孫啟林，江 沄，王倩倩

（1.廣州供電局有限公司，廣東廣州510620；2.廣州武高電力科技有限公司，廣東廣州510663；3.廣州電力設(shè)計(jì)院，廣東廣州510610）

固體絕緣老化診斷技術(shù)研究現(xiàn)狀

孫啟林1，江 沄2，王倩倩3

（1.廣州供電局有限公司，廣東廣州510620；2.廣州武高電力科技有限公司，廣東廣州510663；3.廣州電力設(shè)計(jì)院，廣東廣州510610）

變壓器是電力系統(tǒng)的核心裝置。研究表明，雖然受到諸多內(nèi)外因素的影響，但變壓器的壽命主要還是由油紙絕緣結(jié)構(gòu)的老化決定，所以，固體絕緣材料的老化診斷對(duì)變壓器具有重要意義。本文對(duì)目前的老化診斷技術(shù)及其發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了分析，為今后研究提供了方向。

固體絕緣老化；絕緣紙；老化機(jī)理；評(píng)估方法

1 前言

大型電力變壓器主要采用油紙絕緣，由絕緣油和絕緣紙組成。目前，大型變壓器使用壽命通常為為30年左右，但是，變壓器油紙絕緣系統(tǒng)在長(zhǎng)期運(yùn)行中受到溫度、水分、氧氣等各種因素的影響而不斷老化，其中絕緣油的老化可以進(jìn)行更換或者再處理以提高其絕緣性能，而絕緣紙的老化不可恢復(fù)且不易更換，因而，判斷變壓器固體絕緣（絕緣紙）的老化狀態(tài)對(duì)于保證變壓器的安全運(yùn)行意義重大。

2 變壓器固體絕緣老化機(jī)理

2.1 熱老化

絕緣紙的主要成分是由α-D-葡萄吡喃糖聚合而成的纖維素，由于其聚合鍵能較低，因此遇到高溫時(shí)，會(huì)發(fā)生斷鏈等反應(yīng)，從而使聚合度降低。這就絕緣紙的熱老化反應(yīng)。

1954年，Mc Burney通過(guò)研究纖維素的水解反應(yīng)，得出整個(gè)過(guò)程可分為兩部分：質(zhì)子加成的快速過(guò)程，質(zhì)子轉(zhuǎn)移形成帶正電荷聚合物及其與H2O反應(yīng)生成水合氫離子的慢速過(guò)程。其中，質(zhì)子在反應(yīng)中起催化作用。

2.2 氧化降解

纖維素容易被氧化，氧與纖維素分子里的碳原子發(fā)生反應(yīng)，生成醛類和羧酸，同時(shí)產(chǎn)成水、CO、CO2等。當(dāng)油面直接和空氣接觸時(shí)，氧氣是促使纖維素氧化的原因之一。

2.3 酸性水解

纖維配糖鍵在水和酸的作用下會(huì)發(fā)生斷裂而產(chǎn)生自由糖，從而導(dǎo)致纖維鏈之間鍵變?nèi)酢㈡湐嗔炎兌潭罱K生成D-葡萄糖。在變壓器內(nèi)部，油紙氧化會(huì)產(chǎn)生一定量的酸，使整個(gè)變壓器內(nèi)部環(huán)境呈弱酸性，酸會(huì)降低破裂活化能，加快纖維素的水解速率。盡管濃度很低，但由于長(zhǎng)時(shí)間處于該環(huán)境，絕緣紙還是受到其催化作用影響。因此，絕緣紙板中的含水量越多，纖維素水解速度越快。

2.4 電老化

電老化是指在外加高電壓或強(qiáng)電場(chǎng)作用下發(fā)生的老化。電場(chǎng)會(huì)使變壓器的絕緣結(jié)構(gòu)出現(xiàn)變化，進(jìn)而導(dǎo)致油紙絕緣出現(xiàn)老化現(xiàn)象。具體而言，是由于變壓器內(nèi)部存在氣隙，加之電場(chǎng)對(duì)變壓器局部的放電會(huì)不斷累積。當(dāng)累積到一定程度時(shí)，電子會(huì)發(fā)生混亂現(xiàn)象，產(chǎn)生大量的自由電子在整個(gè)電場(chǎng)中加速運(yùn)動(dòng)，破壞有機(jī)物的結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)有機(jī)物分子結(jié)構(gòu)解體現(xiàn)象，進(jìn)而出現(xiàn)老化現(xiàn)象。此外，電場(chǎng)會(huì)使油紙絕緣的降解速度加快，進(jìn)而導(dǎo)致老化速度變快。由于固體絕緣材料無(wú)法復(fù)原，所以最終必然導(dǎo)致?lián)舸?，但一般情況下影響較小。

