基于油中甲醇含量的變壓器絕緣紙老化狀況評(píng)估技術(shù)研究

楊雪瀅，李宗紅，周嘉璐，宋玉鋒，程雪婷

（1.南方電網(wǎng)云南電力科學(xué)研究院，云南 昆明 650217；2.南方電網(wǎng)云南普洱供電局，云南 普洱 665000）

0 引言

變壓器是電網(wǎng)系統(tǒng)的主要設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)其固體絕緣老化狀況及絕緣壽命的檢測(cè)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。油浸式變壓器的壽命一般是指油紙絕緣系統(tǒng)的壽命，絕緣紙具有不可恢復(fù)的老化特性，因此變壓器的壽命實(shí)際上是指絕緣紙和層壓紙板的壽命。

變壓器內(nèi)絕緣紙、紙板等是以木材紙漿為原料制成的，其主要成分是長(zhǎng)管狀纖維素，纖維素則是許多葡萄糖基以1,4-β糖苷鍵連接起來(lái)的大分子[1-2]。變壓器運(yùn)行中由于溫度、水分和氧氣的作用，纖維素會(huì)逐漸降解，使聚合度（DP）降低，從而會(huì)降低紙板的拉伸強(qiáng)度和絕緣性能。聚合度是表征絕緣紙老化程度的重要指標(biāo)之一，能夠直接反映絕緣紙板的機(jī)械強(qiáng)度。但是進(jìn)行絕緣紙聚合度的檢測(cè)需要采取吊芯等措施，并且要從最能反映絕緣性能真實(shí)狀況的關(guān)鍵處取樣，這在變壓器的實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中是難以實(shí)現(xiàn)的。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外一些研究機(jī)構(gòu)研究發(fā)現(xiàn)絕緣油中甲醇含量是固體絕緣紙老化的特殊分解產(chǎn)物，可通過(guò)甲醇含量的測(cè)定實(shí)現(xiàn)對(duì)變壓器老化狀態(tài)的評(píng)估。目前，基于甲醇含量的絕緣紙老化評(píng)估方法中對(duì)于老化的診斷分析技術(shù)研究還處于起步階段，未建立標(biāo)準(zhǔn)體系，缺乏甲醇含量特征值的參考。因此，針對(duì)以油中甲醇含量為絕緣紙老化判斷指標(biāo)的研究十分必要。

本研究設(shè)計(jì)不同條件下的油紙老化實(shí)驗(yàn)，通過(guò)檢測(cè)老化產(chǎn)物甲醇的含量及老化過(guò)程中絕緣紙聚合度的變化，對(duì)二者之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行擬合分析，同時(shí)結(jié)合不同電壓等級(jí)變壓器的油紙比例（體積質(zhì)量比），初步提出表征絕緣紙老化的油中甲醇含量的特征參考值，為基于甲醇含量的絕緣紙老化評(píng)估技術(shù)的研究提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)

采用厚度為0.07 mm的普通變壓器絕緣紙和新疆克拉瑪依25#變壓器絕緣油作為油紙絕緣老化實(shí)驗(yàn)的樣品。實(shí)驗(yàn)步驟如下：

（1）將絕緣紙樣品裁剪成若干尺寸為20 cm×4 cm、質(zhì)量約為1.0 g的長(zhǎng)紙條。為了獲得不同初始水分含量的絕緣紙樣品，將卷好的絕緣紙條分為2組，分別放入20 mL玻璃瓶中，在50℃鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)充分干燥。將干燥好的絕緣紙取出，放置于高精度電子天平（MettlerToledo公司MS304S型，精度為0.1 mg）上自然吸潮。

（2）當(dāng)絕緣紙初始水分含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）分別達(dá)到1.0%、3.0%和5.0%時(shí)，在玻璃瓶中加入15 mL的絕緣油，使油紙?bào)w積質(zhì)量比（單位為mL的油體積與單位為g的紙質(zhì)量之比）為15∶1[3-4]。氮?dú)鈼l件下將玻璃瓶嚴(yán)格密封，分別在溫度為90～140℃的老化箱中進(jìn)行熱老化實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中按一定的時(shí)間間隔取樣，進(jìn)行甲醇含量與絕緣紙聚合度測(cè)量[5]，直至絕緣紙聚合度低于200時(shí)停止取樣檢測(cè)。

