不同类型电热应力下变压器油纸绝缘老化特性实验研究

穆 龙 兰 生 黄明亮



不同类型电热应力下变压器油纸绝缘老化特性实验研究

穆 龙1兰 生2黄明亮2

（1. 福州天宇电气股份有限公司，福州 350000；2. 福州大学电气工程与自动化学院，福州 350108）

为了研究不同类型电热复合应力对油纸绝缘老化特性的影响，本文搭建了油纸绝缘电（均匀电场、电晕放电）热（140℃）联合老化系统，对油纸绝缘进行168h的电热复合应力老化，并定期取样测量油纸绝缘老化产物含量，对比分析了不同电热复合应力与热应力下老化产物的生成规律。结果表明，油中糠醛含量、酸值，绝缘纸聚合度（DP）在电场的持续作用下相比单因子热老化以及间断的电晕放电变化更为明显，并且变压器油在电场与温度的作用下析出黑色物质。在老化168h下，绝缘纸击穿电压在温度与电场的作用下变化不明显，而间断的电晕放电使绝缘纸击穿电压变小。

电力变压器；电热老化；热老化；特征参量

油浸式电力变压器是电力系统正常运行的保障。若电力变压器出现严重故障，则将会使电力供应中断，造成严重的经济损失。根据统计表明，历年来输变电设备的绝缘故障导致的停电事故往往占当年总事故首位[1-3]。随着变压器运行时间的增长，油纸绝缘结构在热、电、水分等多种因素的联合作用下，逐渐暴露出各种绝缘老化问题。

其中，热老化是变压器内绝缘性能劣化的主要原因之一[4]，变压器在长期运行和发生故障的情况下会产生一些热量，如果热量使油纸绝缘温度升高到一定程度而使油纸裂解，就会降低油纸的绝缘性能。除此之外，电力变压器在运行中还承受着强电场的影响，强电场使有缺陷的地方绝缘长期暴露在局部放电下，绝缘介质的局部放电就是绝缘电老化的原因之一[5]。

目前，对于油纸绝缘老化参量的研究分为单因子老化和多因子老化，其中研究比较多的是单因子老化。文献[6]探究了不同温度下油纸绝缘老化参量变化情况，以及它们之间的内在联系。Motoo Tsychie等[7]对油纸绝缘样品分别采取不同的局部过热老化和局部放电老化，得到了不同老化条件下油中气体含量的差异。文献[8]研究表明，油纸绝缘在不同应力联合作用下与单应力下的老化过程是不同的。在实际的绝缘环境下，大多数绝缘材料都不可避免的受到电应力和热应力的联合作用，且电热应力并不是简单的代数叠加，而需充分考虑因子间的相互作用[9]。油纸绝缘在正常状态使用情况下，油纸绝缘可靠性较高，失效较慢，为了研究绝缘老化过程，按照其老化作用机理，可采用加速老化的方法在较短时间内获得老化数据。目前，对油纸绝缘在电晕放电情况下的研究较少，但是实际的变压器故障中有放电的案例，某一超特高压站的主变压器由于有最初的轻度电晕，演变到后来的沿面爬电，造成了主变跳闸故障并进行吊芯检查和维修，造成一定的经济损失。因此，对油纸绝缘的放电情况下的老化研究是必要的，开展油纸绝缘在电热联合加速老化下的老化特性试验较符合实际电力变压器的故障运行环境。

本文依据国内外一些相关研究的基础上，开展了油纸绝缘的热老化（140℃），以及不同类型的电热加速老化试验，对比分析了油纸绝缘在热（temperature, T）、热-电场（temperature electrical, TE）、热-电晕放电（temperature corona, TC）下生成产物的变化规律，研究结果考虑了电热之间的相互影响。相比单因子热老化、电老化在油纸绝缘变压器寿命预测上具有参考价值。