3 固體絕緣老化診斷技術(shù)

常見的固體絕緣老化診斷方法主要包括：絕緣紙抗張強(qiáng)度測(cè)試、聚合度測(cè)試、糠醛含量檢測(cè)、CO和CO2的檢測(cè)等。

3.1 抗張強(qiáng)度測(cè)試

抗張強(qiáng)度（Tensile Strength）用于表示單位面積的破碎力。Montsinger等人研究表明：當(dāng)絕緣紙的抗張強(qiáng)度下降到初始值的50%甚至更低時(shí)，可認(rèn)為變壓器的壽命終止。但由于其樣品不易獲取，且測(cè)試結(jié)果受取樣的影響較大，同時(shí)對(duì)原有的絕緣系統(tǒng)會(huì)造成一定程度的損傷。因此，在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的變壓器中不具有太高的應(yīng)用價(jià)值。

3.2 聚合度測(cè)量

在變壓器固體絕緣老化的過(guò)程中，絕緣紙機(jī)械性能的改變遠(yuǎn)大于其電氣性能的改變，即使老化嚴(yán)重，電氣性能也不會(huì)發(fā)生顯著改變。而絕緣紙的機(jī)械強(qiáng)度主要取決于纖維素的強(qiáng)度以及纖維間化學(xué)鍵結(jié)合的強(qiáng)度。因此，可以通過(guò)測(cè)量聚合度來(lái)判斷絕緣紙的老化程度。

實(shí)驗(yàn)表明，新紙的聚合度約為1000～1300，當(dāng)其降為初始值的25%時(shí)，其拉伸強(qiáng)度約為初始值的一半，這意味著絕緣紙機(jī)械性能的完全喪失。

聚合度測(cè)量是用烏別洛特粘度計(jì)測(cè)定紙溶液的粘度，由此計(jì)算出粘均聚合度（DPv）。紙溶液的制備有紙溶解于乙酸乙脂中和紙溶解于銅乙二胺中兩種方法。實(shí)際所測(cè)定的聚合度為平均聚合度。

2015年，李潔等[1]研究表明，絕緣紙老化產(chǎn)物和聚合度之間有非常密切的關(guān)系，具體的結(jié)論為：在不同溫度下，絕緣紙聚合度下降速度增加，分解產(chǎn)物濃度增加；聚合度與分解產(chǎn)物濃度之間具有一定關(guān)系。二者結(jié)合能更準(zhǔn)確地判斷判斷油紙絕緣老化狀態(tài)。

聚合度實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確度高（2%），能從本質(zhì)上揭示了絕緣材料的老化程度，即使是極度老化的材料仍有效。但其需要停電吊芯取樣，且溫度的差異會(huì)導(dǎo)致不同部位的劣化情況不一致，從而使聚合度的數(shù)值差異較大。

3.3 糠醛含量檢測(cè)

20世紀(jì)70年代末，在分析2臺(tái)400/22kV發(fā)電機(jī)變壓器的事故原因時(shí)，檢測(cè)到溶解在油中的以糠醛為主的呋喃類化合物，并發(fā)現(xiàn)變壓器油中糠醛僅僅來(lái)自于絕緣紙等纖維素材料的老化分解，而與變壓器油無(wú)關(guān)，由此開始了基于糠醛分析的固體絕緣診斷方法的研究。該方法可以在變壓器不停運(yùn)情況下測(cè)樣，比較方便。

2002年，尚勇[2]加速老化的試驗(yàn)結(jié)果表明，糠醛含量的常用對(duì)數(shù)與絕緣紙的平均聚合度之間是高度線性相關(guān)的。其線性擬合方程為：lg（Furan）=1.065-0.0027DP。

2012年，李志成等[3]研究得出。變壓器油中糠醛含量與變壓器運(yùn)行年限有關(guān)，糠醛含量只有在運(yùn)行一定期限后才開始隨時(shí)間的延長(zhǎng)而增大。在正常情況下，變壓器油中糠醛含量在0.5mg/L以下，若超過(guò)了0.5mg/L，則變壓器可能存在輕微老化；若超過(guò)1.0mg/L，則可能發(fā)生比較嚴(yán)重的老化現(xiàn)象。

