电力变压器油纸绝缘热老化现象的研究

张文吉

摘 要：油纸绝缘是电力变压器内部绝缘的主要形式。分析了电力变压器油纸绝缘的热老化现象，阐述了影响油纸绝缘热老化现象的各类因素，总结了油纸绝缘热老化现象的电气特征量，讨论了电力变压器油纸绝缘热老化现象的机理，以期通过油纸绝缘的热老化程度有效判断电力变压器的故障部位，从而保证电网的安全运行。

关键词：电力变压器；油纸绝缘；热老化现象；电气特征量

中图分类号：TM855 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.06.126

电力变压器是变配电的核心装置，也是电网运行中最关键的设备之一，其稳定性直接影响着电网的安全运行。油纸绝缘是电力变压器内部绝缘的主要形式。如果油纸绝缘出现热老化现象，则会导致电力变压器发生故障，缩短电力变压器的使用寿命，进而对整个电网的安全运行造成影响。因此，本文对电力变压器油纸绝缘的热老化现象进行了研究，以期为相关单位查找电力变压器的运行故障提供帮助，避免引发更大的电力故障。

1 电力变压器油纸绝缘的热老化机理

1.1 绝缘油的老化机理

电力变压器的绝缘油主要由烷烃、环烷烃等碳氢化合物组成。该物质在电弧和局部过热的情况下，会出现碳氢键断裂或碳碳键断裂的现象，断裂的碳原子和氢原子通过复杂的化学反应会重新组合在一起，形成氢气或低分子的烃气。这种现象会随着过热时间的推移形成大量的碳氢聚合物，进而造成绝缘油热老化。

1.2 绝缘纸的老化机理

绝缘纸的主要成分为纤维素，变压器绝缘纸的热老化是指纤维素出现了降解现象。绝缘纸的老化方式有3种：①水解老化。绝缘纸接触到的水分越多，纤维素的水解速度就越快，进而导致绝缘纸老化。②如果变压器的温度过高，则会导致纤维素中的糖键断裂，出现纤维素解体的现象，进而造成绝缘纸热老化。③氧化作用会使纤维素末端的游离羧基出现氧化还原反应，导致羧基状态不稳定，出现水解现象，最终造成绝缘纸老化。

2 油纸绝缘热老化的影响因素

2.1 温度

温度是影响电力变压器油纸绝缘老化的主要原因，温度越高则油纸绝缘的稳定性就越低。比如，当温度超过100 ℃时，纤维素会出现降解现象，并产生大量的水和二氧化碳，经过一段时间后，绝缘纸将难以发挥应有的作用，并逐渐变脆，进而出现老化现象。此外，热降解也会使绝缘油中的碳氢键、碳氧键断裂，进而出现老化现象。

在运行过程中，电力变压器的温度会不断升高，导致油纸绝缘的使用寿命逐渐缩短。由此可见，温度是影响电力变压器油纸绝缘老化的主要因素。

2.2 电场

电场会使变压器的绝缘结构出现变化，进而导致油纸绝缘出现老化现象。具体而言，由于变压器内部存在气隙，加之电场对变压器局部的放电会不断累积。当累积到一定程度时，电子会发生混乱现象，产生大量的自由电子在整个电场中加速运动，破坏有机物的结构，出现有机物分子结构解体现象，进而出现老化现象。此外，电场会使油纸绝缘的降解速度加快，进而导致老化速度变快。

2.3 水分

水分是影响变压器油纸绝缘老化的重要因素之一。在变压器运行的过程中，绝缘油会吸附一定的水分，随着温度的升高，其吸附水分的能力逐渐提升。而油纸绝缘的纤维素只有少部分能形成固定的氢键，剩余部分的羟基全部以游离状态存在。在水分子增多的情况下，纤维素的水解稳定性会逐渐降低，最终加快纤维素的降解速度，导致油纸绝缘的老化速度加快。

