林元棣 廖瑞金 張鐿議,2 柳海濱

（1. 輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術國家重點實驗室（重慶大學） 重慶 400044 2. 廣西大學廣西電力系統(tǒng)最優(yōu)化與節(jié)能技術重點實驗室 南寧 530004）

換油對變壓器油中糠醛含量和絕緣紙老化評估的影響及修正

林元棣1廖瑞金1張鐿議1,2柳海濱1

（1. 輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術國家重點實驗室（重慶大學） 重慶 400044 2. 廣西大學廣西電力系統(tǒng)最優(yōu)化與節(jié)能技術重點實驗室 南寧 530004）

為研究現場變壓器換油后油中糠醛的變化規(guī)律及換油對使用油中糠醛評估絕緣紙老化的影響，在實驗室對油紙絕緣樣品進行130℃加速熱老化，在老化的前、中、后期分別換油，對比換油前、后油中糠醛的含量。結果表明，換油后，油中糠醛大量損失；換油前、后油中糠醛含量的差值隨老化時間的加長而逐漸減小；不考慮換油，直接使用油中糠醛評估絕緣紙老化會使評估結果偏高，誤差在換油后初期尤其顯著。定義在相同的老化時間換油后與換油前油中糠醛的比例為修正函數，研究了修正函數的變化規(guī)律，并用其對換油后油中糠醛進行修正。結果表明，使用修正函數可以有效改善換油后絕緣紙老化程度的評估效果。研究了修正函數向現場運行溫度推廣的方法，以利于現場變壓器換油后的糠醛修正。

變壓器 油紙絕緣 老化評估 糠醛分析 換油

0 引言

變壓器是電網安全運行的核心設備，嚴重的變壓器故障會影響電力系統(tǒng)的供電可靠性，而且更換變壓器的經濟代價高昂[1-3]。因此，現場變壓器要求能夠安全可靠地運行幾十年。變壓器內絕緣，即絕緣油和絕緣紙組成的復合絕緣系統(tǒng)問題是引發(fā)變壓器故障的重要原因。變壓器油紙絕緣系統(tǒng)在長期運行過程中受到電、熱等多種因素的綜合作用而發(fā)生不可逆的劣化[4-8]。對變壓器內絕緣老化狀態(tài)的可靠評估，有助于及時發(fā)現潛在的絕緣缺陷和故障風險，因此可以有效地保證變壓器的可靠運行[9]。

由于變壓器絕緣紙難以取樣，現有的方法往往通過溶解于絕緣油中的物質間接評估變壓器固體絕緣狀態(tài)。典型的評估方法包括絕緣油中水分、酸值分析及油中溶解氣體分析和糠醛分析等[10]。其中，油中糠醛分析被認為可以準確反映絕緣紙的老化程度。糠醛是絕緣紙劣化過程中纖維素分子鏈斷裂產生的一種呋喃類物質[11,12]。產生的糠醛會向絕緣油中擴散，直至在油紙間平衡分布，因此絕緣油中的糠醛含量與絕緣紙的老化程度密切相關。目前各國學者對油中糠醛含量與絕緣紙聚合度（Degree of Polymerization, DP）的關系進行了大量的研究，發(fā)現油中糠醛含量的對數值與絕緣紙聚合度具有良好的負線性關系[13-17]。因此，根據油中糠醛的含量，可以推斷絕緣紙的聚合度。然而，現有的研究成果是建立在實驗室條件下對油紙絕緣樣品進行加速熱老化得到的，沒有考慮現場變壓器可能出現的換油情況。

現場變壓器在運行過程中，當絕緣油劣化到一定程度，往往采取換油措施，用新油徹底更換老化的絕緣油。在換油過程中，溶解在絕緣油中的糠醛也隨之被清除，給使用油中糠醛評估絕緣紙老化帶來困難，故現場往往采用統(tǒng)計方法研究現場變壓器油中糠醛與變壓器老化狀態(tài)的對應關系[18,19]。為排除現場換油的干擾，更好地將實驗室建立的糠醛與聚合度的關系用于現場分析，N. Lelekakis等對一臺使用了47年，因故障退出運行的變壓器進行研究，分析了該變壓器在一次換油前后油中糠醛的差值，并以此差值作為修正值，提供了一種消除換油帶來的油中糠醛影響的方法[20]。但是，該研究僅僅局限在一臺特定變壓器在特定的老化狀態(tài)進行換油前后油中糠醛含量的變化，缺乏對普遍規(guī)律的研究，因而難以推廣。

