油浸式变压器中油浸纸的老化及其评估技术

摘要：油浸式变压器是电力系统中最常用的一种变压器类型，其绝缘寿命主要由内部油浸纸的老化状态决定。本文总结了变压器内部油浸纸老化的主要原因，介绍了目前关于油浸纸老化状态评估的各种方法、各类方法的优缺点，并对油浸纸老化状态评估技术的发展方向进行了分析。旨在为油浸式变压器绝缘状态评估提供借鉴和指导。

Abstract： Oil-immersed transformer is the most commonly used transformer type in power system. The insulation life of oil immersed transformer is mainly depended on the aging condition of oil-impregnated paper in it. This paper summarizes the main reasons for the aging of oil-impregnated paper inside the transformer， introduces existing aging condition assessment methods as well as their advantages and disadvantages， and discusses the development trend of aging condition assessment for oil-impregnated paper. The main purpose of this paper is to provide reference and guidance for the insulation condition assessment of oil-immersed transformer.

關键词：油浸式变压器;油浸纸;老化;状态评估

Key words： oil-immersed transformer;oil-immersed paper;aging;condition assessment

中图分类号：TM855                                      文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）30-0229-02

0  引言

作为电网中应用最广泛的一次设备之一，变压器起着连接不同电压等级电网的关键枢纽作用，其安全运行直接关系到其两侧系统，乃至整个电网的安全稳定运行。随着电网规模的不断扩大，电网中各环节之间的联系也越发紧密，为避免“牵一发而动全身”，要严格避免变压器故障的发生。

在电力变压器中，油浸式变压器以其在绝缘、散热、经济性等方面的优势，成为目前，尤其是在高电压等级下，应用最广泛的变压器类型。因此，准确把握其绝缘状态，有助于更好指导运维决策，可以提高电网运行的安全性。

1  油浸纸老化状态评估的意义

在油浸式变压器内部，作为固体绝缘的油浸纸、油浸纸板（后文统称“油浸纸”），老化状态随变压器内部电场、温度等的不均匀分布而呈现空间分布性，且存在取样困难、难以替换的问题，一旦劣化，其在绝缘、机械等方面性能的下降无法逆转。因此，油浸纸是油浸式电力变压器内绝缘的薄弱环节，其绝缘状态决定了变压器的运行寿命。

据统计，一般变压器的平均寿命在约30年[1]。但由于实际所处的运行环境、所承担的负荷等方面的差异，不同变压器内部绝缘材料的老化速率也可能会存在较大差异。单纯凭借其服役时间来决定变压器是否需要维护或者替换势必存在一定的安全隐患，也会在一定程度上造成资源浪费。因此有必要对变压器的油浸纸的老化状态进行准确评估，并以此为依据来制定合理的运行、维护计划，保证电网运行的安全性、经济性。

2  油浸纸老化原因分析

在油浸纸的老化，其实质是在各因素作用下，油浸纸材料发生一系列复杂的物理和化学变化，导致材料的绝缘、机械等方面性能下降。引起老化的主要原因总体上可以归结为：电、热、机械震动和化学因素四个方面。

2.1 电老化

电老化是指在电场的长期作用下，油浸纸经过一系列的物理和化学反应，逐步发生老化的过程。油浸纸在强电场作用下的老化机理包括带电质点对材料分子的轰击、局部放电引起的热效应、放电过程中产生的辐射、活性物质对材料分子结构的破坏等。

2.2 热老化

热老化是变压器内部油浸纸老化的主要形式。其实质是在高温的作用下，油浸纸发生热降解以及其他一系列复杂的反应，导致其绝缘、机械等方面性能的下降。热老化的速率主要取决于变压器内部的运行温度，IEC 60354《油浸式电力变压器负载导则》中指出：A级绝缘的变压器，当温度在80～140℃的范围内时，温度每增加6℃，变压器油浸纸的老化速度就会增加一倍[2]。

2.3 机械老化

机械老化是指在变压器振动、短路电动力等机械应力作用下，油浸纸中分子级别的缺陷逐步发展，形成微小的裂缝并逐渐扩大的过程。机械老化的同时，在强电场作用下，材料裂缝可能会引发局部放电，进一步加快材料的老化进程。与此同时，温度升高，由于热膨胀系数的差异，还会对绝缘材料产生额外的机械应力，同样会促进机械老化进程。

2.4 化学老化

加速油浸纸老化的化学因素包括水、氧气、酸等。其中，水分对变压器油浸纸的影响最大，一方面，绝缘纸的分子结构决定了其具有较强的亲水性;另一方面，水和酸既是造成油浸纸老化的原因，又是老化的产物，它们对油浸纸的老化起“正反馈”。此外，水分的增加还会引起泄漏电流的增大和介质损耗的增加，导致发热量增加，温度升高，进一步加速绝缘老化。

3  油浸纸老化状态评估技术

现有变压器中油浸纸老化状态的评估方法，从检测对象及检测手段的角度可分直接检测方法和间接检测方法。

3.1 直接检测方法

直接检测方法以油浸纸为对象进行相关参数的测量，基于这些油浸纸自身的材料参数评估其老化状态。在直接检测方法中，最有代表性的特征量是聚合度，它直接反映了油浸纸分子结构的状态，是目前公认最可靠的特征量。许多其他的评估方法以及寿命预测模型都是以聚合度为基础建立起来的。