（3）油中甲醇檢測(cè)采用頂空色譜法，即在恒溫恒壓條件下，在油樣與洗脫氣體構(gòu)成的密閉系統(tǒng)內(nèi)，使油中甲醇在氣、液兩項(xiàng)達(dá)到分配平衡，再采用毛細(xì)管色譜柱分離氣相中的甲醇，選用FID檢測(cè)器實(shí)現(xiàn)甲醇含量的測(cè)定。甲醇含量分析結(jié)果以每升油中所含甲醇的毫克數(shù)（mg/L）表示。

氣相色譜儀條件：柱溫箱起始溫度為35℃，起始保持時(shí)間為3 min，升溫速度為15℃/min，最終溫度為180℃，最終保持時(shí)間為5 min；進(jìn)樣口溫度為250℃；載氣為高純氦氣，流速為1.5 mL/min；分流比為10∶1；頂空進(jìn)樣器條件：加熱箱溫度為60℃，定量環(huán)溫度為80℃，傳輸線溫度為90℃，樣品瓶平衡時(shí)間為10 min，樣品瓶填充模式為恒定流量；填充壓力為101 kPa。

2 結(jié)果與分析

2.1 影響絕緣紙老化的因素分析

2.1.1 溫度對(duì)絕緣紙老化的影響

變壓器絕緣紙屬于纖維素絕緣材料，纖維素是由許多葡萄糖以1,4-β糖苷鍵連接起來(lái)的大分子。高溫使纖維素分子鏈發(fā)生解環(huán)或斷裂，產(chǎn)生活性很高的烷基自由基，烷基自由基快速與聚合物中吸附的氧氣分子反應(yīng)形成過(guò)氧化自由基，過(guò)氧化自由基從高分子鏈中獲得一個(gè)氫而形成過(guò)氧化物，同時(shí)形成一個(gè)新的自由基。過(guò)氧化氫通過(guò)裂解或歧化反應(yīng)生成更多的自由基，通過(guò)進(jìn)一步的鏈增長(zhǎng)、鏈轉(zhuǎn)移及鏈終止反應(yīng)，使高分子鏈發(fā)生斷裂。分子鏈斷裂反應(yīng)的結(jié)果是使聚合物分子量下降，絕緣紙的強(qiáng)度和剛度降低。圖1和圖2分別為溫度對(duì)絕緣紙聚合度和油中甲醇含量的影響曲線。從圖1～2可以看出，在相同的水分含量和老化時(shí)間下（水分含量為3%，老化時(shí)間為240 h），絕緣紙聚合度隨老化溫度的升高而下降，油中甲醇含量隨老化溫度的升高而增加。變壓器絕緣紙?jiān)跓岬淖饔孟聲?huì)發(fā)生分子裂解的化學(xué)反應(yīng)，使纖維素分子鏈發(fā)生解環(huán)或斷裂，即熱解降解反應(yīng)[5]。隨著溫度升高反應(yīng)加速，絕緣材料加劇分解。因此溫度是影響絕緣紙老化的重要因素。

圖1 溫度對(duì)絕緣紙聚合度的影響曲線Fig.1 Influence curve of temperature on the polymerization degree of insulating paper

圖2 溫度對(duì)油中甲醇含量的影響曲線Fig.2 Influence curve of temperature on the methanol content in oil

