变压器油纸绝缘热电联合老化特征量研究

张宇航　兰　生

（福州大学电气工程与自动化学院，福州 350108）

变压器油纸绝缘热电联合老化特征量研究

张宇航兰生

（福州大学电气工程与自动化学院，福州 350108）

为研究电力变压器油纸绝缘在热、电两种应力作用下的老化特性，搭建了油纸绝缘热电联合老化试验平台，设计了两组在130℃下进行的加速老化试验：一组是单因子热老化试验，另一组为热电联合老化试验。通过对两组老化样本的绝缘纸聚合度、击穿电压、油中微水含量等参数进行对比分析，结果表明，热电联合老化样本绝缘纸聚合度下降速度比热老化样本要快，且在老化初期绝缘纸击穿电压与绝缘纸聚合度呈一定线性关系，与油中水分含量则没有明显的直接联系。

电力变压器；油纸绝缘；热电联合老化；击穿电压

变压器在电力系统中有着举足轻重的地位，一旦发生故障，就有可能引发大面积的停电事故，甚至会对现代国民经济产生不可估量的经济损失，而致使变压器等电力设备失效的主要原因是其绝缘性能的劣化［1］。为了尽可能的降低变压器发生的事故，迫切需要对油纸绝缘的老化特性进行研究，从而为评估变压器的绝缘状态提供有效地依据。

温度是变压器固体绝缘老化的最主要影响因素之一［2］。变压器在运行中产生的热量使温度不断升高，高温环境的作用下，绝缘材料快速地发生了劣化；倘若时间很长，就算温度不是很高，绝缘材料仍旧会劣化且无法恢复，以上两种情况称为热老化。温度越高，受热时间越长，劣化趋势越明显，寿命也就越短。除此之外，变压器在运行过程中其内部油纸绝缘系统还会受到电场的作用，由于变压器在生产设计的时候，其绝缘系统留有足够裕度承受工作电场对其绝缘性能的影响，所以变压器运行时的工作场强不是引起油纸绝缘电老化的主要因素。一般认为，局部放电是促使变压器油纸绝缘电老化的最主要原因［3］。

目前对于变压器油纸绝缘老化特性的研究多为单因子热老化。文献［4］中对多种组合类型的油纸绝缘试品在90℃、110℃、130℃三种温度下开展单因子热老化试验，对比分析了不同绝缘组合的老化特征参量的老化规律，包括绝缘纸聚合度、油中糠醛含量、CO、CO2以及油酸值和微水含量等。文献［5］中对不同组合类型的油纸绝缘系统在110℃下进行加速热老化试验，分析了绝缘纸的击穿电压和介电常数随老化时间的变化关系，指出在整个加速热老化阶段绝缘纸的击穿电压变化幅度不大，且击穿电压与纸中水分之间不具有明显的相关性。

变压器油纸绝缘系统在运行的过程中会同时受到温度、电场、水分、酸、氧气、等多种因素的影响，并且它们不是简单地单独作用，而是彼此干扰，互相加强，进而加速油纸绝缘的老化进程。文献［6］中对油纸绝缘进行电热联合加速老化，认为FALLOU模型最适合用来作为油纸绝缘电热联合老化的寿命模型；文献［7］中设计了油纸绝缘缺陷模型并进行电热老化试验，通过定期采集模型的局部放电信号以及绝缘纸样本聚合度，分析试验样本局部放电信号中特征算子在老化过程中的变化规律。

本文同时考虑温度和电场对油纸绝缘老化的影响，研究了油纸绝缘的热电联合老化特征参量随老化时间的变化关系以及特征参量之间的关系，并与单因子热老化结果进行对比分析。

1　油纸绝缘热电联合老化试验

试验材料选用长城25#变压器油和普通变压器绝缘纸（纯硫酸盐木浆纸），绝缘纸厚度为0.5mm。为了尽量缩短老化时间，采用130℃的恒温对绝缘油纸样本进行加速老化。另外据重庆ABB有限公司提供的油浸式变压器匝间油纸的耐压强度数据，匝间绝缘油纸耐受电压不超过3kV/mm，可认为当所受场强达到3kV/mm时，绝缘油纸处于加速电老化状态，因每组板板电极间叠加放有两层绝缘纸，故本次试验施加电压值为3kV。

为模拟变压器油纸绝缘的实际处理过程，需要对试验样品进行预处理，其具体流程如下。

1）将绝缘纸裁剪成直径9cm的圆形。

2）将这些试样置于真空恒温干燥箱中，在90℃、50Pa条件下干燥48h，使得绝缘纸试样中的水分降低到较低水平。

3）将温度降至40℃，注入经过加热至40℃的25#变压器油，油浸24h。

4）完成处理后将绝缘纸放入试验油箱内，并注入新的25#变压器油，油与纸的质量比例为10∶1，每个油箱内叠加放入两片绝缘纸样品，往油箱内充入氮气。样本预处理流程如图1所示。

