固体绝缘老化诊断技术研究现状

孙启林，江 沄，王倩倩

（1.广州供电局有限公司，广东广州510620；2.广州武高电力科技有限公司，广东广州510663；3.广州电力设计院，广东广州510610）

固体绝缘老化诊断技术研究现状

孙启林1，江 沄2，王倩倩3

（1.广州供电局有限公司，广东广州510620；2.广州武高电力科技有限公司，广东广州510663；3.广州电力设计院，广东广州510610）

变压器是电力系统的核心装置。研究表明，虽然受到诸多内外因素的影响，但变压器的寿命主要还是由油纸绝缘结构的老化决定，所以，固体绝缘材料的老化诊断对变压器具有重要意义。本文对目前的老化诊断技术及其发展趋势进行了分析，为今后研究提供了方向。

固体绝缘老化；绝缘纸；老化机理；评估方法

1 前言

大型电力变压器主要采用油纸绝缘，由绝缘油和绝缘纸组成。目前，大型变压器使用寿命通常为为30年左右，但是，变压器油纸绝缘系统在长期运行中受到温度、水分、氧气等各种因素的影响而不断老化，其中绝缘油的老化可以进行更换或者再处理以提高其绝缘性能，而绝缘纸的老化不可恢复且不易更换，因而，判断变压器固体绝缘（绝缘纸）的老化状态对于保证变压器的安全运行意义重大。

2 变压器固体绝缘老化机理

2.1 热老化

绝缘纸的主要成分是由α-D-葡萄吡喃糖聚合而成的纤维素，由于其聚合键能较低，因此遇到高温时，会发生断链等反应，从而使聚合度降低。这就绝缘纸的热老化反应。

1954年，Mc Burney通过研究纤维素的水解反应，得出整个过程可分为两部分：质子加成的快速过程，质子转移形成带正电荷聚合物及其与H2O反应生成水合氢离子的慢速过程。其中，质子在反应中起催化作用。

2.2 氧化降解

纤维素容易被氧化，氧与纤维素分子里的碳原子发生反应，生成醛类和羧酸，同时产成水、CO、CO2等。当油面直接和空气接触时，氧气是促使纤维素氧化的原因之一。

2.3 酸性水解

纤维配糖键在水和酸的作用下会发生断裂而产生自由糖，从而导致纤维链之间键变弱、链断裂变短而最终生成D-葡萄糖。在变压器内部，油纸氧化会产生一定量的酸，使整个变压器内部环境呈弱酸性，酸会降低破裂活化能，加快纤维素的水解速率。尽管浓度很低，但由于长时间处于该环境，绝缘纸还是受到其催化作用影响。因此，绝缘纸板中的含水量越多，纤维素水解速度越快。

2.4 电老化

电老化是指在外加高电压或强电场作用下发生的老化。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，是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。由于固体绝缘材料无法复原，所以最终必然导致击穿，但一般情况下影响较小。

3 固体绝缘老化诊断技术

常见的固体绝缘老化诊断方法主要包括：绝缘纸抗张强度测试、聚合度测试、糠醛含量检测、CO和CO2的检测等。

3.1 抗张强度测试

抗张强度（Tensile Strength）用于表示单位面积的破碎力。Montsinger等人研究表明：当绝缘纸的抗张强度下降到初始值的50%甚至更低时，可认为变压器的寿命终止。但由于其样品不易获取，且测试结果受取样的影响较大，同时对原有的绝缘系统会造成一定程度的损伤。因此，在现场运行的变压器中不具有太高的应用价值。

3.2 聚合度测量

在变压器固体绝缘老化的过程中，绝缘纸机械性能的改变远大于其电气性能的改变，即使老化严重，电气性能也不会发生显著改变。而绝缘纸的机械强度主要取决于纤维素的强度以及纤维间化学键结合的强度。因此，可以通过测量聚合度来判断绝缘纸的老化程度。

实验表明，新纸的聚合度约为1000～1300，当其降为初始值的25%时，其拉伸强度约为初始值的一半，这意味着绝缘纸机械性能的完全丧失。

聚合度测量是用乌别洛特粘度计测定纸溶液的粘度，由此计算出粘均聚合度（DPv）。纸溶液的制备有纸溶解于乙酸乙脂中和纸溶解于铜乙二胺中两种方法。实际所测定的聚合度为平均聚合度。

