（应用化学专业论文）变压器油纸绝缘老化特性分析及机理研究.pdf

摘要 电力变压器作为电网中最重要和最关键的设备之一，它运行的可靠性直接关系到电 网能否安全、高效、经济的运行。导致变压器发生事故主要原因多数是绝缘性故障。油 浸式变压器的油纸绝缘寿命决定了变压器的使用寿命。研究变压器油纸绝缘老化的特性 及机理，建立绝缘老化模型，对于识别变压器的绝缘老化程度，预测设备寿命，减少电 网事故，提高变压器运行的可靠性，具有重要的学术价值和生产应用价值。 本文选用2 5 号及4 5 号纯油和油纸，设计了变压器油纸绝缘老化实验，按有关标准 的要求完善了各老化特征参数的测量方法，并用这些方法测取了油和油纸在1 2 0 、1 0 0 和8 0 三种温度下进行热老化过程中的特征参数，如酸值、体积电阻率、微水含量、 粘度、聚合值等，讨论了各特征参数之间的相关性；用多元线性回归分析了聚合度与多 个老化参数问的线性回归关系；用g c 9 0 0 s d 气相色谱仪按d l t 7 2 2 2 0 0 0 标准分析了 老化过程中油中溶解气体如c 0 2 、c o 、氢气、甲烷、乙烯等老化产物的含量，研究了 c 0 2 c o 值与绝缘纸的老化程度的关系；用s h i m a d z ul c 1 0 a t 高效液相色谱仪和 a v a t a r 3 6 0 傅立叶红外光谱仪研究了绝缘纸的热老化；用a c c e l r y sm a t e r i a l ss t u d i o4 0 分子模拟软件建立了油纸纤维素的分子模型，用量子化学分子动力学模块d m o l 3 d y n a m i c s 模拟了绝缘纸纤维素分子在1 2 0 时热老化过程，并结合上述研究结果和有 关化学知识，初步探讨了绝缘纸的老化机理。得出的主要结论如下： ( 1 ) 油纸在老化过程中生成多种物质，其中c o 、c 0 2 主要是绝缘纸老化裂解产生 的，c 0 2 c o 比值和微水含量随老化时间的变化趋势与绝缘纸的老化阶段有密切的关 系，可以考虑用c 0 2 c o 、微水含量变化来评估变压器绝缘纸的老化程度。 ( 2 ) 一些常规老化特征参数与糠醛及聚合度之间的多元回归模型为：y = b o + b x + b 2 x 2 + b 3 x 3 + b 4 x 4 + b s x s + b 6 x 6 。这一模型有助于通过常规实验判断变压器绝缘老化的趋势 和程度，对绝缘老化注意值增长明显的设备应进行糠醛试验，以便及时掌握设备安全状 况，并制定合理的追踪试验计划，避免可能出现的设备故障。 ( 3 ) 有关老化征参数之间的相关性为：体积电阻率随酸值呈负指数关系： p 。= a e 一咖+ b ；聚合度与酸值之间呈指数关系：d p = a e “6 + c ；微水合量与聚合度之 间的关系：d p = a + b x + c x 2 ；c o d c o 比值与随着聚合度的关系：d p = a + b x + c x 2 。 ( 4 ) 油和油纸的老化与温度密切相关，温度越高，油和油纸的老化速率越快。相同 条件下，油纸各项老化参数比油的变化快，说明油纸老化速率比油快，绝缘纸促进了变 压器的绝缘老化。 ( 5 ) 老化后绝缘纸试样红外光谱显示，1 7 2 0 c m 。处有醛类吸收峰，2 9 0 0 c m 以处的 c h 伸缩振动特征吸收峰，老化前后在3 5 0 0 - 3 3 0 0 c m 1 之间的吸收峰有明显的变化，可 以得到老化过程中油纸纤维素的分子结构变化的信息，高效液相色谱分析和傅立叶红外 光谱分析都说明油纸老化过程中纤维素发生裂解产生了糠醛等物质。 ( 6 ) 初步探讨绝缘纸的老化机理是：在老化初期纤维素分子的1 、4 - 1 3 。苷键发生断 裂，生成大量的d 单葡萄糖单体和大量小分子自由基；老化后期，部分葡萄糖单体内 的毗喃环开环断裂，接着呋喃环中的半缩醛羟基断裂，生成c 0 2 、c o 以及烃类物质和 糠醛等。在一定温度下，水和氧的存在会加速绝缘纸纤维素的降解。 关键词：变压器油纸；绝缘老化；老化机理；老化特征参数；多元线性回归；分子模拟。 a b s t r a c t p o w e rt r a n s f o r m e ri so n eo ft h em o s ti m p o r t a n te q u i p m e n t si np o w e rg d d w h e t h e rt h e t r a n s f o r m e rw o r kn o r m a li s d i r e c t l yr e l a t e dt op o w e rg r i dc a nb es a f e ，e f f i c i e n ta n d e c o n o m i c a lo p e r a t i o n i n s u l a t i o nf a u l ti sm o s t l yt h em a i nr e a s o no fa c c i d e n t so c c u r r e di n t r a n s f o r m e r t h ea g eo ft h eo