图1　样本预处理流程图

将预处理后的样本分T、TE两组置于老化箱内，T组用于单因子热老化，TE组用于热电联合老化，T组只需加热，TE组同时施加温度和电压，试验温度为130℃，电压为3kV工频交流电压；定期测量样本的绝缘纸聚合度、绝缘纸击穿电压、微水含量等参量。

本次试验在130℃温度下持续进行10天，根据“10度半”规则，即温度每升高10℃绝缘寿命减半，相当于油纸绝缘在正常工作情况下工作了接近一年左右。

试验油箱采用不锈钢制成，底面直径为10cm，高度为10cm。因老化试验温度达到130℃，油箱盖采用耐高温的聚四氯乙烯材质。板板电极采用金属铜制成，经过打磨和抛光，使得其表面平整和光滑。板板电极示意图如图2所示。

图2　板板电极

热电联合老化试验中采用3kV工频交流电压，试验油箱内部电极通过高压套管与老化箱外界加压电路相连。加压电路如图3所示。

图3　油纸绝缘热电联合老化加压电路

绝缘纸击穿电压采用逐步升压法测量，即将某一预期的电压加于电极上，停留一段时间后，升高一定电压值，再停留一段时间，如此重复直至击穿。逐步升压法示意图如图4所示。预期的电压称为初始电压；每次升高的电压值均相同，称为升压步长；每次升压后停留的时间也应相同；若是击穿发生在停留的电压级上，则以该级电压作为击穿电压值，若是击穿发生在升压过程中，应以击穿前开始升压的那一级电压作为击穿电压值。

图4　逐步升压法试验示意图

测量绝缘纸击穿电压采用的试验电极按照ASTM-D149-81的规程［8］设计，其示意图如图5所示。试验时选定初始电压为0、升压步长为1kV、电压停留时间为1min，按照升压步长逐步增加电压，直至试样发生击穿，记录下击穿时的电压值Ut，在同一升压步长条件下重复进行多次试验。每个老化阶段做5次试验，取多次试验结果的中值作为该老化样本的击穿电压，若有任何一个试验结果偏离中值15%以上，则需要另做5次试验，以10次试验结果的中值作为样本的电气强度［9］。

图5　击穿试验电极示意图

2　试验结果及分析

2.1绝缘纸聚合度

绝缘纸的聚合度测量可以反映绝缘老化的本质特征，需要的实验样品比较少，数据分散性也比较小，由于具有重复性好、测量精度高、能准确反映绝缘老化程度的优点，是判断绝缘纸老化程度的理想参数。参照ASTM D4243及ASTM D445的标准，采用粘度法测量得到两组样本不同老化阶段的聚合度如图6所示。

图6　绝缘纸聚合度随老化时间变化规律

从图6中可以看出，随着老化程度的加深，绝缘纸聚合度逐渐降低；TE组聚合度降低速度比T组较快，当老化时间达到240h时，绝缘纸聚合度降为800多，说明绝缘纸还处于老化的初期，本文所探究的也是油纸绝缘老化初期的老化特性。

2.2绝缘纸击穿电压

采用逐步电压法分别测得T、TE组绝缘纸的击穿电压值见表1。

表1　绝缘纸的击穿电压值

从图7中可以看出，在油纸绝缘老化初期，随着老化的进行，T和TE两组样本的绝缘纸击穿电压刚开始略有下降，随后有升高的趋势；另外TE组的绝缘纸击穿电压整体上略低于T组，说明相比单因子热老化，热电联合作用下的油纸绝缘击穿电压更低，电场的作用会进一步降低油纸绝缘的电气强度。初步分析其原因，可能是因为油浸绝缘纸内部难免会存在气隙或气泡等缺陷，而油纸绝缘的击穿过程是寻找油纸绝缘系统“最薄弱环节”的过程，在这些微小的缺陷在工频电场的持续作用下逐渐变大，从而形成所谓的“最薄弱环节”，导致绝缘纸相对于单因子热老化下的绝缘纸更加容易被击穿。

图7　绝缘纸击穿电压随老化时间变化规律

2.3油中的微水含量

变压器油、纸在老化裂解过程中均会生成水，导致油纸绝缘系统内水分含量增加，进一步加快油纸绝缘的老化进程。对于油、纸组成的固液绝缘系统，水分会在油与纸之间进行迁移以达到某种动态平衡，最终会以一定的比例分配在绝缘油和纤维纸中，而一般绝缘纸内的水分含量难以获取，故通常以油中微水含量作为油纸绝缘老化的一个重要特征参量。本次两组试验的油中微水含量如图8所示。