本文在實驗室條件下對油紙絕緣樣品進行加速熱老化試驗，并且在老化的不同階段對樣品進行模擬換油，分析對比換油前后在相同的老化時間點油中糠醛的含量，評估換油對油中糠醛含量及絕緣紙聚合度評估的影響。在此基礎上，提出油中糠醛換油修正函數，并給出使用修正函數后的絕緣紙聚合度評估效果。最后，提出一種將實驗室建立的油中糠醛換油修正函數推廣到現場運行溫度的方法，為工程應用提供理論參考。

1 試驗步驟

現場變壓器在運行溫度下老化十分緩慢，絕緣紙降解產生糠醛含量有限，并且一般情況下不允許吊芯取絕緣紙樣品進行聚合度測試。因此建立油中糠醛與聚合度的關系通常在實驗室模擬進行。本試驗在實驗室中使用老化箱進行130℃加速熱老化試驗。為更好地進行說明，現將現場變壓器與試驗中油紙絕緣樣品的老化、檢測和換油進行對比，如圖1所示。

圖1 現場變壓器和實驗室樣品運行檢測示意圖Fig.1 Schematic diagrams of operation and test for field transformers and experimental samples

現場變壓器通常經過若干年的運行，在檢修時進行各項理化、電氣特性檢測，如果絕緣油性能劣化到一定程度，會進行換油。整個過程在運行溫度下進行，為簡化問題，圖1中以60℃為例，認為現場變壓器的運行、檢測和換油溫度保持60℃穩(wěn)定。

實驗室中為縮短試驗周期，以130℃的加速熱老化過程代替現場變壓器60℃的運行過程，這樣就可以用幾十天的時間實現現場變壓器幾十年的老化。但是，不同溫度下糠醛在絕緣油和絕緣紙之間的分布比例是不同的，因此為準確獲得適于現場變壓器油中糠醛與聚合度的關系，取樣檢測必須在運行溫度即60℃下進行。另外，由于從130℃的熱老化溫度到60℃取樣檢測溫度，油紙間糠醛會重新擴散達到新的平衡狀態(tài)。因此在老化和取樣間加入一段時間的60℃恒溫靜置過程，保證糠醛擴散充分。

1.1 樣品預處理與加速熱老化

試驗材料為克拉瑪依25號礦物油和普通纖維素絕緣紙，油紙質量比例為10∶1。樣品預處理的步驟為：①將油和紙分別在真空箱中90℃下干燥48h；②將真空箱溫度調至60℃，將絕緣紙在絕緣油中真空浸漬24h；③將油紙絕緣樣品放入若干500mL的磨口玻璃瓶中，每個玻璃瓶含500mL絕緣油和43g絕緣紙，為使老化試驗盡量接近實際情況，在每個玻璃瓶中放入適量銅片；④將所有裝有油紙絕緣樣品的玻璃瓶放入真空箱中抽真空，然后注入高純氮氣，最后在氮氣環(huán)境中加蓋密封。

樣品預處理完成后，將所有含油紙絕緣樣品的密封玻璃瓶放入130℃老化箱中進行加速熱老化試驗。每隔5天，取出一部分玻璃瓶取樣檢測糠醛或進行換油操作。

1.2 恒溫靜置與取樣檢測

老化過程中每隔5天，取出一部分玻璃瓶，轉移到60℃的恒溫箱中，靜置5天，保證糠醛在油紙間重新分布充分。恒溫靜置后，將玻璃瓶解除密封，使用5mL注射器取絕緣油樣30mL裝入棕色瓶中，以防止油中糠醛見光分解。使用高效液相色譜法（High Performance Liquid Chromatography, HPLC）檢測絕緣油中的糠醛含量。同時根據老化的不同階段，取一定質量的絕緣紙，使用銅乙二胺溶液溶解，采用黏度法檢測其聚合度。建立油中糠醛與絕緣紙聚合度的關系。

1.3 換油

試驗中選取三個不同的換油時間點，分別在老化第5、15和25天進行換油。換油前將玻璃瓶放入60℃的恒溫箱中靜置5天。在換油前準備新油在90℃下真空干燥2天。恒溫靜置結束后，使用干燥的新油代替玻璃瓶中的老化油。然后將玻璃瓶放入真空箱抽真空并充入氮氣后密封。將換油后的油紙絕緣樣品放入130℃老化箱繼續(xù)老化，每隔5天取樣檢測油中糠醛含量，觀察換油對油中糠醛含量的影響。