i l i m m e r s e dt r a n s f o r m e r si sd e p e n d i n go nt h el i f eo fi n s u l a t i o n r e s e a c h i n gt h ea g i n g c h a r a c t e r i s t i c sa n dm e c h a n i s m so ft h ei n s u l a t i n g o i l - p a p e r s o f t r a n s f o r m e r sa n de s t a b l i n gt h ea g i n gm o d e l so fi n s u l a t o r sa r ev a l u a b l eo na c a d e m i c sa n d p r o d u c t i o n sf o rt h ei d e n t i f i c a t i o no ft h ea g i n gd e g r e eo ft h ei n s u l a t o r s ，t h ep r e d i c t i o no ft h e l i f e t i m eo fe q u i p m e n t s ，t h er e d u c t i o no fp o w e ra c c i d e n t s ，t h ei m p r o v e m e n to ft h er e l i a b i l i t yo f t r a n s f o r m e r s i nt h i sp a p e rn o 2 5a n dn o 4 5p u r eo i l sa n dt h e i ro i lp a p e r sw e r eu s e do na g i n gt e s t so f t h ei n s u l a t o ro ft h et r a n s f o r m e r ，a n da c c o r d i n gt os o m er e l a t e ds t a n d a r d sm e a s u r e i n gm e t h o d s f o ra g i n gc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r sw e r ei m p r o v e d t h e s em e t h o d sw e r ee m p l o y e dt om e a s u r e t h et h e r m a la g i n gc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r ss u c ha sa c i dv a l u e ，v o l u m er e s i s t i v i t y ，m i c r o w a t e r c o n t e n t ，v i s c o s i t y ，a g g r e g a t i n gv a l u ea n ds oo no ft h e s eo i l sa n do i l - p a p e r sa t12 0 ，10 0 a n d8 0 r e s p e c t i v e l y t h er e l a t i o n s h i p sw i t n i nc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r sh a db e e n d i s c u s s e d t h el n e a r r e g r e s s i o n o ft h e d e g r e eo fp o l y m e r i z a t i o na n dm u l t i p l ea g i n g p a r a m e t e r s w e r ea n a l y z e db ym u l t i p l el i n e a rr e g r e s s i o na n a l y s i sm o d l e ；g a s e sd i s s o l v e di n t r a n s f o r m e ro i ld u r i n ga g i n gp r o c e s sw e r ea n a l y z e dt h r o u g hg c - - 9 0 0 - s dg a sc h r o m a t o g r a p h a c c o r d i n gt od l t 7 2 2 2 0 0 0s t a n d a r d ，s u c ha st h ec o n t e n to ft h ea g i n gp r o d u c to fc a r b o n m o n o x i d ea n dh y d r o g e n ，m e t h a n ea n de t h a n e ，e t c