2.4 氧气

氧气对油纸绝缘的影响与水分相似。绝缘纸中的纤维素接触氧气后会出现氧化降解现象，进而导致绝缘纸的末端离子形成氧化纤维素，最终加快绝缘油的氧化速度。与氧气接触后，绝缘油的降解速度将提高约2.5倍。如果变压器中有铜存在，则能减缓油纸绝缘的老化速度，这是因为铜可以消耗绝缘油中的氧气。此外，变压器内部也存在一定的氧气，这些氧气会加快油纸绝缘的老化速度。

2.5 酸

酸可以改变变压器油纸绝缘中水分的分配比例，从而提高绝缘油的溶解度。此外，酸与水分可协同作用，共同加快油纸绝缘的老化速度。

除了上述影响变压器油纸绝缘老化的因素外，光、微生物、机械应力等也会对油纸绝缘的老化造成影响。

3 油纸绝缘热老化的诊断方法

3.1 电气诊断法

对于电气诊断法而言，主要是对变压器绝缘纸的击穿强度、局部放电情况、介质损耗等进行检测，从而准确判断电力变压器油纸绝缘的老化情况。

3.1.1 局部放电法

局部放电是引发变压器油纸绝缘老化的主要原因，而利用局部放电法可检测油纸绝缘的老化状态。具体而言，采用该方法会对油纸绝缘进行局部放电处理，根据放电量画出油纸绝缘的放电相位图，并根据图谱中放电相位的变化规律判断电力变压器油纸绝缘的老化程度。此外，对比放电前、后油纸绝缘的能量分布图，并提取油纸绝缘的特征参数，可有效分析变压器油纸绝缘的老化状态，但局部放电特征只能作为油纸绝缘老化诊断的补充方法。

3.1.2 介电响应法

介电响应法是检测变压器油纸绝缘老化的新方法，其利用介电响应的参数判断油纸绝缘的老化状态。随着油纸绝缘老化程度的加深，介电响应的电压值会逐渐增大，从而可判断油纸绝缘热老化的真实状态。这种方法比局部放电法的检测精度更高，且能反映出变压器绝缘的真实状况。

3.2 物理化学诊断法

油纸绝缘在老化的过程中，其性能会逐渐降低。在此情况下，可通过分析油纸绝缘的拉伸强度、聚合度、油中溶解的气体、糖醛含量来判断油纸绝缘的热老化程度，从而及时采取有效的处理措施，降低变压器事故的发生概率。

3.2.1 拉伸强度

通过拉伸强度可判断绝缘纸的使用寿命。在油纸绝缘老化的过程中，当绝缘纸的拉伸强度降低至初始强度的1/5时，绝缘纸会完全失效。由于绝缘纸的褶皱会影响检测结果，所以，可检测绝缘纸的聚合度，从而判断绝缘纸的老化程度。

3.2.2 聚合度

聚合度能反映绝缘纸的老化程度。如果绝缘纸的基准聚合度为1 000，使用一段时间后降至500，则表明绝缘纸已进入老化中期。在测量绝缘纸的聚合度时，测量温度的差异会导致聚合度存在差异，进而影响油纸绝缘热老化的检测精度。

3.2.3 绝缘油中的溶解气体和糖醛含量

绝缘油中的溶解气体会加快绝缘油的降解速度。因此，通过检测绝缘油中的溶解气体，可判断绝缘油的老化程度。由于变压器的结构和绝缘油的比例会对检测结果造成一定的影响，所以，不能只以溶解气体作为判断变压器油纸绝缘热老化程度的依据。

此外，油纸绝缘在热老化的过程中会产生糖醛。因此，可将糖醛与聚合度、拉伸强度等数据联系起来，分析其线性变化关系，从而判断油纸绝缘的热老化程度。这种方法能直观地显示出油纸绝缘的热老化速度。

4 结束语

本文总结了影响电力变压器油纸绝缘热老化的因素，分析了油纸绝缘热老化的机理，提出了诊断电力变压器油纸绝缘热老化的方法。通过油纸绝缘的热老化程度，可判断其使用寿命，从而采取有效的应对措施，避免引发更大的电力故障。

参考文献

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〔编辑：张思楠〕