油浸式电力变压器固体绝缘剩余寿命探讨

顾春阳

(上海电机学院,上海 201306)

油浸式电力变压器固体绝缘剩余寿命探讨

顾春阳

(上海电机学院,上海 201306)

变压器是电力系统的重要组成部分,其运行效果在很大程度上决定了系统运行稳定性与可靠性,但是基于变压器持续不间断的运行特点,必须要做好对其服务寿命的研究,尤其是固体绝缘剩余寿命的管理,争取有效提高变压器综合服务效果。本文对油浸式电力变压器固体绝缘老化机理进行了分析,并对其绝缘剩余寿命管理措施进行了简要探讨。

油浸式变压器 固体绝缘 剩余寿命

电力变压器是电网进行与运行的重要保障，关系着整个电力系统运行安全性与稳定性。电力变压器在应用时具有持续不间断的运行特点，固体绝缘受损比较严重，尤其是针对部分投入早期的设备，基本上已经超出设计寿命。这样为提高设备运行效率，就需要从固体绝缘老化机理出发进行研究，并选择有效的措施来适当的延长构件服务年限，延长其剩余寿命，提高电网运行稳定性与经济性。

1 电力变压器老化机理分析

对于油浸式电力变压器来说，其运行时主要是利用油-纸绝缘结构，由绝缘油、纸板以及绝缘纸等组成，在运行时绝缘油通过脱气、过滤以及换油等方式来对绝缘性进行优化，这样在变压器运行过程中，就可以对绝缘油进行再生与更换，最终由固体绝缘决定了变压器的剩余寿命。从实际情况来看，变压器基本上均处于高压环境下长期不间断运行，势必会造成固体绝缘的逐渐老化，进而会影响到设备运行效率。油浸式电力变压器固体绝缘老化即纤维素降解的过程，包括热解降解、水解降解以及氧化降解等方式[1]。为延长变压器使用寿命，在实验室通过加速老化试验来对多种因素下绝缘材料老化过程进行研究，并由此来推出正常电压与环境作用下老化寿命，有针对性的采取措施来延长固体绝缘服务时间。

2 影响油浸式电力变压器固体绝缘剩余寿命因素分析

2.1 温湿度

变压器运行环境比较特殊，温湿度均会对固体绝缘老化速度造成影响，对于油浸式变压器来说，基本上都是采用的A级绝缘，在常规运行环境中允许运行温度为65℃，当温度超过80℃后每升高6℃，将会加倍固体绝缘的老化，缩短变压器剩余寿命[2]。而对于湿度来说，水分越多使得纸纤维讲解速度越快，急速降低机械强度，对纸绝缘构件影响比较大。为降低湿度对纸绝缘的影响，需要提前对其进行干燥与浸油处理，并且要保持密封状态，以免潮气进入破坏机械内部干燥环境。因此，要做好对变压器运行环境的控制，将温湿度均控制在允许的范围内，以免温湿度过高加快固体绝缘的老化。

2.2 负载

变压器运行散热与负载能力如何，在根本上决定了变压器的工作温度，如果此环节出现问题，将会导致设备运行温度升高，进而会加速固体绝缘的老化。目前社会发展对电力需求不断增大，使得很多变压器长期处于过负载运行状态，同样会加快固体绝缘老化速度，缩短设备剩余寿命。因此，为延长电力变压器剩余寿命，必须要适当控制其运行负载，避免长期超负荷运行，降低此因素对设备服务寿命的影响。

2.3 短路电流

如果变压器在运行时出现短路故障，则短路电流冲击作用会造成变压器引线位移，或者绕组变形，使得绝缘距离发生变化。如果处理不及时，还会造成绕组与绝缘机构机械性能降低，对固体绝缘造成损伤，降低绕组承受短路电流的能力。因此，在变压器运行时要不定期进行巡逻检修，检查各线路的完整性与运行稳定性，减小短路故障的发生概率。并且在巡检过程中一旦发现短路故障，要及时进行处理，并对损坏的固体绝缘构件进行更换，保证变压器能够正常运行。

2.4 过电压

大气过电压具有幅值高、波头陡等特点，会对变压器主绝缘与纵绝缘产生较大的影响，尤其是对于首端绕组电位来说，梯度大会受到大于冲击电压的高电压，不但会造成固体绝缘损坏，甚至还会出现放电问题。另外，操作过电压波头相对平缓，在绝缘上的电压分布相对均匀，很有可能会导致主绝缘与相间绝缘劣化。而对于暂时过电压来说，其持续的时间比较长，会致使绝缘构件温度升高，在油纸绝缘内部出现电离故障。过电压是影响油浸式电力变压器固体结缘构件老化的主要因素，同时在控制上难度也比较大，在电网运行过程中必须要加强对此方面因素的重视，针对不同的过电压影响特点，来选择相对应的处理措施，降低其对设备运行造成的影响，延长变压器剩余寿命。