t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ea g i n gd e g r e e o ft h ei n s u l a t o ra n dc 0 2 c 0w e r es t u d i e d t h eh e a ta g i n gp r o c e s sw e r es t u d i e db ys h i m a d z u l c - 10 a th i g h p e r f o r m a n c e l i q u i dc h r o m a t o g r a p h y a n da v a t a r 3 6 0f o u r i e ri n f r a r e d s p e c t r o m e t e r t h ec e l l u l o s i cm o l e c u l em o d e lw e r ee s t a b l i s h e db ya c c e l r y sm a t e r i a l ss t u d i o 4 0 t h ec e l l u l o s i cm o l e c u l ea g i n gp r o c e s sa t12 0 。ch a db e e ns i m u l a t e db yq u a n t u m c h e m i s t r ym o l e c u l a rd y n a m i c sm o d u l e ( d m o l 3 d y n a m i c s ) c o m b i n i n gt h er e s e a r c hr e s u l t s a n dr e l e v a n tk n o w l e d g eo fc h e m i s t r y , t h et h ea g i n gm e c h a n i s mo f o i l p a p e ri sd i s c u s s e d a n d t h em a i nc o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ： i i i ( 1 ) m a n ym a t e r i a l sa r ep r o d u c e dd u r i n gt h ea g i n gp r o c e s s a sp a r to ft h ep r o d u c t s ，c a r b o n m o n o x i d ea n dc a r b o nd i o x i d ea r em a i n l yc o m ef r o mi n s u l a t i o np a p e rc r a c k i n go fa g i n g t h e 、e x p e r i m e n tr e s u l ts h o w st h a tt h e r ei sc l o s er e l a t i o n s h i pb e t w e e ni n s u l a t i o np a p e ra g i n gs t a g e a n dt h et r e n d 、析t ht h ea g i n gt i m eo fc 0 2 c oo rm i c r ow a t e r s ot h ea g i n gp a r a m e t e r so f c 0 2 c oa n dm i c r ow a t e rc a nb eu s e dt oe v a l u a t i o nt h ei n s u l a t i o np a p e ra g i n gd e g r e e ( 2 ) t h em u l t i p l er e g r e s s i o nm o d e lo ft h ed e g r e eo fp o l y m e r i z a t i o na n dm u l t i p l ea g i n g p a r a m e t e r sc a nb ed r a w e da s ：y = b o + b 1 x l + b 2 x 2 + b 3 x 3 + b 4 x 4 + b s x s + b 6 x 6 i ti su s e f u lt oj u d g e t h ei n s u l a t i o na g i n gd e g r e ea n dt r e n do ft h et r a n s f o r m e r i no r d e rt of i n d e q u i p m e n ts a f e t y c o n d i t i o n s ，f u r f u r a lt e s ts h o u l db ec a r d e df o rt h o s ee q u i p m e n t sw h o e si n s u l a t i o na g i n gn o t e v a l