油浸式變壓器中油浸紙的老化及其評估技術(shù)

摘要：油浸式變壓器是電力系統(tǒng)中最常用的一種變壓器類型，其絕緣壽命主要由內(nèi)部油浸紙的老化狀態(tài)決定。本文總結(jié)了變壓器內(nèi)部油浸紙老化的主要原因，介紹了目前關(guān)于油浸紙老化狀態(tài)評估的各種方法、各類方法的優(yōu)缺點，并對油浸紙老化狀態(tài)評估技術(shù)的發(fā)展方向進行了分析。旨在為油浸式變壓器絕緣狀態(tài)評估提供借鑒和指導。

Abstract： Oil-immersed transformer is the most commonly used transformer type in power system. The insulation life of oil immersed transformer is mainly depended on the aging condition of oil-impregnated paper in it. This paper summarizes the main reasons for the aging of oil-impregnated paper inside the transformer， introduces existing aging condition assessment methods as well as their advantages and disadvantages， and discusses the development trend of aging condition assessment for oil-impregnated paper. The main purpose of this paper is to provide reference and guidance for the insulation condition assessment of oil-immersed transformer.

關(guān)鍵詞：油浸式變壓器;油浸紙;老化;狀態(tài)評估

Key words： oil-immersed transformer;oil-immersed paper;aging;condition assessment

中圖分類號：TM855 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2020）30-0229-02

0 ?引言

作為電網(wǎng)中應(yīng)用最廣泛的一次設(shè)備之一，變壓器起著連接不同電壓等級電網(wǎng)的關(guān)鍵樞紐作用，其安全運行直接關(guān)系到其兩側(cè)系統(tǒng)，乃至整個電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴大，電網(wǎng)中各環(huán)節(jié)之間的聯(lián)系也越發(fā)緊密，為避免“牽一發(fā)而動全身”，要嚴格避免變壓器故障的發(fā)生。

在電力變壓器中，油浸式變壓器以其在絕緣、散熱、經(jīng)濟性等方面的優(yōu)勢，成為目前，尤其是在高電壓等級下，應(yīng)用最廣泛的變壓器類型。因此，準確把握其絕緣狀態(tài)，有助于更好指導運維決策，可以提高電網(wǎng)運行的安全性。

1 ?油浸紙老化狀態(tài)評估的意義

在油浸式變壓器內(nèi)部，作為固體絕緣的油浸紙、油浸紙板（后文統(tǒng)稱“油浸紙”），老化狀態(tài)隨變壓器內(nèi)部電場、溫度等的不均勻分布而呈現(xiàn)空間分布性，且存在取樣困難、難以替換的問題，一旦劣化，其在絕緣、機械等方面性能的下降無法逆轉(zhuǎn)。因此，油浸紙是油浸式電力變壓器內(nèi)絕緣的薄弱環(huán)節(jié)，其絕緣狀態(tài)決定了變壓器的運行壽命。

據(jù)統(tǒng)計，一般變壓器的平均壽命在約30年[1]。但由于實際所處的運行環(huán)境、所承擔的負荷等方面的差異，不同變壓器內(nèi)部絕緣材料的老化速率也可能會存在較大差異。單純憑借其服役時間來決定變壓器是否需要維護或者替換勢必存在一定的安全隱患，也會在一定程度上造成資源浪費。因此有必要對變壓器的油浸紙的老化狀態(tài)進行準確評估，并以此為依據(jù)來制定合理的運行、維護計劃，保證電網(wǎng)運行的安全性、經(jīng)濟性。

2 ?油浸紙老化原因分析

在油浸紙的老化，其實質(zhì)是在各因素作用下，油浸紙材料發(fā)生一系列復雜的物理和化學變化，導致材料的絕緣、機械等方面性能下降。引起老化的主要原因總體上可以歸結(jié)為：電、熱、機械震動和化學因素四個方面。

2.1 電老化

電老化是指在電場的長期作用下，油浸紙經(jīng)過一系列的物理和化學反應(yīng)，逐步發(fā)生老化的過程。油浸紙在強電場作用下的老化機理包括帶電質(zhì)點對材料分子的轟擊、局部放電引起的熱效應(yīng)、放電過程中產(chǎn)生的輻射、活性物質(zhì)對材料分子結(jié)構(gòu)的破壞等。