2.1.2 水分對(duì)絕緣紙老化的影響

水分會(huì)大幅加速絕緣紙的老化進(jìn)程，嚴(yán)重威脅油紙絕緣材料的絕緣壽命。1,4-β糖苷鍵在高溫和水的作用下很不穩(wěn)定，容易斷裂發(fā)生水解反應(yīng)，即水分子透過(guò)纖維素的長(zhǎng)鏈分子，與相鄰的兩個(gè)葡萄糖環(huán)的氧原子反應(yīng)，形成兩個(gè)-OH，各附著于1個(gè)環(huán)，使聚合物分離為兩個(gè)部分。在高溫和水分的共同作用下，絕緣紙會(huì)加速老化降解，而絕緣紙的降解又會(huì)產(chǎn)生新的水分，生成的水分將進(jìn)一步參與絕緣紙的降解反應(yīng)，水分對(duì)絕緣紙老化起到的促進(jìn)作用，是絕緣紙老化最重要的影響因素之一。圖3和圖4分別為水分對(duì)絕緣紙聚合度和油中甲醇含量的影響曲線。

從圖3～4可以看出，在相同的老化溫度及老化時(shí)間下（老化溫度為100℃，老化時(shí)間為24 h），絕緣紙聚合度隨水分含量的增加而下降，油中甲醇含量隨水分含量的增加而增加。

圖3 水分對(duì)絕緣紙聚合度的影響曲線Fig.3 Influence curve of water on the polymerization degree of insulating paper

圖4 水分對(duì)油中甲醇含量的影響曲線Fig.4 Influence curve of water on the methanol content in oil

水分既是纖維素老化降解的反應(yīng)物又是老化降解的催化劑，也是纖維素老化降解的產(chǎn)物。水分是纖維素老化降解具有自催化性的主要因素。水分對(duì)纖維素老化降解的催化作用主要表現(xiàn)在3個(gè)方面[6-7]：①水分子與多羥基纖維素分子容易形成強(qiáng)的氫鍵相互作用，因此自由水分子容易擴(kuò)散和滲透進(jìn)入固體絕緣紙纖維素分子之間，產(chǎn)生溶脹效果從而降低纖維素的結(jié)晶度，增加纖維素老化發(fā)生的反應(yīng)點(diǎn)；②水分子不僅是纖維素水解降解的反應(yīng)物，也是作為水解催化劑質(zhì)子（氫離子）的運(yùn)輸載體和提供者，因此，水分子在固體絕緣紙內(nèi)的滲透擴(kuò)散性將加速水解降解；③在纖維素老化降解自由基機(jī)理中，水分子與自由基反應(yīng)可產(chǎn)生活性羥基自由基，是自由基鏈反應(yīng)的傳遞者，可導(dǎo)致位置相對(duì)固定的纖維素自由基降解反應(yīng)轉(zhuǎn)移到絕緣紙的其他位置，從而加速纖維素的老化。

2.2 絕緣紙聚合度隨甲醇含量的變化趨勢(shì)

變壓器在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中受溫度、水分、油中氣體含量等因素的影響，這些影響因素相互協(xié)同，對(duì)絕緣紙的老化均起著促進(jìn)作用。運(yùn)行設(shè)備用絕緣紙的老化趨勢(shì)在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中隨著這些因素的變化而有所改變。但由于受制變量過(guò)多，很難進(jìn)行所有變量的模擬實(shí)驗(yàn)。即使進(jìn)行了各變量的實(shí)驗(yàn)室模擬研究，也難以實(shí)施到運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)。為解決因干擾因素過(guò)多導(dǎo)致絕緣紙老化診斷方法受限、診斷結(jié)果不準(zhǔn)確等問(wèn)題，本研究剔除各影響因素，通過(guò)絕緣紙老化的直接表現(xiàn)參數(shù)—纖維素聚合度和絕緣紙老化的特征產(chǎn)物—甲醇進(jìn)行絕緣紙老化診斷技術(shù)的研究。研究油中甲醇含量與纖維素聚合度的相關(guān)性，建立絕緣紙老化的診斷方法。

對(duì)不同初始水分含量和不同老化溫度下隨著老化的進(jìn)行，絕緣紙聚合度隨甲醇含量的變化作圖，選取4組代表性關(guān)系曲線進(jìn)行分析，結(jié)果如圖5所示。

圖5 絕緣紙聚合度隨甲醇含量的變化關(guān)系Fig.5 Relationship between polymerization degree of insulating paper and methanol content