u e si n c r e a s eo b v i o u s l y t h e nt h er a t i o n a lt r a c kt e s tp l a ni sf o r m u l a t et oa v o i dt r a n s f o r m e r ( 3 ) t h ec o r r e l a t i o nb e t w e e nt h ep a r a m e t e r sa sf o l l o w e d ，t h e r ei san e g a t i v ee x p o n e n t r e l a t i o n s h i pb e t w e e nv o l u m er e s i s t i v i t ya n da c i dv a l u e ，p v = a e c m + b ；t h e r ei si n d e x r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ed e g r e eo fp o l y m e r i z a t i o na n da c i dv a l u e ，d p = a e l7 6 + c ；t h e r ei s c o r r e l a t i o nb e t w e e nm i c r ow a t e rc o n t e n ta n dd e g r e eo fp o l y m e r i z a t i o n ，d p = a + b x + c x 2 ； t h e r ei sc o r r e l a t i o nb e t w e e nc 0 2 c 0a n dd e g r e eo fp o l y m e r i z a t i o n ，d p = a + b x + c x 2 ( 4 ) t h ea g i n go fo i la n do i l - p a p e ri sc l o s e l yr e l a t e d 晰也t h et e m p e r a t u r e t h eh i g h e rt h e t e m p e r a t u r e ，t h ef a s t e ra g e i n gr a t eo f o i la n do i l - p a p e r a tt h es a m ea g i n gc o n d i t i o n s ，t h e a g i n gr a t eo fo i l - p a p e ri sf a s t e rt h a nt h e a to fp u r eo i l t h ec o r r e s p o n d i n gp a r a m e t e ro f o i l p a p e ra l s oc h a n g ef a s t e r i ti se x p l a i n e dt h a tt h ea g e i n gr a t eo fo i l p a p e ri sf a s t e rt h a nt h a t o ft h eo i l ，a n di n s u l a t i o na g i n gi sp r o m o t e db yt h eo i l p a p e r ( 5 ) t h ei n f r a r e ds p e c t r o s c o p yo ft h ei n s u l a t i n gs a m p l e ss h o w st h a t ，t h ea b s o r p t i o np e a k s o ft h ea l d e h y d ei sa t17 2 0 c m 一，a n dt h ec h a r a c t e r i s t i c a b s o r p t i o np e a k so ft e l e s c o p i c v i b r a t i o ni sa t2 9 0 0 c m q , a n dt h ea b s o r p t i o np e a k sb e t w e e n3 5 0 0c m 1a n d3 3 0 0 c m 1i s s i g n i f i c a n tc h a n g e d t h es t r u c t u r a lc h a n g e m e n t so fp a p e rc e l l u l o s em o l e c u l e sd u r i n ga g i n g p r o c e s sc a nb ef o u n d t h a tt h ef u r f u r a lp r o d u c e dd u r i n gt h ea g i n gp r o c e s si sc o n f i r m e db y h p l ca n di r c ( 6 ) t h ea g i n gm e c h a n i s m so