2.2 熱老化

熱老化是變壓器內(nèi)部油浸紙老化的主要形式。其實質(zhì)是在高溫的作用下，油浸紙發(fā)生熱降解以及其他一系列復雜的反應(yīng)，導致其絕緣、機械等方面性能的下降。熱老化的速率主要取決于變壓器內(nèi)部的運行溫度，IEC 60354《油浸式電力變壓器負載導則》中指出：A級絕緣的變壓器，當溫度在80～140℃的范圍內(nèi)時，溫度每增加6℃，變壓器油浸紙的老化速度就會增加一倍[2]。

2.3 機械老化

機械老化是指在變壓器振動、短路電動力等機械應(yīng)力作用下，油浸紙中分子級別的缺陷逐步發(fā)展，形成微小的裂縫并逐漸擴大的過程。機械老化的同時，在強電場作用下，材料裂縫可能會引發(fā)局部放電，進一步加快材料的老化進程。與此同時，溫度升高，由于熱膨脹系數(shù)的差異，還會對絕緣材料產(chǎn)生額外的機械應(yīng)力，同樣會促進機械老化進程。

2.4 化學老化

加速油浸紙老化的化學因素包括水、氧氣、酸等。其中，水分對變壓器油浸紙的影響最大，一方面，絕緣紙的分子結(jié)構(gòu)決定了其具有較強的親水性;另一方面，水和酸既是造成油浸紙老化的原因，又是老化的產(chǎn)物，它們對油浸紙的老化起“正反饋”。此外，水分的增加還會引起泄漏電流的增大和介質(zhì)損耗的增加，導致發(fā)熱量增加，溫度升高，進一步加速絕緣老化。

3 ?油浸紙老化狀態(tài)評估技術(shù)

現(xiàn)有變壓器中油浸紙老化狀態(tài)的評估方法，從檢測對象及檢測手段的角度可分直接檢測方法和間接檢測方法。

3.1 直接檢測方法

直接檢測方法以油浸紙為對象進行相關(guān)參數(shù)的測量，基于這些油浸紙自身的材料參數(shù)評估其老化狀態(tài)。在直接檢測方法中，最有代表性的特征量是聚合度，它直接反映了油浸紙分子結(jié)構(gòu)的狀態(tài)，是目前公認最可靠的特征量。許多其他的評估方法以及壽命預測模型都是以聚合度為基礎(chǔ)建立起來的。

直接檢測方法雖然可靠性高，但是存在以下兩方面的問題：

①檢測得到的僅是局部區(qū)域油浸紙的老化狀態(tài)，未必能反映變壓器整體的絕緣狀態(tài)。

②油浸紙封閉于變壓器內(nèi)部，檢測時需對變壓器進行吊芯（罩）。操作上存在諸多不便，且還可能會造成絕緣受潮、受損，引起二次劣化。

3.2 間接檢測方法

間接檢測方法選擇變壓器油、變壓器端口等便于檢測的對象，通過對其進行相關(guān)參數(shù)的測量，提取與油浸紙老化狀態(tài)相關(guān)的間接特征量，實現(xiàn)變壓器內(nèi)部油浸紙老化狀態(tài)的評估。間接檢測方法避免了直接對油浸紙進行相關(guān)參數(shù)測量存在的諸多不便。目前的間接檢測方法可分為化學特征量檢測方法、電氣特征量檢測方法兩大類。

3.2.1 化學特征量檢測方法

化學特征量檢測方法主要是通過對溶解于變壓器油中的，油浸紙的老化產(chǎn)物濃度進行檢測，結(jié)合這些老化產(chǎn)物濃度于油浸紙老化狀態(tài)之間的關(guān)系，實現(xiàn)油浸紙老化狀態(tài)的間接評估。目前常用于評估油浸紙老化狀態(tài)的化學特征量主要有糠醛濃度、CO和CO2的濃度及其比值等，標準中也給出了相應(yīng)的參考值[3]。

通過油中老化生成物的含量來評估油浸紙的老化狀態(tài)，取樣過程對變壓器運行影響較小，還可進一步通過內(nèi)置傳感器實現(xiàn)在線檢測，具有很好的應(yīng)用前景。但仍存在以下幾方面的問題需要完善：

①變壓器的換油、補油操作將直接改變老化生成物的濃度，導致評估結(jié)果可靠性下降。

②糠醛等老化生成物會與油中抗氧化劑等物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，致使測量得到的濃度偏低。