從圖5可以看出，不同初始水分和老化溫度下，絕緣紙聚合度與甲醇含量的變化趨勢(shì)均表現(xiàn)為前期聚合度下降很快，而甲醇含量增長(zhǎng)較緩，當(dāng)聚合度下降至800左右時(shí)，甲醇含量均在1 mg/L以內(nèi)。隨著老化的進(jìn)行，絕緣紙聚合度的下降趨勢(shì)開始變得緩慢，而甲醇含量開始快速增加，并保持這種變化趨勢(shì)直至老化中后期。這是因?yàn)榍捌诘睦w維素老化是由1,4-β糖苷鍵在微晶纖維素的無(wú)定形區(qū)斷裂引起的[8]，隨著老化程度的提高，發(fā)生在非晶區(qū)的糖苷鍵的斷裂擴(kuò)大到更有序的區(qū)域[9]，老化速率也逐步下降。而甲醇則隨著老化的發(fā)展不斷累積，含量不斷增長(zhǎng)。

2.3 絕緣紙聚合度與甲醇含量的關(guān)系擬合

新變壓器絕緣紙的聚合度大多在1 000左右，當(dāng)聚合度降到500時(shí)，絕緣紙進(jìn)入老化中期；當(dāng)聚合度降到250時(shí)，絕緣紙抗張強(qiáng)度出現(xiàn)突降，絕緣紙達(dá)到深度老化；聚合度約為150時(shí)，絕緣紙完全喪失機(jī)械強(qiáng)度[5]。DL/T 984—2018《油浸式變壓器絕緣老化判斷導(dǎo)則》中建議，當(dāng)變壓器中采集的紙或紙板樣品的聚合度降低到250時(shí)，應(yīng)對(duì)該變壓器的紙絕緣老化引起注意，在有條件更換時(shí)，可考慮設(shè)備退出運(yùn)行，具體判據(jù)見表1。

表1 變壓器紙絕緣聚合度判據(jù)Tab.1 Criteria of polymerization degree for transformer paper insulation

由表1可見，判斷絕緣紙老化狀況的兩個(gè)關(guān)鍵聚合度值分別為500和250。圖5中絕緣紙聚合度下降至800左右時(shí)，曲線出現(xiàn)了明顯的拐點(diǎn)，因此本研究在進(jìn)行絕緣紙聚合度與甲醇含量的關(guān)系擬合時(shí)，略去800以上的聚合度值，從而提高擬合曲線的相關(guān)性和準(zhǔn)確性。

對(duì)不同初始水分含量和老化溫度下的8組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，擬合曲線見圖6。從圖6可以看出，各實(shí)驗(yàn)條件下絕緣紙聚合度的對(duì)數(shù)與甲醇含量之間存在著良好的線性相關(guān)性，其線性關(guān)系均可表示為lnDP=aC+b。

圖6 絕緣紙聚合度與甲醇含量的關(guān)系擬合Fig.6 Relationship between polymerization degree of insulating paper and methanol content

分析圖6可知，各實(shí)驗(yàn)條件下絕緣紙聚合度與甲醇含量的擬合方程lnDP=aC+b中，a值集中在-0.122～-0.138，b值集中在6.8～7.0，可認(rèn)為不同實(shí)驗(yàn)條件下，絕緣紙聚合度的對(duì)數(shù)與甲醇含量之間均存在良好的線性相關(guān)性，且其線性關(guān)系高度相似。為得到可運(yùn)用于現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行設(shè)備的基于甲醇含量的絕緣紙老化判斷指標(biāo)，本研究對(duì)上述a值及b值取平均值，得到以下關(guān)系式：lnDP=-0.128C+6.93。此關(guān)系式適用于聚合度在200～800內(nèi)的絕緣紙老化狀況的評(píng)估。