1 油纸绝缘加速老化试验

1.1 实验材料以及样品制备

选取经过干燥、过滤、除气处理的25#矿物变压器油与0.5mm厚的绝缘纸，具体参数见表1。

首先，将绝缘纸裁剪成直径为90mm的圆形，并将裁剪后的绝缘纸置于温度为80℃干燥箱中干燥48h，使得绝缘纸中的水分降到较低的水平；然后将绝缘纸浸入经过加热至40℃的25#变压器油中，恒温油浸24h；最后将处理后的绝缘纸试样放入试验油罐内，并注入新的25#变压器油。油罐底面直径为100mm，高度为100mm，油箱的盖子采用耐高温的聚四氯乙烯材质并用法兰片进行密封。

表1 试验材料具体参数

如图1所示，板-板电极产生均匀电场，板-板电极采用金属铜制成，经过抛光处理，使得其表面平整和边界光滑。电晕放电由针-板电极产生，为了使电晕放电更加均匀的影响绝缘纸，本文设计了一种多针尖针板电极，针尖数量为9个，针尖尖端角度为28°，具体参数如图1所示。油罐中油纸重量比为10∶1，以模拟实际变压器的油纸比例数量（6～10∶1）。

（a）电极示意图

（b）针板电极示意图

图1 电极示意图

1.2 试验设计

按照GB/T 1094.7—2008中对变压器过载运行的要求，绝缘油可以承受短时140℃及以上的高 温[10]。根据变压器油的闪点温度，本文将变压器油的老化温度定为140℃，探究此温度下的油纸绝缘老化情况。

如图2所示，油纸绝缘在热（T）、热-电场（TE）、热-电晕放电（TC）下T、TE、TC均放入加热老化箱中，TE组不间断施加均匀电场，TC组则每隔8h进行一次电晕放电，每次放电持续时间为5min。本文采用的是10kVA的工频交流试验变压器，水电阻起限流保护的作用。JF2001局放检测系统检测电晕放电时候，所产生的局部放电，JF-2001（干扰判别式）局部放电检测仪是上海电动工具研究所的松宝科技公司研制的产品，JF2001局放检测系统（可测试品电容范围6pF～250mF，灵敏度在0.02～10pC之间）。高压分压器连接万用表以精确读取电极两端的电压。

图2 老化系统示意图

根据变压器的实际运行环境，当所受场强大于3kV/mm时，油纸绝缘处于加速电老化状态[11]。板-板电极之间放置两张绝缘纸，总厚度为1mm，针-板电极之间放置一张0.5mm绝缘纸，针尖距离绝缘纸3mm。TE、TC的电压均由0缓慢上升，TE电压升至5kV，未检测到放电量，认为无局部放电产生并且所施加电场为5kV/mm。TC电压升至10.5kV时，出现稳定的放电信号，放电量为84～134pC，由此确定电晕放电起始电压为10.5kV。由于实验条件不同，TC与TE实验油罐不同并分别试验，如图2所示。

2 试验结果分析

2.1 油中糠醛含量

变压器油中的糠醛主要由绝缘纸纤维素劣化分解产生的[12]，其根本原因是葡萄糖环6号位的醇羟基氧化断裂。通过检测油中糠醛含量可间接判断绝缘纸的老化情况。

油中的糠醛含量测量参照IEC 61198标准[13]测试方法，采用高效液相色谱仪进行测量。根据图3中的变化规律可以看出，油中糠醛含量随着老化时间的增加而增大。T、TC组糠醛含量上升的很缓慢，而TE组的糠醛含量增长速率远大于T、TC组，当老化时间达到168h时，T、TC组糠醛含量分别为0.65mg/L、2.03mg/L，而TE组糠醛含量达到7.49mg/L，为T组的11.5倍。这说明电热复合应力相比单因子热老化加速了绝缘纸的老化，从而产生更多的糠醛溶于油中，使油中糠醛含量大幅度提升，板-板电场持续作用相比间断的电晕放电，其影响效果更大，也进一步说明了纤维素分子沿电场方向拉伸乃至断裂。

图3 油中糠醛随老化时间的变化趋势

2.2 油中酸值含量

油中酸值是一项评定变压器油老化情况的重要指标，油中的酸性物质不仅能够腐蚀电气设备，而且酸性物质的增加还能进一步促进变压器油的导电性能，使其绝缘性能降低。根据IEC 62021[14]，采用酸碱中和滴定法对不同老化时间的油样进行酸值检测。