③水分、CO和CO2等物質(zhì)不僅來自于油浸紙的老化，變壓器油的分解、外部氣體的侵入也會改變油中相應(yīng)成分的濃度。

④變壓器的絕緣結(jié)構(gòu)、油紙比例、溫度、水分等因素也會顯著影響運行過程中相關(guān)化學成分的生成速率、生成量以及擴散情況。

3.2.2 電氣特征量檢測方法

電氣特征量檢測方法是測量并分析變壓器整體絕緣結(jié)構(gòu)在各類型激勵下的響應(yīng)信號，通過從相應(yīng)信號中提取相關(guān)特征量，對變壓器內(nèi)部油浸紙的老化狀態(tài)進行評估，主要方法包括局部放電信號檢測、介電響應(yīng)檢測等。

基于局部放電信息進行油浸紙老化狀態(tài)評估，可以有效避免變壓器補油、換油等操作的影響，實現(xiàn)無損在線檢測，且可進行老化定位。但是其實際應(yīng)用目前受制于以下兩方面的問題：

①局部放電信號的檢測技術(shù)尚不成熟。抗干擾能力，精度尚難以滿足要求。

②局部放電特征量與老化的關(guān)系尚不完善，無法實現(xiàn)老化狀態(tài)的量化評估。

介電響應(yīng)特性檢測方法操作簡單，便于現(xiàn)場測量，是目前油浸紙老化狀態(tài)評估領(lǐng)域研究的熱點之一。目前常用的介電響應(yīng)測量方法有：極化/去極化電流法、回復電壓法以及頻域介電譜法。

變壓器端口的介電響應(yīng)特性由油浸紙、變壓器油的狀態(tài)，以及變壓器的絕緣結(jié)構(gòu)等諸多因素綜合決定。單純根據(jù)介電響應(yīng)信號提取的各種特征量，雖然與油浸紙的老化狀態(tài)有較強的相關(guān)性，但一定程度上仍然受到變壓器油、變壓器絕緣結(jié)構(gòu)的影響。

4 ?總結(jié)與討論

本文總結(jié)了變壓器內(nèi)部油浸紙老化的主要原因，并介紹了目前對于油浸紙老化狀態(tài)評估的常用方法。其中，油浸紙老化的直接檢測方法最為可靠，但是由于檢測不便，現(xiàn)場一般不輕易采用。間接檢測方法避免了直接檢測方法的上述缺點，更適合現(xiàn)場檢測，是變壓器老化狀態(tài)評估技術(shù)的必然選擇。

變壓器內(nèi)部油浸紙的老化受電、熱、力等多方面因素的作用，老化過程涉及復雜的物理、化學變化?，F(xiàn)有的間接檢測方法主要從某一些老化之后的變化來反映油浸紙的老化狀態(tài)，不可避免的仍存在一定的不足，如受變壓器絕緣結(jié)構(gòu)、測量手段等因素的影響較大、對于介電響應(yīng)、局部放電檢測等方法尚難以建立起特征信號與老化狀態(tài)的量化關(guān)系等。

要進一步提升變壓器老化狀態(tài)評估，尤其是變壓器內(nèi)部油浸紙老化狀態(tài)評估的可靠性，一方面要從特征量本身入手，降低各方面因素對評估特征量的影響，挖掘可靠性更高、影響因素更少、與老化狀態(tài)關(guān)系更穩(wěn)定的特征量。另一方面，也要從數(shù)據(jù)處理的角度入手，提升評估的可靠性，如綜合不同特征量、歷史數(shù)據(jù)、實際運行狀況，借助人工智能算法等數(shù)學分析方法，進行多元數(shù)據(jù)空間下老化狀態(tài)評估。

參考文獻：

[1]廖瑞金，楊麗君，鄭含博，汪可，馬志欽.電力變壓器油紙絕緣熱老化研究綜述[J].電工技術(shù)學報，2012，27（05）：1-12.

[2]IEC 60354-1991. Loading guide for oil-immersed power transformers[S]. 1994.

[3]DL/T984-2005，油浸式變壓器絕緣老化判斷導則[S].中國電力出版社，2006.

作者簡介：朱琳（1988-），女，湖北武漢人，畢業(yè)于武漢大學，碩士，工程師，主要研究方向為電磁場數(shù)值仿真、電氣設(shè)備狀態(tài)評估、配網(wǎng)不停電作業(yè)等。