fi n s u l a t i n gp a p e ra sf o l l o w e d ：t h e1 、4 b n u c l e o s i d e k e y ，w h i c hc o n n e c tg l u c o s ef o r m sc e l l u l o s ec h a i n ，i st h ee a s i e s tf r a c t u r ek e yd u r i n gi n s u l a t i o n i v a g i n gp r o c e s s l a r g ea m o u n t so fd s i n g l eg l u c o s em o n o m e r sa n dl o t so fs m a l lm o l e c u l e sf r e e r a d i c a l sa r eg e n e r a t e dd u et ot h ef r a c t u r ek e y t h e nd u r i n gt h ea g i n gl a t e r ，p a r to ft h ep y r a n o i d r i n gw i t h i nt h eg l u c o s em o n o m e ro p e n - l o o pf r a c t u r e ，a n dh a l fa c e t a lh y d r o x y lf o l l o w e d f r a c t u r e t h ec a r b o nd i o x i d e 、c a r b o nm o n o x i d e ，h y d r o c a r b o n sa n df u r f u r a la r eg e n e r a t e dw i t h t h ek e yb r o k i n g a tac e r t a i nt e m p e r a t u r e ，w a t e ra n do x y g e nw i l la c c e l e r a t et h ed e g r a d a t i o no f i n s u l a t i n gc e l l u l o s e k e y w o r d s ：o i l p a p e ro ft r a n s f o r m e r , i n s u l a t i o na g i n g ，a g i n gm e c h a n i s m s ，a g i n gc h a r a c - t e r i s t i ep a r a m e t e r s ，m u l t i - p a r a m e t e rr e g r e s s i o n ，m o l e c u l a rs i m u l a t i o n v 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：移馨絮 日期：劢年f 月；日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密耐 ( 请在以上相应方框内打“、”) 作者签名： 导师签名： 轴努雾 劲彩 日期：刀o 年6 月多日 日期：z p i 扩年b 月6 日 第一章绪论 1 1 研究变压器油纸绝缘老化的背景及意义 随着我国电力工业的飞速发展，发、输、变电设备正向着大容量、高电压方向发展， 5 0 0 k v 的交、直流电气设备也广泛得到应用，并逐渐成为电网系统的主骨架。电力变压 器作为电网中的最重要的设备之一，它运行的可靠性直接关系到电网能否安全、高效、 经济的运行。变压器在运行过程中不可避免的会出现各种事故和故障，对变压器故障的 分析和监测是近年来的研究热点。 导致变压器发生事故主要原因多数是绝缘性故障。虽然运行中变压器发生事故原因 是多方面的，变压器包括磁路、冷却系统、绕组、分接变化装置和绝缘系统等，任何一 个部件或系统不能正常工作都可能引起故障的发生，但其中绝缘事故一直是造成变压器 故障的主要因素【1 】。据相关资料统计，变压器故障中，由绝缘事故引起的占很大比例【2 - 3 】。 例如：美国变压器维护协会编著的变压器维护指南中说明：“很多数据说明，大多 数变压器的故障都是由绝缘系统的损坏造成的，其比例占所有故障因素的8 5 ”【4 】；依 据华东电网2 0 0 0 - 2 0 0 1 年底的变压器事故统计【5 1 ，11 0 k v 以上的变压器1 3 台出现设备事 故，其中绝缘故障占6 9 3 ；据不完全统计，1 9 8 2 , - 2 0 0 0 t 6 j 年国内正在运行的5 0 0 k v 变 压器6 1 8 台，有4 l 台出现事故，其中绝缘事故占6 1 ；2 0 0 4 l7 】年国家电网公司1 1 0 k v 以上的变压器有5 3 台出现事故，事故总容量为4 2 2 1 5 m v a ，其故障仍以绝缘事故为主， 其中由绝缘故障引起的事故占8 1 1 。 变压器一旦出现绝缘故障，可能导致电网停电，且修复困难，修复期长。