3 油浸式电力变压器剩余寿命评估技术分析

3.1 纸绝缘聚合度检测法

纸绝缘是油浸式电力变压器固体绝缘重要组成部分，所谓的聚合度即一个纤维素大分子包含的重读结构单元数量，即D-吡喃型葡萄糖基数量。当纤维素分子聚合度降低后，分子链长度会缩短，分子之间作用力降低，纸绝缘机械强度减小。一般情况下新的纸绝缘聚合度为1000～1200范围，当聚合度降低到500时，绝缘为寿命中期阶段，当降低到250时则会导致机械强度大幅度降低，降低到150左右时，纸绝缘将丧失全部机械强度[3]。经过试验分析可得，纸绝缘聚合度会随着温度的增加减小，在确定变压器剩余寿命时，就可以根据纸绝缘聚合度老化与裂解参数来判断，一般可以直接选取纸样故障部位老化程度进行分析。

3.2 糠醛含量检测法

在油浸式变压器纸绝缘老化时，会将纤维素降解来生成部分D-葡萄糖单糖，但是因为其稳定性低，极容易分解成氧化杂环化合物，糠醛为其中一种，并且只有由纸绝缘或者纸板等纤维素材料降解产生。因此，在判断变压器剩余寿命时，可以通过对油中糠醛含量变化的测定分析，来确定当前变压器固体绝缘老化状态与运行趋势。一般情况下，当油中糠醛浓度达到0.5mg/L时，就需要采取一定的措施进行处理，对纸绝缘聚合度做更进一步的检测分析，通过多方面的综合分析诊断，来确定变压器的剩余寿命与运行状态。

3.3 介质响应分析检测法

3.3.1 恢复电压法

如下图1所示，将开关S1闭合后，直流电压Uc将会作用于绝缘系统，经过充电时间tc后，将开关S1打开，并闭合开关S2，在较短短时间td内进行短路放电操作，其中td＜tc。然后将开关S1打开，则剩余的被极化电荷将会逐渐返回到自由状态，造成绝缘系统两端电压升高，升高达到峰值状态后持续下降到零值，整个过程即为恢复电压。对于油浸式电力变压器固体绝缘剩余寿命的分析，就可以采取此种形式，将恢复电压峰值Umax、恢复电压峰值时间tmax以及起始斜率S作为判断油纸绝缘系统老化与受潮状态的分析依据。

恢复电压峰值与电介质极化率之间成正比例关系，恢复电压起始斜率与电介质电导率成正比例关系，对于电力变压器来说，随着绝缘纸中含水量的不断升高，将会在油纸界面产生更多的束缚电荷，相应的也就会产生更为明显的极化现象，导致系统电导率增加，恢复电压峰值升高以及峰值时间缩短。

3.3.2 极化去极化电流法

如图2所示，闭合开关S1，将直流电压Uc施加于高压绕组与低压绕组之间，则变压器绝缘中就会产生极化电流ipol，公式为：

其中，f(t)表示绝缘介质响应函数，C、γ以及ε表示绝缘介质几何电容、直流电导率以及相对介电常数。

f(t)为单调减函数，在充电时间tc足够长时，极化电流将会达到稳定状态，大小取值受绝缘介质直流电导率决定，当t＜100s时，油电导率为主要影响因素，电导率越高则极化电流越大。在t＞1000s以后，变压器固体绝缘内水分将会对极化电流产生影响，即水分含量越高则电流越大。极化完成后将开关S1断开，并合并开关S2，绝缘介质会被电流表进行短时间的短接，并产生负向反极化电流idepol，公式为：

其中，tc表示施加直流电压充电时间，在变压器绝缘介质被充分极化后，极化电流将会与介质相应函数成正比相关，这样就可以利用电流变化来对固体绝缘介质受潮与老化情况进行判断，确定变压器固体绝缘剩余寿命。

4 结语

固体绝缘老化程度决定了油浸式电力变压器剩余服务寿命，为延长设备使用年限，就需要对影响固体绝缘老化的因素进行分析，通过合理的方式来检测诊断设备剩余寿命，并在此基础上有针对性的选择优化措施，降低固体绝缘的老化，延长设备服务年限。

[1]林朝晖.油浸式电力变压器固体绝缘剩余寿命研究[D].西华大学, 2010.

[2]林朝晖,张彼德,黄鹏飞,林丽琴.油浸式变压器固体绝缘诊断及剩余寿命预测[J].高压电器,2010,09:71-73.

[3]王伟,曲文韬,杨承龙,冯新岩.油浸式电力变压器固体绝缘老化检测技术的应用[J].电气技术,2010,10:39-42.