2 試驗結果與數據分析

2.1 換油后糠醛在新油中的擴散

絕緣紙的老化產生糠醛，并向絕緣油中擴散。對長期運行的變壓器，糠醛在絕緣油和絕緣紙間的擴散達到平衡狀態(tài)。換油過程中，油中糠醛被清除，更換的新絕緣油中不含糠醛，因此絕緣紙中的糠醛會向油中擴散，直到形成新的平衡狀態(tài)。使用糠醛評估絕緣紙的老化應當在糠醛擴散完成、油中糠醛含量穩(wěn)定后進行。本試驗將換油后的新油紙系統(tǒng)置于60℃恒溫箱中，每隔一段時間取油樣測油中糠醛含量，分析糠醛在新油中的擴散情況。測試結果如圖2所示。

圖2 換油后油中糠醛擴散過程Fig.2 Furfural diffusion process after oil replacement

糠醛在新油中的擴散呈現先快后慢的趨勢，對圖2中的數據進行擬合，得式中，C2FAL(t)為換油后經過擴散時間t后油中糠醛的含量；a、b和τ 均為與擴散過程有關的常數，擬合結果見表1。分析擬合結果，可以得到各參數的物理意義。

表1 糠醛擴散過程擬合結果Tab.1 Fitting results of furfural diffusion process

令擴散時間t=0，則

因此，a+b表示換油剛剛完成，絕緣紙中的糠醛尚未向新油中擴散時油中糠醛的含量。理論上，剛換的新油中不含糠醛，即a+b=0，而本試驗中為0.097。新油中的糠醛主要來源于兩方面，首先是吸附在絕緣紙表面的絕緣油很難通過換油除去，這部分老化油含有糠醛；另外，試驗容器內壁殘存的少量絕緣油中也含有糠醛。這兩部分殘油中的糠醛在換油后迅速溶入新油，造成新油的初始糠醛濃度不為0。

再令擴散時間t = ∞，則

因此，a表示換油后經過充分長的時間，新油中糠醛含量達到穩(wěn)定后油中糠醛的含量，本試驗中a=0.172 8，定義換油后糠醛的殘留率R為

式中，C0為換油前油中糠醛含量，本試驗中為1.03mg/L，則可以算出換油后糠醛的殘留率為16.78%。此結果與N. Lelekakis等學者對一臺現場變壓器換油前后油中糠醛含量變化情況的研究結果大致相符[20]。

使用糠醛評估絕緣紙的老化應當在油中糠醛含量穩(wěn)定后進行。令式（1）中的C2FAL(t)為理論上糠醛穩(wěn)定值C2FAL(∞)的98 %，計算得到相應的擴散時間約為96h。即換油后經過四天的擴散，新油中的糠醛可以達到理論穩(wěn)態(tài)值的98%，可以認為擴散基本完成。因此，在試驗中選擇120h作為糠醛擴散時間，可以充分保證試驗結果的可靠性。

2.2 油中糠醛與絕緣紙聚合度的關系

老化試驗共進行35天，取樣間隔為5天，老化過程中絕緣油的顏色變化如圖3所示。可以發(fā)現，隨著老化的進行，絕緣油的顏色由無色逐漸變?yōu)闇\黃、橙紅，直至棕褐色，表明絕緣油的老化程度不斷加深。

圖3 老化過程絕緣油顏色變化Fig.3 Change of oil color during thermal aging

老化過程中每隔5天測絕緣油中糠醛含量和絕緣紙的聚合度，得到油中糠醛與絕緣紙聚合度的關系，如圖4所示。顯然絕緣紙的聚合度與油中糠醛含量的對數值呈良好的線性關系，通過擬合可得到兩者的關系如式（5）所示，擬合優(yōu)度為0.841 5。

式中，DP為絕緣紙聚合度。

式（5）可以用來評估變壓器絕緣紙的老化，但前提是變壓器沒有經過換油。經過換油處理的變壓器，在使用油中糠醛評估絕緣紙聚合度時，應對式（5）進行修正，消除換油造成油中糠醛損失帶來的誤差。

圖4 絕緣紙聚合度與絕緣油中糠醛的關系Fig.4 The relationship between DP of insulation paper and furfural of insulating oil

2.3 換油對油中糠醛含量和老化評估的影響

加速熱老化試驗共進行35天，老化過程在3個不同換油時間點進行一次換油，分別為老化第5天（DP=642.48）、老化第15天（DP=434.90）和老化第25天（DP=362.89），相應地代表在老化的前期、中期和后期換油。換油后繼續(xù)老化，測量換油前后相同的老化時間點油中糠醛的含量，分析換油對油中糠醛含量的影響，結果如圖5所示。