由于变压 器设备造价昂贵，变压器故障造成的经济直接损失( 包括设备损失和电量损失) 和间接 损失( 停电引起的) 巨大，如果再考虑社会效益，损失将更大【8 】。 油浸式变压器绝缘系统主要由液体绝缘和固体绝缘两部分组成，固体绝缘就是油纸 ( 绝缘纸或固体绝缘纸) 绝缘。运行经验表明，固体绝缘寿命决定了变压器的使用寿命 9 , 1 0 1 。 固体绝缘寿命是指油纸纤维素的使用寿命，油纸在运行期间不能更换，直至寿命终止。 变压器油纸作为绝缘系统的重要组成部分，在运行的过程中，长期受到温度、电场、 氧气、水分和金属杂质等多因子老化影响，绝缘性能下降，直接威胁到变压器的安全运 行。变压器油纸老化机理非常复杂，至今并不完全清楚。另外，由于变压器内部是一个 非常复杂的绝缘系统，在系统运行老化过程中，系统各部位所承受的老化应力又不尽相 同，很难通过单一的变量描述老化程度。但通过监测系统老化特征产物气体、糠醛、水 分及酸值等含量变化可以有效表征老化程度【l l - 1 3 】，识别电气设备绝缘的老化程度，预测 设备寿命，对于确保安全生产有着重要的意义。 尤其是目前国内外电力系统中很多变压器都已经达到了其设计寿命年限【1 4 1 ，但考虑 到成本及经济效益等因素，很多变压器仍在为电力系统承担着输变电的任务。这些变压 器都进入绝缘寿命晚期，承受短路故障和过热故障的能力都明显下降，这些都是造成变 压器绝缘故障的主要原因。因此如何采用有效的检测手段，科学准确的判断出运行中变 压器油纸的老化程度和使用寿命，对于减少事故的发生，提高变压器运行的可靠性及电 网的经济效益无疑具有重要的学术价值和生产应用价值。 1 2 变压器绝缘系统的结构 1 绝缘结构的分类3 】 图1 1 变压器绝缘结构图 f i g 1 1 t r a n s f o r m e ri n s u l a t i o ns t r u c t u r e 2 油浸变压器的绝缘通常分为在油箱内部的内绝缘和在空气中的外绝缘。变压器的绝 缘分类见图1 1 所示。 。 油浸式变压器的主、纵绝缘主要是由介电常数很高的油浸纸和介电常数低的变压器 油组合而成的。由于变压器油的场强较高，达到一定程度会产生局部放电，甚至会击穿， 因此会在高电场部位设置油隙，变压器主绝缘一般都是靠多层绝缘筒细分割油隙，来提 高击穿场强的。 2 结缘结构特点 变压器中油纸组合绝缘结构主要有三种：覆盖、绝缘层和隔板。如图1 2 所示。采 用这种结构目的是提高绝缘强度，减少绝缘结构尺寸和油中杂质的影响，提高绝缘系统 的经济效益。 绝缘纸和绝缘纸板是由未经漂白的磷酸盐纤维素( c 6 h l 0 0 5 ) 经造纸而成的，宏观 的纤维素具有透气性、吸水性和吸油性，击穿强度、机械强度和耐热性均不高，干燥浸 油后，可显著提高其电气性能；杂质对变压器油的影响较大，油纸组合可以明显减小杂 质对油的击穿场强的影响，比单独使用油或纸的绝缘强度高。覆盖是纸固体绝缘纸紧贴 电极表面，从而有效阻碍导电杂质或极性杂质在电极表面形成小桥。与覆盖层相比，绝 缘层的厚度可达几十毫米，他不仅阻碍杂质形成“小桥”，还能承担一定比例的电压。隔 板在变压器中使用的比较多，一般是1 5 6 m m 厚的绝缘纸板，放置于两个电极间的油 间隙中，提高不均匀电场的击穿电压。 9 谡王疆囚 p 图图 u b ) c ) 国 一舞 娶跚& 圆 d )e ) a ) 覆盖b ) 绝缘层c ) 隔板d ) 覆盖加隔板e ) 多重隔板 1 2 油纸组合绝缘结构的图组合方式 f i g 1 2 t h ec o m b i n a t i o n sg r a p ho i l p a p e ri n s u l a t i o ns t r u c t u r e 1 3 变压器油纸绝缘老化的影响因素 变压器绝缘系统主要包括变压器油绝缘和油纸绝缘。变压器油纸的主要成分是变压 器油和绝缘纸纤维素，纤维素是由长链的葡萄糖单糖组成的有机物，当发生绝缘故障时， 绝缘纸纤维素裂解产生低分子烃类物质和c o 。等。 变压器油纸绝缘老化的影响因素有：温度、水分、氧气、电场及油纸的老化产物等， 其中最主要的因素是温度和水分。 1 温度对油纸老化的影响【1 5 】 温度是影响油纸绝缘热老化的主要因素之一。变压器绝缘系统内各部位温度分布不 同，即变压器运行过负载、线圈不正确换位引起的环流以及短路事故或结构缺陷等因素 都可能导致局部过热。另外油泥沉聚在线圈上或油的粘度增加，也可能导致线圈温度升 高。变压器的绝缘故障多是由热作用开始，运行局部温度升高，降低了绝缘油纸的电气 性能和机械性能，加速了绝缘老化过程，即油纸发生裂解，生成水、酸性有机物质和气 体等，使油纸绝缘寿命降低。v m m o n t s i n g e r 在1 9 3 0 年首次指出了温度每升高l o c 贝0 绝缘寿命减半，即变压器的绝缘寿命与温度间的1 0 。c 8 燃系。i e e es t dc 5 7 9 1 1 9 9 5 1 1 6 】 和r a l i p s h t e i n 1 7 1 等人研究了老化速率和温度之间的关系： 扣哦p ( 高) d 其中：a ，b 常数； t h 绕组热点温度，。 