2.4 不同電壓等級(jí)變壓器中甲醇含量判斷值的修正

不同電壓等級(jí)的變壓器中油紙比例有較大差別，甲醇檢測(cè)結(jié)果用單位體積油中甲醇毫克量表示，這會(huì)導(dǎo)致相同老化狀況的不同設(shè)備油中甲醇含量檢測(cè)結(jié)果出現(xiàn)不同，從而將影響變壓器絕緣紙老化狀況的判斷，因此需對(duì)不同油紙比例的變壓器進(jìn)行甲醇含量判斷值的修正。本研究共收集了162臺(tái)不同廠家生產(chǎn)的不同電壓等級(jí)的變壓器進(jìn)行分析，其中35 kV變壓器40臺(tái)，110 kV變壓器40臺(tái)，220 kV變壓器40臺(tái)，500 kV變壓器42臺(tái)。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，35 kV變壓器的油紙?bào)w積質(zhì)量比大約為73∶1；110 kV變壓器的油紙?bào)w積質(zhì)量比大約為55∶1；220 kV變壓器的油紙?bào)w積質(zhì)量比大約為78∶1；500 kV變壓器的油紙?bào)w積質(zhì)量比大約為80∶1。

根據(jù)關(guān)系式lnDP=-0.128C+6.93，當(dāng)絕緣紙聚合度下降至500時(shí)，即絕緣紙中度老化時(shí)，計(jì)算可得甲醇含量為5.58 mg/L；當(dāng)絕緣紙聚合度下降至250時(shí)，即絕緣紙深度老化時(shí)，計(jì)算可得甲醇含量為11.00 mg/L。此時(shí)計(jì)算所得的甲醇含量均針對(duì)老化實(shí)驗(yàn)所配制的油紙?bào)w積質(zhì)量比為15∶1的油紙樣品，需依照上述不同電壓等級(jí)的變壓器油紙比例對(duì)甲醇含量進(jìn)行修正，修正結(jié)果見表2。

表2 不同電壓等級(jí)變壓器絕緣紙老化判斷指標(biāo)Tab.2 Ageing judgment indexes of transformer insulating paper with different voltage levels

2.5 在運(yùn)變壓器絕緣紙老化狀況評(píng)估

對(duì)云南電網(wǎng)內(nèi)共157臺(tái)在運(yùn)變壓器進(jìn)行了油中甲醇含量檢測(cè)工作，并根據(jù)上述判斷指標(biāo)對(duì)157臺(tái)變壓器絕緣紙老化狀況進(jìn)行評(píng)估，評(píng)估結(jié)果見表3。從表3的評(píng)估結(jié)果可知，157臺(tái)在運(yùn)變壓器中共有10臺(tái)達(dá)到中度老化，其中35 kV變壓器8臺(tái)，110 kV變壓器1臺(tái)，220 kV變壓器1臺(tái)。對(duì)此10臺(tái)變壓器，將在之后的檢修過(guò)程中取得變壓器絕緣紙，通過(guò)聚合度值的測(cè)定，對(duì)這些設(shè)備老化狀況的判斷結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

表3 在運(yùn)變壓器絕緣紙老化狀況評(píng)估Tab.3 Evaluation on ageing condition of insulating paper of transformer in operation

3 結(jié)論

通過(guò)變壓器絕緣紙老化實(shí)驗(yàn)，對(duì)老化過(guò)程中絕緣紙聚合度與老化產(chǎn)物甲醇含量的變化關(guān)系進(jìn)行分析，主要得到以下結(jié)論：

（1）絕緣紙聚合度的對(duì)數(shù)與甲醇含量之間存在良好的線性相關(guān)性，且不同實(shí)驗(yàn)條件下，其線性關(guān)系均高度相似，可表示為lnDP=aC+b。

（2）由于不同電壓等級(jí)的變壓器油紙比例有較大差別，會(huì)使相同老化狀況的不同設(shè)備油中甲醇含量檢測(cè)結(jié)果出現(xiàn)差異，影響到變壓器絕緣紙老化狀況的判斷，因此需對(duì)不同油紙比例的變壓器進(jìn)行甲醇含量判斷值的修正。

（3）針對(duì)不同電壓等級(jí)變壓器初步提出了表征絕緣紙老化狀況的油中甲醇含量特征值，為基于甲醇含量的絕緣紙老化評(píng)估技術(shù)的研究提供了參考。