由图8可知，对于130℃下的两组试验，在油纸绝缘老化初期油中微水含量总体趋势呈现的是先增大再减小，然后趋于平稳的趋势，但总的变化并不明显。

2.4绝缘纸击穿电压与聚合度的关系

为探究在老化初期绝缘纸击穿电压与聚合度的关系，得到如图9所示的绝缘纸击穿电压与聚合度DP的关系曲线。

图9　绝缘纸击穿电压与聚合度的关系

从绝缘纸的整个老化过程（老化初期到寿命终止）来看，绝缘纸的击穿电压与聚合度并没有明显的关系［10］，而从图9中可以看出，对于在130℃下的两组加速老化试验样本，在绝缘纸老化初期（DP＞800），其击穿电压与聚合度呈一定的线性关系。

2.5绝缘纸击穿电压与油中微水含量的关系

普遍认为水分是影响绝缘介质电气强度的重要因素之一，鉴于此本文探究了绝缘纸击穿电压与油中微水含量之前的关系，如图10所示。为消除量纲的影响，对击穿电压和油中微水含量进行归一化处理，处理方式为取数据占数据总和的比值。从图10中可以看出，T、TE组绝缘纸击穿电压与油中微水含量之间并不具有明显的相关性。

图10　绝缘纸击穿电压与油中微水含量的关系

3　结论

本文通过搭建油纸绝缘热电联合老化试验平台，并设计了130℃下的两组加速老化试验：一组是单因子热老化试验，另一组为热电联合老化试验，对变压器油纸绝缘在热、电两种应力作用下的老化特性进行了分析，结果表明：

1）随着老化时间的推移，无论单因子热老化还

是热电联合老化，绝缘纸的聚合度都逐渐减小，且热电联合应力作用下的绝缘纸聚合度减小速度更快，即电应力能加速油纸绝缘的老化。

2）在油纸绝缘老化初期（DP＞800），绝缘纸的击穿电压先略有减小，随后呈现上升的趋势。

3）在油纸绝缘老化初期阶段，两组加速老化试验样本其绝缘纸击穿电压与聚合度呈一定的线性关系，而绝缘纸击穿电压与油中微水含量没有明显的关系。

［1］ 王梦云. 2000～2001年全国超高压变压器、电流互感器事故和障碍统计分析. 电力设备［M］. 2002，3（4）： 1.

［2］ A. M Emsley， X. Xiao， R. J. Heywood， et al. Degradation of cellulosic insulation in power transformers. Part 3： effects of oxygen and water on aging in oil. IEE Proceedings： Science， Measurement and Technology， vol. 147， pp. 115-119， 2000.

［3］ 屈斌. 变压器绝缘老化及局部放电的研究［D］. 西安：西安交通大学， 2013.

［4］ 杨丽君， 廖瑞金， 孙会刚， 等. 油纸绝缘热老化特性及生成物的对比分析［J］. 中国电机工程学报， 2008，28（22）： 53-58.

［5］ 黄飞龙， 廖瑞金， 唐超， 等. 电力变压器绝缘纸加速热老化击穿电压及介电常数特性研究［C］//中国电机工程学会高电压专业委员会2009年学术年会论文集，2009： 877-880.

［6］ 廖瑞金， 解兵， 杨丽君， 等. 油纸绝缘电-热联合老化寿命模型的比较与分析［J］. 电工技术学报， 2006，21（2）： 17-21.

［7］ 廖瑞金， 解兵， 杨丽君， 等. 油纸绝缘电-热联合老化寿命模型的比较与分析［J］. 电工技术学报， 2006，21（2）： 17-21.

［8］ Angel M. Contribution to Life expenditure evaluation of transformations paper-oil insulation under combined thermal and surge overvoltages stresses［C］//The 1th inter-national conference on insulation condition monitoring of electrical plant： Wuhan chinaWuhan University， 2000： 237-242.

［9］ 中国国家标准化管理委员会. GB/T 1408.1—2006.绝缘材料电气强度试验方法 第1部分： 工频下试验［S］.

［10］ 唐超， 廖瑞金， 黄飞龙， 等. 电力变压器绝缘纸热老化的击穿电压特性［J］. 电工技术学报， 2010（11）： 1-8.

Study on Thermo-electrical Aging Characteristics of Transformer Oil-paper Insulation

Zhang Yuhang Lan Sheng
（College of Electrical Engineering and Automation， Fuzhou University， Fuzhou 350108）

In order to study on thermo-electrical aging of transformer oil-paper insulation， a test platform for thermo-electrical aging of oil-paper insulation is set up， and two groups of accelerated aging test are designed under 130℃. One is thermal aging test， the other is thermo-electrical aging test. By the comparison of two aging tests， the result shows that DP of paper under thermo-electrical stress decreases faster than that under single thermal stress. The breakdown voltage of paper has a linear relation with DP but no significant relationship with water content in oil at the beginning of the aging progress.

power transformer； oil-paper insulation； thermo-electrical aging； breakdown voltage

福建省自然科学基金（2015J01194）

张宇航（1991-），男，湖北省仙桃市，硕士生，主要从事变压器油纸绝缘老化研究。