楊雪瀅，李宗紅，周嘉璐，宋玉鋒，程雪婷

（1.南方電網(wǎng)云南電力科學研究院，云南 昆明 650217；2.南方電網(wǎng)云南普洱供電局，云南 普洱 665000）

0 引言

變壓器是電網(wǎng)系統(tǒng)的主要設(shè)備，實現(xiàn)對其固體絕緣老化狀況及絕緣壽命的檢測具有重要的現(xiàn)實意義。油浸式變壓器的壽命一般是指油紙絕緣系統(tǒng)的壽命，絕緣紙具有不可恢復的老化特性，因此變壓器的壽命實際上是指絕緣紙和層壓紙板的壽命。

變壓器內(nèi)絕緣紙、紙板等是以木材紙漿為原料制成的，其主要成分是長管狀纖維素，纖維素則是許多葡萄糖基以1,4-β糖苷鍵連接起來的大分子[1-2]。變壓器運行中由于溫度、水分和氧氣的作用，纖維素會逐漸降解，使聚合度（DP）降低，從而會降低紙板的拉伸強度和絕緣性能。聚合度是表征絕緣紙老化程度的重要指標之一，能夠直接反映絕緣紙板的機械強度。但是進行絕緣紙聚合度的檢測需要采取吊芯等措施，并且要從最能反映絕緣性能真實狀況的關(guān)鍵處取樣，這在變壓器的實際運行過程中是難以實現(xiàn)的。近年來，國內(nèi)外一些研究機構(gòu)研究發(fā)現(xiàn)絕緣油中甲醇含量是固體絕緣紙老化的特殊分解產(chǎn)物，可通過甲醇含量的測定實現(xiàn)對變壓器老化狀態(tài)的評估。目前，基于甲醇含量的絕緣紙老化評估方法中對于老化的診斷分析技術(shù)研究還處于起步階段，未建立標準體系，缺乏甲醇含量特征值的參考。因此，針對以油中甲醇含量為絕緣紙老化判斷指標的研究十分必要。

本研究設(shè)計不同條件下的油紙老化實驗，通過檢測老化產(chǎn)物甲醇的含量及老化過程中絕緣紙聚合度的變化，對二者之間的對應(yīng)關(guān)系進行擬合分析，同時結(jié)合不同電壓等級變壓器的油紙比例（體積質(zhì)量比），初步提出表征絕緣紙老化的油中甲醇含量的特征參考值，為基于甲醇含量的絕緣紙老化評估技術(shù)的研究提供參考。

1 實驗

采用厚度為0.07 mm的普通變壓器絕緣紙和新疆克拉瑪依25#變壓器絕緣油作為油紙絕緣老化實驗的樣品。實驗步驟如下：

（1）將絕緣紙樣品裁剪成若干尺寸為20 cm×4 cm、質(zhì)量約為1.0 g的長紙條。為了獲得不同初始水分含量的絕緣紙樣品，將卷好的絕緣紙條分為2組，分別放入20 mL玻璃瓶中，在50℃鼓風干燥箱內(nèi)充分干燥。將干燥好的絕緣紙取出，放置于高精度電子天平（MettlerToledo公司MS304S型，精度為0.1 mg）上自然吸潮。

（2）當絕緣紙初始水分含量（質(zhì)量分數(shù)）分別達到1.0%、3.0%和5.0%時，在玻璃瓶中加入15 mL的絕緣油，使油紙體積質(zhì)量比（單位為mL的油體積與單位為g的紙質(zhì)量之比）為15∶1[3-4]。氮氣條件下將玻璃瓶嚴格密封，分別在溫度為90～140℃的老化箱中進行熱老化實驗。實驗過程中按一定的時間間隔取樣，進行甲醇含量與絕緣紙聚合度測量[5]，直至絕緣紙聚合度低于200時停止取樣檢測。