圖5 換油對油中糠醛含量的影響Fig.5 Effects of oil replacement upon furfural content in oil

根據圖5可知，換油會造成油中糠醛含量的減少，在不同的老化階段，換油對油中糠醛含量的影響不同。換油的時間點越早，則對油中糠醛含量的影響越小，比如在老化前期（第5天）換油，則在之后的整個老化過程中，換油樣品與不換油樣品的糠醛含量差距不大。這是因為在老化前期，絕緣紙降解程度輕微，產生并溶于油中的糠醛較少，因而此時換油，對糠醛含量的損失也較小，從老化的全程來看影響不大。而在老化后期（第25天）換油，在之后的老化過程中，換油樣品與不換油樣品油中糠醛有明顯差異。這是因為老化后期，絕緣紙劣化產生并溶于油中的糠醛濃度已經很大，因而此時換油會造成糠醛含量較大的損失，并且難以恢復。

換油后油中糠醛含量減少，因而會影響絕緣紙聚合度的評估結果。圖6中的曲線顯示了不考慮換油，直接使用油中糠醛含量代入式（5）得到的絕緣紙聚合度與實測聚合度的差異，可以直觀顯示換油對絕緣紙老化評估的影響。

圖6 換油對使用油中糠醛評估絕緣紙老化的影響Fig.6 Effects of oil replacement upon estimation of paper degradation based on furfural in oil

由圖6可知，當老化全程不換油時，采用式（5）能夠較準確地評估絕緣紙聚合度，而換油之后，直接用油中糠醛代入式（5）會使評估結果偏高。在不同老化階段換油，評估結果偏差的程度也不同。在老化前期換油，偏差最小，且偏差主要出現在剛剛換油后的時間段，隨著老化時間的加長，偏差逐漸減小。在老化后期換油，造成的評估偏差最大，雖然偏差隨著老化的進行略有減小，但仍然會使DP評估結果明顯高于實際值。

2.4 油中糠醛換油修正函數

圖5和圖6表明，油紙絕緣系統(tǒng)在換油后，不能再使用現有的糠醛-聚合度關系評估絕緣紙老化，否則會使DP評估結果高于實際值，不能充分顯示絕緣老化的嚴重程度。因此，需要將換油因素考慮到式（5）中，得到

式中，y(δ )為修正函數，δ 為換油后經過的時間，其計算式為

即在換油前，修正函數的值為1，式（6）轉化為式（5）；在換油之后，修正函數表示換油前后相同的時間點油中糠醛含量的比值。現場變壓器換油后，由于新油電導和損耗較低，絕緣溫升降低，能夠在一定程度上減緩絕緣紙老化的速度。但由于換油不能除去紙中吸附的加速老化的小分子酸，因此換油對絕緣紙老化抑制效果不明顯[21]。式（7）采用未換油時測量出的糠醛含量作為基準值，進行換油后油中糠醛含量的修正，可以滿足精度要求。

根據圖5的測試結果，在三個不同的老化時間點進行換油后，y(δ )具有隨時間增大而逐漸減小的趨勢，因此擬合函數為

式中，r、k和τ 為常數。

將三個不同的換油時間點換油后的y(δ)進行比較，如圖7所示。y(δ )中的參數擬合結果見表2。

圖7 油中糠醛修正函數的取值Fig.7 Values of furfural content modification function

表2 換油后油中糠醛含量修正函數擬合結果Tab.2 Fitting results of furfural content modification function after oil replacement

根據圖7的結果，可以看出修正函數具有以下幾點規(guī)律。

（1）在剛剛換油后（δ = 0），三個修正函數的取值幾乎一樣。即式（8）中的r+k取值是一個與換油時間點無關的常數。這是因為δ =0時，y(δ )實際上表示換油結束后油中糠醛的殘余率，如式（4）所示。糠醛殘余率只與絕緣紙表面和容器內壁殘余的老化油量有關，因此不受到換油時間選擇的影響。

（2）換油后，油中糠醛修正函數的取值均隨時間逐漸增大。這表明，換油對油中糠醛損失的影響隨時間的推移而逐漸減弱，即換油前后油中糠醛的差異并不會始終維持不變，而會逐漸減小。另外，y(δ )的增長速度與換油時間的選擇有關，換油時間點越早，則y(δ )的增長越快，這可以通過式（8）和表2中τ 的數值體現。這說明，換油越早，則換油對油中糠醛含量的影響越快消除；換油越晚，這種影響越不容易消除。