1 0 0 0 1 绝 1 0 缘 寿 磊 1 0 1 o 0 1 0 1 。斋g ：o ，j 卜迪，5 0 ，知 ，晶 绕组热点温度，。c 图1 3 绝缘寿命与绕组温度之间的关系 f i g 1 3t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ni n s u l a t i o nl i f ea n dt h 4 在油纸热绝缘老化过程中，绝缘纸纤维素长链的断裂速度，主要取决于其最热点温 度。高温下，纤维素发生热降解使纤维素分子链解坏或断裂，断键位置可能是纤维素分 子的任何部位。c o 键的热稳定性比油中的c h 键要弱得多，即使在j 下常温度下，纤维 素分子中c o 键也可能被打开。 当变压器温度升高时，油纸中的纤维素就容易断开配糖键和葡萄糖链，纤维素长链 断裂生成糠醛、c o 、c 0 2 、水分和有机酸等。纤维素绝缘老化，纤维结构链的断裂主要 取决于热点温度。例如绝缘纸纤维素的热解过程中，加热至1 0 0 时，纤维素就会缓慢 降解，加热至2 0 0 左右时，油纸中有氧化物、水等存在。 2 水分对油纸老化的影响 水分是变压器油纸绝缘老化过程中的头号敌人，【1 8 】。水分会加快油纸的降解速度， 而在降解过程中其本身并不消耗，所以水分是油纸老化的“优质催化剂”。纤维素具有 很强的吸水性，所以水分在变压器油和油纸中并不是平均分配的，油纸中的水分含量比 油中大得多。v gd a v y d o v 介绍了0 - 1 2 0 。c 之间，水分在纸中的动态变化( a w p ) 与纸中游 离水( w c p a ) 及油温之间的关系【1 9 l ，见图1 4 。当油和绝缘纸中水分达到平衡状态时，绝 缘纸纤维素中水分含量甚至达到油中含水量的百倍以上，可见水分对油纸老化的影响主 要体现在对绝缘纸纤维素老化的影响。 零 芷 霎 图1 4 a w d 与w c p a 及油温之间的平衡关系关系 f i g 1 4m o i s t u r ee q u i l i b r i u mc u r v e sr e l a t i n gw a t e r - i n p a p e ra c t i v i t yt ot h e a c t i v e w a t e rc o n t e n t o fp a p e rf o rat e m p e r a t u r er a n g e0 12 0 c 油纸绝缘含水量越高，水分对纤维素降解的催化加速作用越明显【2 0 1 ，国内外许多专 家研究了水分与绝缘老化之间的关系1 2 1 - 2 6 1 。i f o f a n a l 2 7 , 3 0 】指出了绝缘纸纤维素老化速率 与含水量成j 下比例关系。干燥的绝缘纸纤维素暴露在空气中时，会通过化学方式形成氢 键结构吸收水分或者以物理吸附方式吸附水分。水分的存在无疑会加速油纸老化的速 度，含1 水分的绝缘纸老化速度比含0 1 水分的绝缘纸老化速度快1 0 倍；a m f r a n k l i n 认为含4 水分的绝缘纸比含0 5 水分的绝缘纸的老化速率快2 0 倍【2 8 】；a m e m s l e y l 2 9 指出绝缘纸纤维素中含水量升高o 5 ，则绝缘纸寿命就减半的规律。可见水分对绝缘 纸纤维素的危害是非常严重的。但现实变压器运行中，油纸中很难避免水分的存在。纤 维素老化降解过程产生的水分又作为催化剂，促进了纤维素的迸一步裂解，绝缘纸纤维 素的裂解表现为绝缘纸脆化、碳化程度加剧。 水分对绝缘纸的危害是导致出现绝缘击穿的主要因素之一，在冲击电压存在下，水 分可能降低绝缘纸冲击强度。水分对绝缘纸的另一破坏是使油纸绝缘介质损耗因数增 高，绝缘纸老化碎裂或油道中出现纤维素，都可能进一步使绝缘介电性能下降。 3 氧温度对油纸老化的影响 氧对油纸绝缘老化降解的影响与水分作用相当【3 0 1 。变压器中氧的来源可以从大气中 进入，也可以由纤维素受热作用而放出氧。当变压器油在有氧环境下受到氧化作用以后， 会生成一些极性的化合物，如酸类和过氧化物类，当这些物质与水分共存时，会使纤维 素的氧化过程加速。 j f a b r e 【2 7 】研究发现，绝缘纸中含氧量为0 3 0 0 , - - 5 时，其老化降解速率会增加2 5 倍。 j r a t i s l a v 3 1 1 的研究表明当含氧量在2 0 0 0 p p m 以下时，油纸绝缘老化速率明显下降，而 当氧气含量在3 0 0 p p m 以下时，油纸绝缘老化降解速率变得非常缓慢。k a l c h l e r 、h o h l e i n l 3 2 】 等人研究发现，油纸的绝缘老化速率在有氧环境下是密闭环境下的三倍。 绝缘纸纤维素具有多孔性，能吸附注入变压器内油中1 0 的油和氧，使得从注油时 就开始了纤维素的氧化降解。更可怕的是油纸可以选择性的吸附油氧化生成物中的有机 酸( 即低分子酸) ，在氧和水存在时，低分子酸对纤维素具有强烈的破坏作用。这些低 分子酸在劣化初期完全被纤维素吸附，使得劣化过程的速度变慢。而氧化反应则会浸入 到纤维素分子的分子链中，这种化学变化结果导致更多的极性基团形成，并生成更多的 水分，进一步促进纤维素的老化降解。