氣和固體碎片等外部污染源的進(jìn)入。然而，最大限度地減少內(nèi)部污染源并不像外部污染源那樣直接。內(nèi)部污染源是由變壓器槽內(nèi)發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)引起的，并受到運(yùn)行溫度、水分、氧氣和其他污染物的極大影響。因此，即便不能完全切斷這些內(nèi)部污染源，也要盡可能降低它們的含量。此外，內(nèi)部污染源包括來(lái)自機(jī)械或電氣磨損的金屬顆粒、來(lái)自絕緣紙和絕緣紙板的纖維素顆粒等非金屬顆粒以及一些石油的化學(xué)降解產(chǎn)物如酸、醛和酮。

3 纖維素降解

電力變壓器的總體預(yù)期壽命在很大程度上取決于絕緣纖維能夠承受故障條件產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力。這種固體絕緣的耐受能力會(huì)隨著運(yùn)行時(shí)間的增加而降低。纖維素降解主要涉及聚合物鏈在熱力影響下的氧化、水解或斷裂。

電力變壓器絕緣板的老化通常歸因于熱劣化。在熱劣變中，纖維素聚合物鏈的平均長(zhǎng)度因斷裂而縮短，而隨著溫度的升高，斷裂的發(fā)生頻率更高。纖維素聚合物鏈縮短造成絕緣紙板的物理性能下降，導(dǎo)致其伸強(qiáng)度、拉伸失效前的伸長(zhǎng)率、撕裂強(qiáng)度、斷裂或爆裂強(qiáng)度降低。

3.1 熱降解

在充油電氣設(shè)備中，纖維素的熱降解主要?dú)w因于氧化和水解引起的化學(xué)反應(yīng)，并受與纖維素接觸的氧氣、水和酸的影響。降解反應(yīng)的速度取決于氧氣、水和酸的含量和溫度。溫度每升高6～8 ℃，將使絕緣紙和變壓器油的壽命因子降低50%。

正常運(yùn)行時(shí)，變壓器通常會(huì)達(dá)到40～80 ℃，取決于變壓器的負(fù)荷。在這一溫度范圍內(nèi)，纖維素絕緣被發(fā)現(xiàn)通過(guò)各種機(jī)制緩慢降解，包括氧化和水解。當(dāng)溫度高于110 ℃，變壓器極易發(fā)生事故。熱降解的程度取決于纖維素的性質(zhì)、空氣和水的含量，以及是否允許樣品與分解產(chǎn)物保持接觸。熱降解的進(jìn)行會(huì)產(chǎn)生醛類、羧基和CO2。當(dāng)纖維素在高溫下加熱時(shí)，熱能往往會(huì)破壞糖苷鍵，并產(chǎn)生CO2、CO、H2O、H2和CH4等降解產(chǎn)物[2]。

3.2 氧化降解

纖維素極易氧化，聚合物鏈中存在的羥基在降解過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生碳基和羧基，最終會(huì)引起斷鏈分裂的二次反應(yīng)。在變壓器油或纖維素的老化過(guò)程中，變壓器內(nèi)部沒(méi)有形成游離氧。因此，變壓器中唯一的氧氣來(lái)源是通過(guò)呼吸系統(tǒng)從外部進(jìn)入變壓器。如果變壓器油中的氧氣含量保持在2 000 ppm以下，那么絕緣系統(tǒng)的降解率比80%。當(dāng)變壓器油完全飽和時(shí)，變壓器油中的氧氣可以達(dá)到約30 000 ppm。但實(shí)際上大多數(shù)使用中的自由呼吸式變壓器從空氣中溶解氣體，溶氧量為20 000 ppm。氧化加速了纖維素的降解過(guò)程，導(dǎo)致葡萄糖鍵變?nèi)趺摼邸?/p>

3.3 水解降解

水對(duì)纖維素基電絕緣材料的降解有重要影響。水一般會(huì)增加降解率，而纖維素在本質(zhì)上是吸濕的。在變壓器使用之初，絕緣材料中的含水量不到0.5%，變壓器油也被烘干。變壓器內(nèi)的含水量在其使用期間可能會(huì)增加5%，具體取決于運(yùn)行環(huán)境和其他條件。不僅如此，水分子還在纖維素鏈之間積累，纖維素的熱降解也會(huì)產(chǎn)生水。水導(dǎo)致纖維素鏈進(jìn)一步分解，從而產(chǎn)生游離葡萄糖。因此，在糖苷鍵中加入水分子會(huì)導(dǎo)致鏈分解。實(shí)驗(yàn)表明，鏈狀裂變可以指示水解降解速率。

隨著絕緣紙的老化，系統(tǒng)內(nèi)的含水量顯著增加。由于絕緣紙對(duì)水的親和力很強(qiáng)，水分主要存在于絕緣紙中而不是變壓器油中。新投運(yùn)的變壓器通常含水量會(huì)低于0.5%，而運(yùn)行幾年后，絕緣紙中的含水量可能會(huì)增加到4%～5%[3]。

溫度是影響濕纖維素材料老化的另一因素。因此，如果避免絕緣紙加速老化

4 結(jié) 論

為了降低纖維素的降解速度，必須盡量減少水分和氧氣從大氣中進(jìn)入。然而，即使外部入口最小化，人們也無(wú)法避免隨著時(shí)間的推移纖維素的自然降解而在內(nèi)部產(chǎn)生水。因此，有必要定期檢查變壓器油和絕緣紙的含水量，進(jìn)行試驗(yàn)來(lái)診斷降解程度。