（3）換油后經過足夠長的時間，修正函數的值趨于一個小于1的常數，即式（8）中r的取值。這表明，盡管換油對油中糠醛的影響會逐漸減弱，但不會消失，換油后油中糠醛始終小于相同時間點不換油樣品的糠醛含量。另外，修正函數最終的穩(wěn)定值與換油時間點有關，換油越早，穩(wěn)定值越高；反之則越低。這也是因為換油越早，則油中糠醛的損失程度越小，因此恢復程度越高。

2.5 使用油中糠醛換油修正函數評估絕緣紙老化

根據在油紙絕緣系統(tǒng)老化過程中是否進行換油，采用相應的方法評估絕緣紙老化。如果老化全程沒有換油，則可直接使用式（5）估算聚合度；如果老化過程中進行了換油，則應根據具體換油時間使用式（6）估算聚合度。圖8顯示了使用油中糠醛換油修正函數評估絕緣紙聚合度的結果。

圖8 使用油中糠醛換油修正函數評估絕緣紙聚合度的結果Fig.8 DP estimation of insulation paper based on furfural modification function

對比圖8和圖6的評估結果可以發(fā)現，使用油中糠醛換油修正函數對油中糠醛含量進行修正后，可以顯著提高絕緣紙聚合度評估的準確性，尤其改善了換油結束初期評估結果誤差較大的問題。避免了不考慮換油因素導致的絕緣紙聚合度評估結果偏高，因而可及時發(fā)現絕緣紙的劣化問題。

3 糠醛換油修正函數的現場應用

3.1 修正函數在變壓器運行溫度下的推廣

本試驗中獲得的油中糠醛換油修正函數可以有效地消除換油造成的油中糠醛損失，進而提高使用油中糠醛評估絕緣紙聚合度的準確性。但是，現場變壓器的運行條件比實驗室條件復雜很多，尤其是運行溫度要遠低于實驗室130℃的加速熱老化溫度。而本試驗中建立的換油修正函數，即換油后與換油前糠醛含量的比值隨老化時間的關系，是在130℃下建立的。因此，要推廣到現場變壓器，需要將修正函數推廣到運行溫度。

絕緣紙在恒定溫度下的老化，符合阿倫尼烏斯方程[22]，即

式中，A為環(huán)境因素決定的常數；E為化學反應活化能（J/mol）；R為理想氣體常數，R=8.314J·mol-1·K-1；T(τ )為溫度（℃）；t為老化時間；DPt和DP0分別為老化t時間后的絕緣紙聚合度和初始聚合度。

由于糠醛的產生對應于絕緣紙的降解，即聚合度的下降，因此，只需得到相同聚合度下降程度時，與實驗室溫度下的老化時間相對應的現場運行時間，就可以將油中糠醛換油修正函數推廣到現場運行溫度。假設換油后現場運行時間為θ，運行溫度T(τ )隨負荷變化而變化，則根據式（9），現場運行時間與實驗室130℃老化t時間的絕緣老化效果相同時，可以表示為

由于現場變壓器溫度的監(jiān)測并非是連續(xù)的，而是給出一個時間段的溫度。例如，現場變壓器溫度記錄為每日溫度，則可以將式（10）中的積分簡化為求和形式，得到現場運行時間為θ 天對應的130℃等效老化時間為

式中，T(i)為第i天的變壓器溫度。根據A. M. Emsley等的研究[23]，E=(111 000±6 000)J/mol。

使用式（11）的結果可得到在現場變壓器運行溫度下，換油后經過θ 天運行，油中糠醛含量的修正函數為

根據式（12）可對經過換油并運行一段時間后的現場變壓器的油中糠醛含量進行修正。進而實現對現場變壓器固體絕緣老化程度的準確評估。

3.2 修正函數的驗證

使用現場數據驗證本文建立的糠醛換油修正模型，需要記錄變壓器的以下數據：換油前的油中糠醛含量、換油后的運行時間、換油后某個時間點的油中糠醛含量及絕緣紙聚合度以及換油后變壓器的運行溫度。