这种恶性循环的结果是导致纤维素的降解加速【3 3 1 。 4 电场对油纸老化的影响 目前，固体绝缘纸在电场中的老化行为还没有形成成熟或者公认的理论。通常认为 是绝缘内部和绝缘交界处的气泡在非均匀电场强度下出现“电子雪崩”，产生自由电子， 这些电子在电场强度下做自由运动而获得能量，当这些能量刚好与c = c 或c = c 的化学 键能相近时，就会破坏有机物的分子结构。电场可能加速油的降解，形成酸性物质，并 6 沉聚在绝缘纸的表面，进而加速油纸的绝缘老化【2 9 1 。 5 其它杂质的影响【3 1 变压器内部的固体杂质也被称为异物，可分为导电性杂质、导磁性杂质与非导电性 杂质两种。导磁性杂质主要指铁粉，导电性杂质包括铜粉、铝粉、碳粉等；非导电性杂 质主要指绝缘纸屑、纤维、漆皮及用于净化油的硅胶等。 油中有导电性颗粒存在时，油的击穿电压会降低3 0 左右。非导电性杂质对油纸绝 缘的影响可以用“小桥理论”的含义来解释。水分与纤维素都是极性很强的物质，相对介 电常数较高( 分别是8 1 、6 7 ) ，极易沿着电场方向排列成“小桥”杂质，使其附近区域的 变压器油电离，产生气泡，进而引发局部放电或造成油隙间隙减小或击穿，引发变压器 故障。 1 4 国内外研究现状 目前对变压器的主要是状态研究，通过分析变压器的状态进而可以制定维护战略， 为此主要进行两方面的研究：变压器剩余寿命的估计；确定变压器目前状况及部件的危 险性。 1 4 1 油纸老化模型 由于变压器在运行中，绝缘系统的油纸绝缘老化受到热、机械、电的综合作用，导 致纤维素的裂解老化，直至绝缘失效。可见造成绝缘劣化的因素是多方面的，不同的因 素引起不同的劣化模式。 为了更好的预测变压器使用寿命，国内外许多专家上世纪初就开始致力于变压器寿 命模型的研究。目前公开报道的老化模型主要有如下几种： ( 1 ) 热老化模型 2 0 世纪初【3 4 1 ，v m m o n t s i n g e r 首次提出了绝缘寿命与热老化温度之间的经验关系， 即1 0 * c 半寿命规则；但1 9 8 5 年，e p r i 发现不同绝缘纸的半寿命温度是不同的；1 9 4 8 年，d a k i n 指出油纸热老化是化学反应过程，遵循化学反应速率定律，并根据阿累尼乌 斯方程，提出了油纸热老化的模型，即： l = a e x p ( b t )( 1 - 1 ) 式中i 一绝缘寿命； t _ 韫度： 7 a ，& 一常数。 国际电工委员会规定【3 5 l ，在8 0 1 4 0 的范围内，温度每升高6 c ，变压器的绝缘老 化速度将增加一倍。 ( 2 ) 电老化模型 只考虑电场强度的影响的单因子电老化模型是较简单的单因子电老化模型，数学表 达式仍与阿累尼乌斯方程相似： l = a e x p ( - b e ) ( 1 2 ) 式中e 电场强度； a ，b 常数。 ( 3 ) 多因子老化模型 实际运行中变压器油纸绝缘老化并不是单一因素绝缘老化的结果，而是多种因素共 同作用的老化结果。因此，结合电热两种因素的模型更具有现实意义。目前常见的多因 素老化模型有以下几种 3 6 - 3 9 1 ： a ) s i m o n i 模型。1 9 9 2 年，s i m o n i 对a r r h e n i u s 方程进行了改善，采用老化总量描 述老化性能，推导出了电热联合老化寿命模型： l ( t ，e ) = l 。e x p ( 一b a ( 1 t ) ( e e o ) 州) 式中l o 为t = t o ，e = e o 时的寿命； n = n b a ( 1 t ) - o t o ) b ) r d i t i u 模型。r a m u 通过反幂定律常数与温度的有关协同效应，在经典应力老化速率 乘积的基础上推出老化寿命模型： l ( t ，e ) = c ( t ) e 1 ne x p ( 一b a ( 1 t ) ) 式中，c ( t ) = e x p ( c l c 2 a ( 1 t ) ) ； n ( t ) = n l 一1 1 2 a ( 1 t ) ；c l ，c 2 ，n l ，n 2 为常数。 c ) f a l l o u 模型。f a l l o u 提出了基于电老化指数模型的半经验老化模型： l = e x p a ( e ) + b ( e ) t 】 式中：a ( e ) = a l + a 2 e ， b ( e ) = b l + b 2 e 。 8 另j t - 目前还有m o n t a l l a r i 【4 0 1 模型和c r i n e 4 1 1 模型等，这些模型大多都是在单因子老化 模型基础上推导得出的。 1 4 2 油纸老化判据 目前，诊断油纸绝缘老化的方法主要是通过测试油纸绝缘老化参数实现的，目前被 公认的用于评价油纸绝缘老化的方法有变压器溶解气体分析法( d g a ) 、聚合度检测法、 糠醛分析法等【1 , 1 0 , 4 2 4 6 1 。 1 d g a 法 在变压器绝缘故障或事故的各种检测手段中，油中溶解气体分析法( d g a ) 是通用 的方法。d g a 对故障的判断较灵敏