电力变压器绝缘纸板绝缘寿命面临的挑战

陈启杰魏冬云晏永祥

1长沙理工大学化学与生物工程学院 湖南长沙（410114）

2湖南广信科技股份有限公司 湖南邵阳（422900）

随着国民经济的飞速发展和人们生活水平的不断提高，对电力的依赖度和要求越来越高，电力的发展也显得尤为重要，安全优质的供电，是对现代电力系统运行的基本要求。变压器是电力系统的核心设备，是电网中能量转换和传输的核心，在电力系统中处于极其重要的地位，一旦发生故障，将有可能造成大面积的停电事故，给电力系统和国民经济造成不可估量的损失，保障电力变压器运行的可靠性对整个电网的安全可靠具有十分重要的意义。

电力变压器的绝缘形式主要采用油纸绝缘结构，即利用绝缘油浸渍绝缘纸板，消除绝缘纸板纤维孔隙产生的气隙，提高其绝缘的电气强度。大量资料表明导致电力设备失效的主要原因是其绝缘性能的劣化，绝缘纸板的老化过程是不可逆的，由于绝缘纸板的老化，其承受短路电流电动力的能力显著降低，是引起电力变压器故障的主要原因[1]。绝缘纸板是变压器的核心材料，不同电压等级和容量的变压器对绝缘纸板的尺寸具有不同的要求，500kV及以上电压等级的大容量变压器需要3200mm×6300mm、厚度1-8mm、紧度1.0-1.3g/cm3的纸板，绝缘纸板的质量要求不仅是尺寸和厚度，更重要的是纸板电气特性和机械特性等内在指标。由于绝缘纸板定量、厚度都远远大于普通的纸板，生产过程不能采用普通纸板的连续生产过程(图1)，如生产8mm厚的干纸板，其湿坯重量达860kg，湿纸板厚度达32mm左右，采用网部一次喷浆成型很难完成，因此抄造厚绝缘纸板应采用间歇生产方式（图2）：磨浆后的浆料通过流送系统，采用圆网纸机上网，湿纸坯在成型缸上卷取，通过设置卷取圈数，达到纸板的目标厚度后，自动出刀裁切纸页，然后通过预装机，装板机，进入热压机，对纸板进行压榨和干燥，通过卸板机后，再通过养生、裁切等工序，制备出合格的绝缘纸板。

图1普通纸板的连续生产过程

图2绝缘纸板的间歇生产过程

1 绝缘纸板的绝缘老化

绝缘纸板的主要成分是纤维素，在使用过程中，受到变压器内环境因素的长期影响，绝缘纸板纤维素会发生降解，导致绝缘纸板机械和电气性能逐渐降低，即发生绝缘老化[2]。绝缘纸板绝缘老化的形式主要有电老化、热老化、机械力老化、水分促进老化等[3]。

1）电老化：所有的高压设备不可避免的存在电老化形式，特别是超、特高压变压器中，绝缘纸板受电老化作用的影响更大。变压器油纸绝缘体系中，绝缘纸板纤维间的孔隙被油浸渍，制造过程中内部或多或少会存在一些微观尺度甚至宏观尺度的气隙缺陷。当外电场达到气隙的起始放电电压时，就会发生局部放电，破坏绝缘纸板的结构，从而降低它的绝缘性能。

2）热老化：高压设备在运行的过程中会产生一定的热量，特别是在超、特高压变压器中，产生的热量更高，绝缘纸板纤维素在这种较高的温度下会发生热裂解、氧化裂解等化学反应，导致自身的机械性能和电气性能下降。

3）机械力老化：绝缘纸板受到的机械应力主要来自于机械作用力、温度突变和电场力等。当绝缘纸板受到机械应力后，力学性能发生不可逆降低直至产生裂痕或气隙导致局部放电，导致绝缘纸板的机械和电气性能降低。

4）水分促进老化：水分可以直接参与纤维素的降解反应，加速绝缘纸板的降解老化，纤维素分子链降解的同时又产生一部分水，这部分水又加速纤维素的降解，从而产生更多的水分，这样便产生恶性循环，促使纤维素降解加速；同时，水分会使绝缘纸板的电导率增加，介质损耗增大，绝缘纸板的击穿强度急剧下降，水分的存在会对变压器的运行构成威胁，严重时可酿成事故。