2015年，李洁等[1]研究表明，绝缘纸老化产物和聚合度之间有非常密切的关系，具体的结论为：在不同温度下，绝缘纸聚合度下降速度增加，分解产物浓度增加；聚合度与分解产物浓度之间具有一定关系。二者结合能更准确地判断判断油纸绝缘老化状态。

聚合度实验准确度高（2%），能从本质上揭示了绝缘材料的老化程度，即使是极度老化的材料仍有效。但其需要停电吊芯取样，且温度的差异会导致不同部位的劣化情况不一致，从而使聚合度的数值差异较大。

3.3 糠醛含量检测

20世纪70年代末，在分析2台400/22kV发电机变压器的事故原因时，检测到溶解在油中的以糠醛为主的呋喃类化合物，并发现变压器油中糠醛仅仅来自于绝缘纸等纤维素材料的老化分解，而与变压器油无关，由此开始了基于糠醛分析的固体绝缘诊断方法的研究。该方法可以在变压器不停运情况下测样，比较方便。

2002年，尚勇[2]加速老化的试验结果表明，糠醛含量的常用对数与绝缘纸的平均聚合度之间是高度线性相关的。其线性拟合方程为：lg（Furan）=1.065-0.0027DP。

2012年，李志成等[3]研究得出。变压器油中糠醛含量与变压器运行年限有关，糠醛含量只有在运行一定期限后才开始随时间的延长而增大。在正常情况下，变压器油中糠醛含量在0.5mg/L以下，若超过了0.5mg/L，则变压器可能存在轻微老化；若超过1.0mg/L，则可能发生比较严重的老化现象。

3.3.1 高效液相色谱法测糠醛

高效液相色谱是色谱法的一个重要分支，以液体为流动相，采用高压输液系统，将具有不同极性的单一溶剂或不同比例的混合溶剂、缓冲液等流动相泵入装有固定相的色谱柱，在柱内各成分被分离后，进入检测器进行检测，从而实现对试样的分析。

2006年，刘文山等[4]利用高效液相色谱法测糠醛含量。实验表明，如果变压器较长时间内没有进行过油处理，则糠醛的质量浓度取对数后与聚合度之间有较好的线性关系。但相对低的糠醛含量并不一定预示着变压器具有较大的绝缘裕度，因为油处理会影响绝缘油中糠醛的含量，发生在绝缘薄弱处的局部故障也会造成很大危险。

2011年，陈洁等[5]实验表明，高效液相色谱测定糠醛含量的方法准确度高、重复性好。重复性实验中，相对标准偏差RSD=0.98%；而配置不同浓度糠醛油标准液，按上述方法测定，回收率为90～110%。

3.3.2 萃取比色法测糠醛

比色法（colorimetry）通过比较或测量有色物质溶液颜色深度来确定待测组分含量。根据糠醛在水中有较大溶解度的特点，采用通过水做萃取剂萃取提纯和富集绝缘油中的糠醛，以醋酸苯胺为显色剂，直接加人被试油样中，通过分光光度计在波长520mm处比色检测来定量测定油中糠醛含量。即先配制糠醛标准色阶，绘制出糠醛含量—最大吸光度图，再把油样蒸馏萃取后比色，用记录的最大吸光度在图上计算出它的含量。该方法抗干扰能力强、操作简便、配置低廉，更适合在基层单位使用。

3.3.3 分光光度法测糠醛

分光光度法是通过测定被测物质在特定波长处或一定波长范围内光的吸光度或发光强度，对该物质进行定性和定量分析的方法。

1992年，杨凤梧等[6]根据醋酸苯胺与糠醛作用缩合成红色化合物的特征，在λ=518nm处比色测定炼油废水中糠醛含量，糠醛比色测定上限为3.0mg/L，最低检出浓度为0.3mg/L。1997年许汉英[7]以及2013年孙绍晖[8]也分别在白酒和生物质水解液中利用分光光度法测糠醛。该方法简便直观、快速和易于操作且便宜。但是，若糠醛久置后颜色后逐渐加深，就会对检测结果造成较大的影响。