本实验测得的酸值数据如图4所示，随着老化时间的延长，变压器油中酸值会逐渐增大。如图4所示，从样本的酸值变化情况能够看出，T、TC组酸值变化缓慢，一直维持在较低水平（＜0.6mgKOH/g＝，在140℃下加速老化240h时，T组酸值仅达到0.55mgKOH/g；TE组酸值增加速率明显比T、TC组变化快，当老化时间为168h时，T、TC组酸值分别为0.35mgKOH/g、0.49mgKOH/g，TE组酸值则达到2.86mgKOH/g，是T组的8倍 左右。

图4 油中酸值随老化时间的变化趋势

在持续的电场和过热作用下，变压器油会加速劣化并产生较多的酸性物质溶于油中，导致酸值增大。初步探究认为，电场会促进变压器油的热氧化作用，促进-COOH的生成。电晕放电也会使油的酸值增加，但可能因为其受限于油中电晕放电频率和放电持续时间的影响，以及电晕放电的作用面限制，所以试验结果中电晕放电对酸值的影响并不明显。

2.3 绝缘纸聚合度分析

绝缘纸的聚合度可以反映绝缘老化的本质特征，测量所需要的样品较少，数据分散性也比较小，是判断绝缘纸老化程度的理想参数。根据IEC 60450[15]在不同的老化时间，分别测得T、TC与TE组样本绝缘纸的聚合度如图5所示。

图5 绝缘纸聚合度随老化时间的变化规律

从图5中绝缘纸聚合度随老化时间的变化规律可以看出，随着老化时间的延长，绝缘纸聚合度逐渐降低，且下降速率由快变慢。当老化时间达到100h时，TE组聚合度值已经降至800以下：在＞800时，聚合度下降速率较快；当＜800时，聚合度下降速率开始减小。

在140℃温度下，油纸绝缘老化速度比较快，当老化时间达到240h时，T组绝缘纸聚合度已降至600左右，此时绝缘纸处于老化的中期，所以本文探究的是油纸绝缘老化前、中期的特性。对比样本的变化规律，TE组聚合度下降速率明显要大于T、TC组，可见5kV/mm电场的持续作用加速了绝缘纸的老化，这表明：电场作用下分子中极化的带正电荷的碳原子和带负电荷的氢氧原子分别沿电场正、反方向移动，从而拉长了纤维素分子链间的苷键，再加上受热作用使分子链断裂。而间断油中电晕放电对绝缘纸聚合度的影响并不明显。

图6 板-板电场与热老化后的绝缘纸

2.4 绝缘纸的击穿电压

选用逐步升压法以空气为介质对单层绝缘纸进行耐压试验，如图7试验电极按照ASTM-D149-97a规程[16]设计。初始电压为0，升压步长为1kV，每级电压保持时间为1min，逐级升压直至绝缘纸样品击穿。由于击穿电压具有一定的分散性，因此在相同的升压条件下需要重复5次击穿试验，以5次结果的中值作为该样品的击穿电压。试验环境温度为25℃，相对湿度为60%。

图7 试验电极示意图

从图8中T、TE与TC组的绝缘纸击穿电压对比情况可以看出，T、TE组的绝缘纸击穿电压变化不大。TC组的击穿电压随着老化时间的延长而出现下降趋势，此现象说明油中电晕放电降低了绝缘纸的电气强度。初步分析其原因，可能是由于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[17]。油中电晕放电产生带电粒子的冲击使得这些微小的缺陷逐渐变大或让绝缘纸产生新的损伤，造成绝缘纸内部薄弱环节的数量增加以及薄弱程度加深，进而导致绝缘纸在交流电场下更加容易产生局部放电，从而击穿。

图8 绝缘纸击穿电压随老化时间的变化规律

2.5 析出产物分析

如图9所示，在油纸绝缘电热联合老化试验过程中，TE组有黑色颗粒状物质生成，该物质的生成与电场、过热有关。另外，从TE组样品结果可看出，该黑色物质主要出现在高压电极表面上。