3.3.1 高效液相色譜法測(cè)糠醛

高效液相色譜是色譜法的一個(gè)重要分支，以液體為流動(dòng)相，采用高壓輸液系統(tǒng)，將具有不同極性的單一溶劑或不同比例的混合溶劑、緩沖液等流動(dòng)相泵入裝有固定相的色譜柱，在柱內(nèi)各成分被分離后，進(jìn)入檢測(cè)器進(jìn)行檢測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)試樣的分析。

2006年，劉文山等[4]利用高效液相色譜法測(cè)糠醛含量。實(shí)驗(yàn)表明，如果變壓器較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)沒(méi)有進(jìn)行過(guò)油處理，則糠醛的質(zhì)量濃度取對(duì)數(shù)后與聚合度之間有較好的線性關(guān)系。但相對(duì)低的糠醛含量并不一定預(yù)示著變壓器具有較大的絕緣裕度，因?yàn)橛吞幚頃?huì)影響絕緣油中糠醛的含量，發(fā)生在絕緣薄弱處的局部故障也會(huì)造成很大危險(xiǎn)。

2011年，陳潔等[5]實(shí)驗(yàn)表明，高效液相色譜測(cè)定糠醛含量的方法準(zhǔn)確度高、重復(fù)性好。重復(fù)性實(shí)驗(yàn)中，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差RSD=0.98%；而配置不同濃度糠醛油標(biāo)準(zhǔn)液，按上述方法測(cè)定，回收率為90～110%。

3.3.2 萃取比色法測(cè)糠醛

比色法（colorimetry）通過(guò)比較或測(cè)量有色物質(zhì)溶液顏色深度來(lái)確定待測(cè)組分含量。根據(jù)糠醛在水中有較大溶解度的特點(diǎn)，采用通過(guò)水做萃取劑萃取提純和富集絕緣油中的糠醛，以醋酸苯胺為顯色劑，直接加人被試油樣中，通過(guò)分光光度計(jì)在波長(zhǎng)520mm處比色檢測(cè)來(lái)定量測(cè)定油中糠醛含量。即先配制糠醛標(biāo)準(zhǔn)色階，繪制出糠醛含量—最大吸光度圖，再把油樣蒸餾萃取后比色，用記錄的最大吸光度在圖上計(jì)算出它的含量。該方法抗干擾能力強(qiáng)、操作簡(jiǎn)便、配置低廉，更適合在基層單位使用。

3.3.3 分光光度法測(cè)糠醛

分光光度法是通過(guò)測(cè)定被測(cè)物質(zhì)在特定波長(zhǎng)處或一定波長(zhǎng)范圍內(nèi)光的吸光度或發(fā)光強(qiáng)度，對(duì)該物質(zhì)進(jìn)行定性和定量分析的方法。

1992年，楊鳳梧等[6]根據(jù)醋酸苯胺與糠醛作用縮合成紅色化合物的特征，在λ=518nm處比色測(cè)定煉油廢水中糠醛含量，糠醛比色測(cè)定上限為3.0mg/L，最低檢出濃度為0.3mg/L。1997年許漢英[7]以及2013年孫紹暉[8]也分別在白酒和生物質(zhì)水解液中利用分光光度法測(cè)糠醛。該方法簡(jiǎn)便直觀、快速和易于操作且便宜。但是，若糠醛久置后顏色后逐漸加深，就會(huì)對(duì)檢測(cè)結(jié)果造成較大的影響。

3.4 CO、CO2濃度檢測(cè)

由于固體絕緣老化會(huì)產(chǎn)生CO及CO2氣體，可以通過(guò)檢測(cè)二者含量的大小來(lái)對(duì)絕緣老化程度進(jìn)行判斷。對(duì)于同一臺(tái)變壓器，其結(jié)構(gòu)參數(shù)是固定的，影響油中CO、CO2含量的因素相對(duì)穩(wěn)定，當(dāng)發(fā)現(xiàn)CO、CO2在原有基礎(chǔ)上快速增長(zhǎng)時(shí)，往往預(yù)示著固體絕緣老化程度嚴(yán)重。除此之外，還可根據(jù)CO2/CO比值診斷固體絕緣老化，或利用mL（CO2+CO）/g（紙）診斷變壓器絕緣壽命。

利用CO、CO2含量評(píng)估固體絕緣整體老化具有不需另取樣，不增加試驗(yàn)成本等優(yōu)點(diǎn)。但不確定因素多，表現(xiàn)在油中CO和CO2含量一般沒(méi)有嚴(yán)格的界限，規(guī)律也不明顯。這主要是由于從空氣中吸收的CO2、絕緣紙老化及油的長(zhǎng)期氧化形成的CO和CO2的基值過(guò)高造成的，且油中的氣體還會(huì)泄漏出去。另外，變壓器油進(jìn)行濾油處理后也會(huì)造成影響。這些都將影響紙絕緣老化程度的判斷。