直接检测方法虽然可靠性高，但是存在以下两方面的问题：

①检测得到的仅是局部区域油浸纸的老化状态，未必能反映变压器整体的绝缘状态。

②油浸纸封闭于变压器内部，检测时需对变压器进行吊芯（罩）。操作上存在诸多不便，且还可能会造成绝缘受潮、受损，引起二次劣化。

3.2 间接检测方法

间接检测方法选择变压器油、变压器端口等便于检测的对象，通过对其进行相关参数的测量，提取与油浸纸老化状态相关的间接特征量，实现变压器内部油浸纸老化状态的评估。间接检测方法避免了直接对油浸纸进行相关参数测量存在的诸多不便。目前的间接检测方法可分为化学特征量检测方法、电气特征量检测方法两大类。

3.2.1 化学特征量检测方法

化学特征量检测方法主要是通过对溶解于变压器油中的，油浸纸的老化产物浓度进行检测，结合这些老化产物浓度于油浸纸老化状态之间的关系，实现油浸纸老化状态的间接评估。目前常用于评估油浸纸老化状态的化学特征量主要有糠醛浓度、CO和CO2的浓度及其比值等，标准中也给出了相应的参考值[3]。

通过油中老化生成物的含量来评估油浸纸的老化状态，取样过程对变压器运行影响较小，还可进一步通过内置传感器实现在线检测，具有很好的應用前景。但仍存在以下几方面的问题需要完善：

①变压器的换油、补油操作将直接改变老化生成物的浓度，导致评估结果可靠性下降。

②糠醛等老化生成物会与油中抗氧化剂等物质发生反应，致使测量得到的浓度偏低。

③水分、CO和CO2等物质不仅来自于油浸纸的老化，变压器油的分解、外部气体的侵入也会改变油中相应成分的浓度。

④变压器的绝缘结构、油纸比例、温度、水分等因素也会显著影响运行过程中相关化学成分的生成速率、生成量以及扩散情况。

3.2.2 电气特征量检测方法

电气特征量检测方法是测量并分析变压器整体绝缘结构在各类型激励下的响应信号，通过从相应信号中提取相关特征量，对变压器内部油浸纸的老化状态进行评估，主要方法包括局部放电信号检测、介电响应检测等。

基于局部放电信息进行油浸纸老化状态评估，可以有效避免变压器补油、换油等操作的影响，实现无损在线检测，且可进行老化定位。但是其实际应用目前受制于以下两方面的问题：

①局部放电信号的检测技术尚不成熟。抗干扰能力，精度尚难以满足要求。

②局部放电特征量与老化的关系尚不完善，无法实现老化状态的量化评估。

介电响应特性检测方法操作简单，便于现场测量，是目前油浸纸老化状态评估领域研究的热点之一。目前常用的介电响应测量方法有：极化/去极化电流法、回复电压法以及频域介电谱法。

变压器端口的介电响应特性由油浸纸、变压器油的状态，以及变压器的绝缘结构等诸多因素综合决定。单纯根据介电响应信号提取的各种特征量，虽然与油浸纸的老化状态有较强的相关性，但一定程度上仍然受到变压器油、变压器绝缘结构的影响。

4  总结与讨论

本文总结了变压器内部油浸纸老化的主要原因，并介绍了目前对于油浸纸老化状态评估的常用方法。其中，油浸纸老化的直接检测方法最为可靠，但是由于检测不便，现场一般不轻易采用。间接检测方法避免了直接检测方法的上述缺点，更适合现场检测，是变压器老化状态评估技术的必然选择。

变压器内部油浸纸的老化受电、热、力等多方面因素的作用，老化过程涉及复杂的物理、化学变化。现有的间接检测方法主要从某一些老化之后的变化来反映油浸纸的老化状态，不可避免的仍存在一定的不足，如受变压器绝缘结构、测量手段等因素的影响较大、对于介电响应、局部放电检测等方法尚难以建立起特征信号与老化状态的量化关系等。

要进一步提升变压器老化状态评估，尤其是变压器内部油浸纸老化状态评估的可靠性，一方面要从特征量本身入手，降低各方面因素对评估特征量的影响，挖掘可靠性更高、影响因素更少、与老化状态关系更稳定的特征量。另一方面，也要从数据处理的角度入手，提升评估的可靠性，如综合不同特征量、历史数据、实际运行状况，借助人工智能算法等数学分析方法，进行多元数据空间下老化状态评估。

参考文献：

[1]廖瑞金，杨丽君，郑含博，汪可，马志钦.电力变压器油纸绝缘热老化研究综述[J].电工技术学报，2012，27（05）：1-12.

[2]IEC 60354-1991. Loading guide for oil-immersed power transformers[S]. 1994.

[3]DL/T984-2005，油浸式变压器绝缘老化判断导则[S].中国电力出版社，2006.

作者简介：朱琳（1988-），女，湖北武汉人，毕业于武汉大学，硕士，工程师，主要研究方向为电磁场数值仿真、电气设备状态评估、配网不停电作业等。