3.4 CO、CO2浓度检测

由于固体绝缘老化会产生CO及CO2气体，可以通过检测二者含量的大小来对绝缘老化程度进行判断。对于同一台变压器，其结构参数是固定的，影响油中CO、CO2含量的因素相对稳定，当发现CO、CO2在原有基础上快速增长时，往往预示着固体绝缘老化程度严重。除此之外，还可根据CO2/CO比值诊断固体绝缘老化，或利用mL（CO2+CO）/g（纸）诊断变压器绝缘寿命。

利用CO、CO2含量评估固体绝缘整体老化具有不需另取样，不增加试验成本等优点。但不确定因素多，表现在油中CO和CO2含量一般没有严格的界限，规律也不明显。这主要是由于从空气中吸收的CO2、绝缘纸老化及油的长期氧化形成的CO和CO2的基值过高造成的，且油中的气体还会泄漏出去。另外，变压器油进行滤油处理后也会造成影响。这些都将影响纸绝缘老化程度的判断。

3.5 其他方法

2011年，吴静等利用离子色谱仪对变压器油进行分析检测，确定绝缘老化产生的糖分物质为岩藻糖和核糖，证实利用糖分作为变压器固体绝缘老化判据的可行性，为判断变压器固体绝缘老化提供了新的思路。

2006年，杨启平等[8]提出利用变压器极化/去极化电流测量法评估固体绝缘老化程度，由于绝缘材料的极化特性随绝缘状况而变化，可根据极化特性实现无创伤监测绝缘状况。该方法抗干扰性能好，便于现场测试。

2015年，林智勇等[9]利用回复电压法评估固体绝缘老化程度。该方法将微观、复杂的油纸绝缘变压器老化现象等效为宏观、简单的等效电路来分析，能更直观、准确地判断油纸绝缘变压器老化状况。

4 结论与展望

变压器运行过程中，固体绝缘材料会在热的作用下，发生分子裂解等化学反应。绝缘纸作为其中重要的绝缘材料，最主要的组成成分是纤维素。因此，绝缘纸的老化过程就是纤维素的降解过程，它是由水解、氧化裂解、光化学裂解、热裂解、微生物分解等多种外界因素和多种降解过程综合作用的结果，但起主要作用的是水解、氧化降解和热降解三种方式。正常情况下，电老化可忽略不计。

常见的固体绝缘老化诊断方法主要包括：绝缘纸抗张强度测试、聚合度测试、糠醛含量检测、CO/CO2检测等。各种诊断方法都有自己的优缺点，选择合适的方法是未来固体绝缘老化研究的重要课题。同时，老化产物多种多样，还可以开发出更多具有前景的评估方法。

[1]李 洁，侯英洒，赵建利.变压器油纸绝缘老化产物与聚合度的关系研究[J].科学技术与工程，2015，33：186～189+206.

[2]尚 勇，董 明，赵文彬，严 璋.油浸电力变压器固体绝缘老化的诊断[J].变压器，2002，12：35～39.

[3]李志成，王应高，郑朝辉，邢小玲.油中糠醛含量与固体绝缘材料老化关系研究[J].变压器，2012，09：48～50.

[4]刘文山，何 冰，郑晓光.变压器油中糠醛含量与固体绝缘老化关系的研究[J].广东电力，2006，03：14～17.

[5]陈 洁，赵 晨，乌日娜.变压器油中糠醛含量的检测方法及其对变压器固体绝缘材料老化的判定[J].内蒙古电力技术，2011，03：19～21.

[6]杨凤梧，李世伟.废水中糠醛的比色测定[J].环境科学，1992，06：80～83+88～97.

[7]许汉英，赵晓君.分光光度法测定白酒中的糠醛[J].应用化学，1997，03：87～89.

[8]杨启平，薛五德，蓝之达.变压器绝缘老化评估技术的研究[J].变压器，2006，05：1～5.

[9]林智勇，蔡金锭.变压器油纸绝缘老化诊断方法研究[J].电力科学与技术学报，2015，03：102～108.

TM76

A

2095-2066（2016）36-0099-02

2016-12-12

孙启林（1984-），男，山东泰安人，工程师，本科，主要从事电网规划工作。

江 沄（1987-），男，湖北随州人，本科，主要从事配网一次设备研发类工作。