N. Lelekakis給出了一臺現場變壓器滿足以上條件[20]，現針對該變壓器進行分析。該變壓器在2004年進行換油，換油前檢測油中糠醛含量約為0.95mg/L，換油后繼續(xù)運行6年至2010年，在2010年檢測油中糠醛含量約為1.05mg/L，運行時的平均溫度約為60℃。2010年檢測到該變壓器絕緣紙平均聚合度約350。驗證步驟如下。

（1）換油前檢測油中糠醛含量為0.95mg/L，代入式（5），計算得到換油時變壓器絕緣紙的聚合度為483.70。

（2）根據換油時的聚合度483.7，結合試驗中實測聚合度與老化時間的關系，如圖8所示，可見對應的130℃老化時間應為15天左右。

（3）本文建立的換油糠醛修正模型分為老化第5、15、25天換油，根據以上分析，應當選擇老化15天換油的糠醛修正模型，模型參數見表2。

（4）該變壓器換油后的平均運行溫度為60℃，換油后運行6年，代入式（12），求得換油6年后油中糠醛含量的修正值為0.324 3。

（5）換油后運行6年，油中糠醛含量為1.05mg/L，先將油中糠醛進行修正，再評估絕緣紙聚合度，如式（6），評估出的絕緣紙聚合度為318.12。

該變壓器的實際聚合度平均值約為350，可見采用本文建立的油中糠醛修正模型，能夠較為準確地評估該變壓器的老化情況。

值得說明的是，現場變壓器的差異眾多，包括容量、運行環(huán)境及使用的絕緣材料等。這些差異會對油中糠醛含量與聚合度的關系造成影響。本文建立的修正方法是基于礦物油、纖維素絕緣紙組成的油紙絕緣樣品試驗結果提出的，油紙比例為10∶1。針對現場變壓器的多樣性，可以針對目標變壓器，制備相應的油紙絕緣樣品，建立適于目標變壓器的糠醛換油修正方法。

4 結論

現場變壓器經過換油后，油中糠醛含量減少，進而會影響以油中糠醛為基礎的固體絕緣老化狀態(tài)的評估。本文在實驗室進行加速熱老化試驗，在老化不同階段進行換油，對比換油前后油中糠醛含量，建立油中糠醛換油修正公式，以改進絕緣紙聚合度評估的準確性，并給出了推廣到現場變壓器的方法，得到的結論主要有以下幾點：

1）換油后，絕緣紙中的糠醛會向新絕緣油中擴散直到平衡。換油后檢測油中糠醛含量應當在糠醛擴散平衡后進行。

2）忽略換油的影響，直接使用糠醛與聚合度的關系評估絕緣紙的老化狀態(tài)會使評估結果偏高。換油前后油中糠醛的差值并不是恒定的，而是隨著時間的增加逐漸減小，因此不考慮換油因素，直接使用油中糠醛評估老化帶來的誤差在換油結束初期最大。換油時間的選擇對誤差影響較大，換油越早，換油造成的評估誤差越??；換油越晚，則誤差越大。

3）使用油中糠醛換油修正函數可以有效地消除換油對絕緣紙老化評估的影響。修正函數的初始值與換油時間無關，與換油后油紙絕緣系統(tǒng)的殘油率有關；修正函數的取值隨時間增加，并最終穩(wěn)定在一個小于1的常數。換油時間越早，則修正函數的取值越快穩(wěn)定，穩(wěn)定值越高，說明換油造成的影響越小。

4）根據阿侖尼烏斯方程得到了變壓器在運行溫度和130℃具有相同老化效果時的等效時間，實現了油中糠醛修正方程在變壓器運行溫度下的推廣形式。

本文提出油中糠醛換油修正方法是基于實驗室加速熱老化數據得到的，仍然具有一定的局限性，后續(xù)工作可從以下幾方面開展：

1）絕緣紙為A級耐熱，溫度高于105℃時的老化速度比溫度低于105℃時更快。因此采用更低的老化溫度（如90℃）進行人工加速老化試驗，得到的結果更符合變壓器實際工作條件下絕緣紙的老化。90℃熱老化需要的試驗周期很長，在老化過程中需要特別注意保持樣品的密封性。防止氧氣進入樣品造成糠醛氧化分解。

2）本文建立的油中糠醛換油修正方法是通過實驗室的一次加速熱老化試驗得到的，并未進行多次重復試驗。后續(xù)工作可以補充進行多次試驗驗證結果的重復性，以提高模型的可靠性。

3）本文只提供了一臺現場變壓器數據驗證油中糠醛換油修正方法，后續(xù)工作需要更多地收集滿足條件的現場變壓器數據，在更大范圍驗證本文建立的糠醛修正模型的實用性。

[1] 廖瑞金, 王季宇, 袁媛, 等. 換流變壓器下新型纖維素絕緣紙?zhí)匦跃C述[J]. 電工技術學報, 2016, 31(10)： 1-15. Liao Ruijin, Wang Jiyu, Yuan Yuan, et al. Review on the characteristic of new cellulose insulation paper used in the converter transformer[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2016, 31(10)： 1-15.