2 绝缘纸板绝缘老化程度的判断

绝缘纸板在变压器内部使用过程中，发生绝缘老化使绝缘纸板的机械和电气性能降低，当绝缘纸板接近其寿命终点时，会对变压器的安全性能产生巨大的影响。国家正在加快建设超、特高压电网，绝缘结构中的电场分布更加复杂，对绝缘纸板的绝缘老化进行有效的检测和监控，对电力行业的安全生产意义重大。目前用于判断绝缘纸老化程度的方法主要有：

1）直接测定绝缘纸板的抗张强度和聚合度[4]：绝缘纸板的抗张强度和聚合度随绝缘老化而逐渐降低，抗张强度随聚合度降低而下降的趋势大致相同，通过其变化可估算绝缘老化程度。以平均聚合度为1000的新纸板为基准，当平均聚合度下降至500时，绝缘纸板的寿命已进入中期；当平均聚合度下降至250时，绝缘纸板的绝缘寿命已到晚期。通过测定绝缘纸板的抗张强度和聚合度估算其老化程度的方法虽然比较直接方便，但这种方法在取样时需要停电，纸样不易采集，测定结果的重复性差，且属于破坏性检测，已经逐渐被其它的在线检测方法所取代。

2）油中溶解气体含量：绝缘纸板在绝缘老化的过程中会分解释放出CO和CO2两种气体，通过测定溶解在绝缘油中的这两种气体的生成量及比值来评价绝缘纸板的老化情况，具有一定的参考价值[5]。3）测定绝缘油中的糠醛浓度：在变压器运行过程中，绝缘纸板纤维素降解除产生CO和CO2外，还产生糠醛，利用高效液相色谱测定绝缘油中的糠醛浓度来判断绝缘纸板的老化程度，由于其可操作性强，测定结果准确，应用较普遍[5]。

3 提高绝缘纸板绝缘寿命的途径

随着我国电力需求持续快速增长，国家正在加快建设超、特高压电网，国务院已批准1000kV交流和±800kV直流的特高压交直流输变电试验工程，发改委决定投资4000亿元的特高压输电设备全部实现国产化。我国超、特高压变压器的规定使用寿命由原来的20-25年，提升到40年，核电项目配套变压器的运行寿命要求则提升到60年。变压器寿命的延长及超、特高压变压器内电场分布的复杂化，对绝缘材料性能要求更为苛刻，对绝缘纸板的耐高温抗绝缘老化性能也将进一步提高。提高绝缘纸板绝缘寿命的途径主要有：

1） 严格的原材料、生产用水、生产环境及生产工艺超、特高压绝缘纸板生产用浆为优质的电工级未漂硫酸盐针叶木浆，纤维的聚合度高达2000DP，分子量分布均匀，纤维形态柔韧，纯净度高（灰分＜0.3%），氢键结合力强，确保原料化学结构和分子量的均匀性、优良的绝缘性、抗老化性及强度性能。绝缘纸板中除了优质的纤维，水是超、特高压绝缘产品生产过程中唯一的介质，生产用水的纯净度直接影响绝缘产品的电气强度等指标，采用精密吸附过滤，纳米膜处理和阴阳离子混床技术，多级净化去除生产用水中的无机盐离子，经多级阶段处理后水的电导率小于1μS/cm，保证产品质量。超、特高压绝缘产品对生产环境要求十分严格，灰尘、杂质等会影响产品的机械强度和电气性能，采取独特的粉尘监控系统，使用水膜式净化降温空调，正压鼓风换气通风，封闭生产环境，保证无外来降尘，控制内部降尘量小于0.5mg/m3，保证产品的生产环境。生产全过程中应采用DCS及PLC自动化控制，实时监控纸浆流送及上网的浓度、流量、压力等，保证系统稳定，生产线还应配置先进的在线金属微粒检测系统和WIS纸病检测系统，有效防止不合格产品出厂,保证产品质量。

2）添加高性能的耐高温抗老化剂

发明专利ZL2013101993854[6]公开了一种变压器绝缘纸用抗老化剂的制备方法，该发明采用纳米纤维素接枝高含氮化合物，用过硫酸钾和亚硫酸氢钠氧化还原体系作为引发剂，在合适的温度和反应时间内制备而成，添加该抗老化剂后给绝缘纸板纤维穿上一层厚含氮服，显著提高绝缘纸板的耐高温抗老化性能，添加该抗老化剂的绝缘纸板在油纸绝缘体系中对变压器油的性质无不良影响，且不影响油纸绝缘体系的绝缘性能，有效提高绝缘纸板寿命，延长变压器使用寿命。