图9 析出产物的红外光谱图

对该黑色物质进行提取、去油、烘干并测得其红外光谱图如图9所示。从红外光谱图中可以看出，当波数为3432cm-1时，有一个吸收峰，这主要是由-OH伸缩振动形成的；在3000～2800cm-1波数范围内，有3个吸收峰，分别为2949cm-1、2965cm-1、2864cm-1，这些主要是由醛类物质中的C-H伸缩振动造成的；在1800～1100波数范围内，共有6处吸收峰。在波数为1712cm-1时的一组吸收峰主要是由-C=O的伸缩振动所造成；在1500～1300cm-1范围内吸收峰的形成主要与C-C链的伸缩振动和C-H的弯曲振动有关，从1376cm-1处的吸收峰可以看出该物质内存在-CH3；1241cm-1处的一组吸收峰主要是由C-O的伸缩振动造成的。至于该生成物对油纸绝缘的绝缘特性有何影响还需要进一步探究。

对该黑色物质进行提取、去油、烘干并测得其红外光谱图如图9所示。从红外光谱图中可以看出，当波数为3432cm-1时，有一个吸收峰，这主要是由-OH伸缩振动形成的；在3000～2800cm-1波数范围内，有3个吸收峰，分别为2949cm-1、2965cm-1、2864cm-1，这些主要是由醛类物质中的C-H伸缩振动造成的；在1800～1100波数范围内，共有6处吸收峰。在波数为1712cm-1时的一组吸收峰主要是由-C=O的伸缩振动所造成；在1500～1300cm-1范围内吸收峰的形成主要与C-C链的伸缩振动和C-H的弯曲振动有关，从1376cm-1处的吸收峰可以看出该物质内存在-CH3；1241cm-1处的一组吸收峰主要是由C-O的伸缩振动造成的。至于该生成物对油纸绝缘的绝缘特性有何影响还需要进一步的探究。

3 结论

1）本文所探究的是油纸绝缘从老化初期到老化中期的老化特性。随着老化程度的加深，相比于热老化，电热老化会促进绝缘纸聚合度的降低、油中糠醛与酸值的生成速率增加。电热复合应力下，持续电场比间断性电晕放电作用效果明显。

2）在不同类型的电热联合老化以及热老化下，油中糠醛含量对数值与绝缘纸聚合度依然呈线性关系，进一步佐证了油中糠醛全部来源于绝缘纸。

3）在电热联合老化下，电场的持续作用会降低绝缘纸的电气强度，但不明显。而油中电晕放电对绝缘纸的电气强度有显著影响，随着电晕放电次数的累积，绝缘纸的击穿电压会逐渐降低。这说明绝缘纸击穿电压与绝缘纸老化情况并没有直接联系，而主要受其内部“薄弱环节”的影响。

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Study on aging characteristics of transformer oil-paper insulation under different types of electro-thermal stress

Mu Long1Lan Sheng2Huang Mingliang2

(1. Fuzhou Tianyu Electric Co., Ltd, Fuzhou 350000;2. School of Electrical Engineering and Automation, Fuzhou University, Fuzhou 350108)

In order to study the influence of electro-thermal stress on the aging characteristics of oil-paper insulation, the electricity (uniform electric field, corona discharge) and thermal (140℃) aging system was built in this paper. The oil paper insulation was subjected to electro-thermal stress about 168h, the contents of aging products were measured periodically, and the generation principle of aging products was compared and analyzed. The results show that the changes of furfural content and acid value in oil, the DP of insulating paper are more obvious under the influence of electric field compared with single factor thermal aging and intermittent corona discharge, moreover, the transformer oil precipitates black substance under the influence of electric field and temperature. Under the aging 168h, the changes of breakdown voltage of the insulating paper is not obvious under the influence of the temperature and the electric field, while the interrupted corona discharge makes the breakdown voltage of the insulating paper become smaller.

power transformer; electro-thermal aging; thermal aging; characteristic parameter

2018-06-14

穆 龙（1983-），男，陕西渭南人，本科，工程师，主要从事开关设备和变压器设备方面生产和研究工作。

福建省自然科学基金（2015J01194）

福州大学校企合作创新基金（TYDQ1802）