[2] 陳偉根, 滕黎, 劉軍, 等. 基于遺傳優(yōu)化支持向量機的變壓器繞組熱點溫度預測模型[J]. 電工技術學報, 2014, 29(1)： 44-51. Chen Weigen, Teng Li, Liu Jun, et al. Transformer winding hot-spot temperature prediction model of support vector machine optimized by genetic algorithm[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2014, 29(1)： 44-51.

[3] 楊麗君, 徐積全, 胡恩德, 等. 變壓器油中腐蝕性硫濃度對繞組絕緣電氣性能的影響[J]. 電工技術學報, 2016, 31(10)： 42-48. Yang Lijun, Xu Jiquan, Hu Ende, et al. The influence of corrosive sulfur concentration in transformer oil to the electrical properties of insulated windings[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2016, 31(10)： 42-48.

[4] 楊麗君, 廖瑞金, 孫會剛, 等. 油紙絕緣熱老化特性及生成物的對比分析[J]. 中國電機工程學報, 2008, 28(22)： 53-58. Yang Lijun, Liao Ruijin, Sun Huigang, et al. Contrasting analysis and investigation on properties and products of oil-paper during thermal aging process[J]. Proceedings of the CSEE, 2008, 28(22)： 53-58.

[5] 廖瑞金, 馮運, 楊麗君, 等. 油紙絕緣老化特征產物生成速率研究[J]. 中國電機工程學報, 2008, 28(10)： 142-147. Liao Ruijin, Feng Yun, Yang Lijun, et al. Study on generation rate of characteristic products of oil-paper insulation aging[J]. Proceedings of the CSEE, 2008, 28(10)： 142-147.

[6] 廖瑞金, 梁帥偉, 周天春, 等. 天然酯-紙絕緣熱老化速度減緩及其原因分析[J]. 電工技術學報, 2008, 23(9)： 32-37. Liao Ruijin, Liang Shuaiwei, Zhou Tianchun, et al. Comparison for the mineral oil-paper and the nature ester-paper insulation degradation and cause analysis[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2008, 23(9)： 32-37.

[7] 唐超, 張松, 張福州, 等. 變壓器絕緣紙纖維素耐熱老化性能提升的模擬及試驗[J]. 電工技術學報, 2016, 31(10)： 68-76. Tang Chao, Zhang Song, Zhang Fuzhou, et al. Simulation and experimental about the thermal aging performance improvement of cellulose insulation paper[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2016, 31(10)： 68-76.

[8] 梁帥偉, 廖瑞金, 郝建, 等. 一種抗老化絕緣油對絕緣紙熱老化影響及原因分析[J]. 電工技術學報, 2012, 27(5)： 21-25. Liang Shuaiwei, Liao Ruijin, Hao Jian, et al. Effects on oil-immersed paper for an antioxidation insulation oil and cause analysis[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2012, 27(5)： 21-25.

[9] 張鐿議, 廖瑞金, 楊麗君, 等. 基于云理論的電力變壓器絕緣狀態(tài)評估方法[J]. 電工技術學報, 2012, 27(5)： 13-20. Zhang Yiyi, Liao Ruijin, Yang Lijun, et al. An assessment method for insulation condition of power transformer based upon cloud model[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2012, 27(5)： 13-20.

[10] Wang M, Vandermaar A J, Srivastava K D. Review of condition assessment of power transformers in service[J]. IEEE Electrical Insulation Magazine, 2002, 18(6)： 12-25.

[11] Oommen T V, Prevost T. Cellulose insulation in oil-filled power transformers. Part II： maintaining insulation integrity and life[J]. IEEE Electrical Insulation Magazine, 2006, 22(2)： 5-14.

[12] H?hlein I, Kachler A J. Aging of cellulose at transformer service temperatures, part 2： influence ofmoisture and temperature on degree of polymerization and formation of furanic compounds in free-breathing systems[J]. IEEE Electrical Insulation Magazine, 2005, 21(5)： 20-24.

[13] Cheim L, Platts D, Prevost T, et al. Furan analysis for liquid power transformers[J]. IEEE Electrical Insulation Magazine, 2012, 28(2)： 8-21.