3.5 其他方法

2011年，吳靜等利用離子色譜儀對(duì)變壓器油進(jìn)行分析檢測(cè)，確定絕緣老化產(chǎn)生的糖分物質(zhì)為巖藻糖和核糖，證實(shí)利用糖分作為變壓器固體絕緣老化判據(jù)的可行性，為判斷變壓器固體絕緣老化提供了新的思路。

2006年，楊啟平等[8]提出利用變壓器極化/去極化電流測(cè)量法評(píng)估固體絕緣老化程度，由于絕緣材料的極化特性隨絕緣狀況而變化，可根據(jù)極化特性實(shí)現(xiàn)無(wú)創(chuàng)傷監(jiān)測(cè)絕緣狀況。該方法抗干擾性能好，便于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。

2015年，林智勇等[9]利用回復(fù)電壓法評(píng)估固體絕緣老化程度。該方法將微觀、復(fù)雜的油紙絕緣變壓器老化現(xiàn)象等效為宏觀、簡(jiǎn)單的等效電路來(lái)分析，能更直觀、準(zhǔn)確地判斷油紙絕緣變壓器老化狀況。

4 結(jié)論與展望

變壓器運(yùn)行過(guò)程中，固體絕緣材料會(huì)在熱的作用下，發(fā)生分子裂解等化學(xué)反應(yīng)。絕緣紙作為其中重要的絕緣材料，最主要的組成成分是纖維素。因此，絕緣紙的老化過(guò)程就是纖維素的降解過(guò)程，它是由水解、氧化裂解、光化學(xué)裂解、熱裂解、微生物分解等多種外界因素和多種降解過(guò)程綜合作用的結(jié)果，但起主要作用的是水解、氧化降解和熱降解三種方式。正常情況下，電老化可忽略不計(jì)。

常見的固體絕緣老化診斷方法主要包括：絕緣紙抗張強(qiáng)度測(cè)試、聚合度測(cè)試、糠醛含量檢測(cè)、CO/CO2檢測(cè)等。各種診斷方法都有自己的優(yōu)缺點(diǎn)，選擇合適的方法是未來(lái)固體絕緣老化研究的重要課題。同時(shí)，老化產(chǎn)物多種多樣，還可以開發(fā)出更多具有前景的評(píng)估方法。

[1]李 潔，侯英灑，趙建利.變壓器油紙絕緣老化產(chǎn)物與聚合度的關(guān)系研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2015，33：186～189+206.

[2]尚 勇，董 明，趙文彬，嚴(yán) 璋.油浸電力變壓器固體絕緣老化的診斷[J].變壓器，2002，12：35～39.

[3]李志成，王應(yīng)高，鄭朝輝，邢小玲.油中糠醛含量與固體絕緣材料老化關(guān)系研究[J].變壓器，2012，09：48～50.

[4]劉文山，何 冰，鄭曉光.變壓器油中糠醛含量與固體絕緣老化關(guān)系的研究[J].廣東電力，2006，03：14～17.

[5]陳 潔，趙 晨，烏日娜.變壓器油中糠醛含量的檢測(cè)方法及其對(duì)變壓器固體絕緣材料老化的判定[J].內(nèi)蒙古電力技術(shù)，2011，03：19～21.

[6]楊鳳梧，李世偉.廢水中糠醛的比色測(cè)定[J].環(huán)境科學(xué)，1992，06：80～83+88～97.

[7]許漢英，趙曉君.分光光度法測(cè)定白酒中的糠醛[J].應(yīng)用化學(xué)，1997，03：87～89.

[8]楊啟平，薛五德，藍(lán)之達(dá).變壓器絕緣老化評(píng)估技術(shù)的研究[J].變壓器，2006，05：1～5.

[9]林智勇，蔡金錠.變壓器油紙絕緣老化診斷方法研究[J].電力科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào)，2015，03：102～108.

TM76

A

2095-2066（2016）36-0099-02

2016-12-12

孫啟林（1984-），男，山東泰安人，工程師，本科，主要從事電網(wǎng)規(guī)劃工作。

江 沄（1987-），男，湖北隨州人，本科，主要從事配網(wǎng)一次設(shè)備研發(fā)類工作。