3）添加高性能纤维

由于天然纤维固有的受热降解老化缺陷，采用丙烯腈改性天然纤维，经氰化处理后的绝缘纸板，能改善绝缘纸板的热稳定性能[7]；近年来又开发出了合成纤维纸，在不同程度上克服了天然纤维的某些不足，美国杜邦公司生产的聚芳酞胺合成纤维纸（Nomex纸），将优良的电气性能、耐高温特性、机械韧性及柔性集于一体，而被广泛应用于高等级电机电器绝缘材料。然而大部分合成纤维纸的耐冲击性、耐油性都较差，特别是油浸后机械强度会大幅降低，难以满足其耐高压性能的需要[8]，采用添加高性能纤维制备耐高温抗老化变压器绝缘纸板，进一步提高绝缘纸板寿命，是特高压变压器用绝缘纸板的发展趋势。

4）一次成型超厚绝缘纸板和成型件

绝缘纸板及绝缘成型件是变压器的关键绝缘材料，制造技术长期被瑞士魏克集团垄断。目前市场上只有厚度不超过8mm的绝缘纸板及胶粘绝缘成型件，不能满足日益发展的输变电设备超大功率、特高压和超长寿命的要求。8mm以上的产品需求只得采用胶黏剂层压加厚，因胶黏剂的高介电常数及与纸板收缩系数不同步等弊端，影响绝缘体系介电常数的均一性，存在界面影响变压器油纸绝缘相容性等问题，严重制约了我国超、特高压输变电工业的发展。湖南广信科技股份有限公司经过技术攻关，攻克了一次成型超厚绝缘纸板和无胶粘绝缘成型件系列产品生产的技术难题，成功研发出以“一次成型超厚绝缘纸板”、“无胶粘绝缘纸螺杆”、“无胶粘L型夹件绝缘件”为代表的系列产品，通过了中国机械工业联合会组织召开的变压器纸板及成型件新产品鉴定会，产品达国际先进水平，为超、特高压变压器用油纸绝缘体系消除了胶黏剂影响，延长了变压器使用寿命。

超、特高压电网使绝缘结构中的电场分布更加复杂，对高端电力变压器用绝缘纸板的性能要求更为苛刻。目前在变压器绝缘领域主要着重于油纸绝缘老化中绝缘纸本身的老化特性及机理研究[9]，并通过其预测变压器的使用寿命，在绝缘材料领域主要着重于开发新型的耐高温合成材料，但这些合成材料主要广泛应用在高等级电机电器及干式绝缘，难以满足超/特高压电力变压器油纸绝缘要求。如何将绝缘纸板的造纸湿部化学理论和变压器绝缘理论相结合，制备高性能耐高温抗老化的绝缘纸板，满足绝缘纸板国际IEC标准和特高压电力变压器油纸绝缘要求，提高绝缘纸板的耐高温抗老化性能和绝缘性能，对保障电力供应，延长超、特高压电力变压器使用寿命和安全用电等具有重要意义，期待这方面的研究将得到更广泛的关注。

[1]Prevost T.,Oommen T.Cellulose insulation in oil filled power transformers:Part I-history and development[J].IEEE Electrical Insulation Magazine,2006,22(1):28-35

[2]Lundgaard E.,Hansen W.,Linhjell D.,Painter J.Aging of oil-impregnated paper in power transformers[J].IEEETransactions on Power Delivery,2004,19(1):230-239

[3]吕健,詹怀宇,晋华春.电力变压器绝缘纸的性能及其绝缘老化[J].中国造纸,2008,27(5):54-58

[4]GilbertR.,Jalbert J.,Tétreault P.,Morin B.,DenosY.Kineticsof the production of chain-end groups and methanol from the depolymerization of cellulose during the ageing of paper/oil systems.Part1:Standard wood kraft insulation[J].Cellulose,2009,16(2):327-338

[5]Baird J.,Herman H.,Stevens C.,Jarman N.Spectroscopic measurement and analysisofwater and oil in transformer insulating paper[J].IEEETransactionson Dielectricsand Electrical Insulation,2006,13(2):293-308

[6]陈启杰.一种变压器绝缘纸用抗老化剂的制备方法[P].中国专利：2013101993854

[7]廖瑞金,梁帅伟,杨丽君等.天然酯-普通纸（热稳定纸）绝缘热老化特性[J].电工技术学报,2009,24(12):12-17.

[8]肖鹏远,焦晓宁.绝缘纸的性能及Nomex绝缘纸的特性和应用[J].产业用纺织品,2010(1):31-36

[9]廖瑞金,唐超,杨丽君等.电力变压器用绝缘纸热老化的微观结构及形貌研究[J].中国电机工程学报,2007,27(33):59-64