[14] Emsley A M, Xiao X, Heywood R J, et al. Degradation of cellulosic insulation in power transformers, part 2： formation of furan products in insulating oil[J]. IEE Proceedings-Science Measurement and Technology, 2000, 147(3)： 110-114.

[15] Feng D, Wang Z, Jarman P. Transmission power transformer assessment using furan measurement with the aid of thermal model[C]//IEEE International Conference on Condition Monitoring and Diagnosis, Bali, Indonesia, 2012： 521-524.

[16] Shang Y, Yang L, Guo Z, et al. Assessing aging of large transformers by furfural investigation[C]//IEEE 7th International Conference on Solid Dielectrics, Eindhoven, Netherlands, 2001： 272-274.

[17] MacAlpine J M K, 張潮海. 糠醛濃度判斷變壓器絕緣紙壽命的綜述[J]. 高電壓技術, 2001, 27(4)：63-67. MacAlpine J M K, Zhang Chaohai. Study on the paper ageing in transformer oil using furfural concentration[J]. High Voltage Engineering, 2001, 27(4)： 63-67.

[18] MacAlpine J M K, 張潮海. 糠醛濃度判斷變壓器絕緣紙壽命的現場測量[J]. 高電壓技術, 2001, 27(6)：46-50. MacAlpine J M K, Zhang Chaohai. Study on the paper ageing in transformer oil using furfural concentration as indication[J]. High Voltage Engineering, 2001, 27(6)： 46-50.

[19] Lewand L R. Practical experience gained from furanic compound analysis[C]//The Seventy-Third Annual International Doble Client Conference, MA, USA, 2006.

[20] Lelekakis N, Guo W, Martin D, et al. A field study of aging in paper-oil insulation systems[J]. IEEE Electrical Insulation Magazine, 2012, 28(1)： 12-19.

[21] Liao R, Lin Y, Guo P, et al. The Effects of insulating oil replacement upon power transformer condition assessment[J]. Electric Power Components and Systems, 2015, 43(17)： 1971-1979.

[22] Lundgaard L E, Hansen W, Linhjell D, et al. Aging of oil-impregnated paper in power transformers[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2004, 19(1)：230-239.

[23] Emsley A M, Stevens G C. Review of chemical indicators of degradation of cellulosic electrical paper insulation in oil-filled transformers[J]. IEE Proceedings-Science Measurement and Technology, 1994, 141(5)： 324-334.

（編輯 張洪霞）

Effects and Corrections of Oil Replacement upon Furfural Content in Insulating Oil and Aging Assessment of Insulation Paper of Power Transformers

Lin Yuandi1Liao Ruijin1Zhang Yiyi1,2Liu Haibin1
（1. State Key Laboratory of Power Transmission Equipment & System Security and New Technology Chongqing University Chongqing 400044 China 2. Guangxi Key Laboratory of Power System Optimization and Energy Technology Guangxi University Nanning 530004 China）

In order to investigate the changing of furfural content in insulating oil after oil replacement and its effects on insulation paper aging assessment, accelerated thermal aging test of oil-paper insulation samples was conducted at 130℃ in the laboratory. The aged insulating oil was replaced at the early, middle and late aging stages respectively, and the furfural content in oil was compared. The results showed that the furfural content greatly declined after oil replacement. The difference of furfural content in oil before and after oil replacement decreased with aging. If oil replacement was neglected, the aging assessment of paper will cause over-estimation, especially at the early stage after oil replacement. Furfural modification function was defined as the ratio of furfural in oil at the same time point before and after oil replacement. The changing rules of furfural modification function were studied and used to correct the furfural content. It was shown that the modificationfunction could effectively improve the aging assessment results. The furfural modification function was generalized to operation temperature, which can correct the furfural content of in-service transformers.

Transformer, oil-paper insulation, aging assessment, furfural analysis, oil replacement

TM855

林元棣 男，1988年生，博士，研究方向為變壓器狀態(tài)評估與壽命預測。

E-mail： linyuandiintor@163.com（通信作者）

廖瑞金 男，1963年生，教授，博士生導師，研究方向為電氣設備絕緣在線監(jiān)測與故障診斷研究和高電壓測試技術。

E-mail： rjliao@cqu.edu.cn

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.151796

國家創(chuàng)新研究群體基金（51321063）和國家自然科學基金（51277187）資助項目。

2015-10-30 改稿日期2016-04-08