（3）油中甲醇檢測采用頂空色譜法，即在恒溫恒壓條件下，在油樣與洗脫氣體構(gòu)成的密閉系統(tǒng)內(nèi)，使油中甲醇在氣、液兩項達到分配平衡，再采用毛細管色譜柱分離氣相中的甲醇，選用FID檢測器實現(xiàn)甲醇含量的測定。甲醇含量分析結(jié)果以每升油中所含甲醇的毫克數(shù)（mg/L）表示。

氣相色譜儀條件：柱溫箱起始溫度為35℃，起始保持時間為3 min，升溫速度為15℃/min，最終溫度為180℃，最終保持時間為5 min；進樣口溫度為250℃；載氣為高純氦氣，流速為1.5 mL/min；分流比為10∶1；頂空進樣器條件：加熱箱溫度為60℃，定量環(huán)溫度為80℃，傳輸線溫度為90℃，樣品瓶平衡時間為10 min，樣品瓶填充模式為恒定流量；填充壓力為101 kPa。

2 結(jié)果與分析

2.1 影響絕緣紙老化的因素分析

2.1.1 溫度對絕緣紙老化的影響

變壓器絕緣紙屬于纖維素絕緣材料，纖維素是由許多葡萄糖以1,4-β糖苷鍵連接起來的大分子。高溫使纖維素分子鏈發(fā)生解環(huán)或斷裂，產(chǎn)生活性很高的烷基自由基，烷基自由基快速與聚合物中吸附的氧氣分子反應(yīng)形成過氧化自由基，過氧化自由基從高分子鏈中獲得一個氫而形成過氧化物，同時形成一個新的自由基。過氧化氫通過裂解或歧化反應(yīng)生成更多的自由基，通過進一步的鏈增長、鏈轉(zhuǎn)移及鏈終止反應(yīng)，使高分子鏈發(fā)生斷裂。分子鏈斷裂反應(yīng)的結(jié)果是使聚合物分子量下降，絕緣紙的強度和剛度降低。圖1和圖2分別為溫度對絕緣紙聚合度和油中甲醇含量的影響曲線。從圖1～2可以看出，在相同的水分含量和老化時間下（水分含量為3%，老化時間為240 h），絕緣紙聚合度隨老化溫度的升高而下降，油中甲醇含量隨老化溫度的升高而增加。變壓器絕緣紙在熱的作用下會發(fā)生分子裂解的化學反應(yīng)，使纖維素分子鏈發(fā)生解環(huán)或斷裂，即熱解降解反應(yīng)[5]。隨著溫度升高反應(yīng)加速，絕緣材料加劇分解。因此溫度是影響絕緣紙老化的重要因素。

圖1 溫度對絕緣紙聚合度的影響曲線Fig.1 Influence curve of temperature on the polymerization degree of insulating paper

圖2 溫度對油中甲醇含量的影響曲線Fig.2 Influence curve of temperature on the methanol content in oil

2.1.2 水分對絕緣紙老化的影響

水分會大幅加速絕緣紙的老化進程，嚴重威脅油紙絕緣材料的絕緣壽命。1,4-β糖苷鍵在高溫和水的作用下很不穩(wěn)定，容易斷裂發(fā)生水解反應(yīng)，即水分子透過纖維素的長鏈分子，與相鄰的兩個葡萄糖環(huán)的氧原子反應(yīng)，形成兩個-OH，各附著于1個環(huán)，使聚合物分離為兩個部分。在高溫和水分的共同作用下，絕緣紙會加速老化降解，而絕緣紙的降解又會產(chǎn)生新的水分，生成的水分將進一步參與絕緣紙的降解反應(yīng)，水分對絕緣紙老化起到的促進作用，是絕緣紙老化最重要的影響因素之一。圖3和圖4分別為水分對絕緣紙聚合度和油中甲醇含量的影響曲線。

從圖3～4可以看出，在相同的老化溫度及老化時間下（老化溫度為100℃，老化時間為24 h），絕緣紙聚合度隨水分含量的增加而下降，油中甲醇含量隨水分含量的增加而增加。

圖3 水分對絕緣紙聚合度的影響曲線Fig.3 Influence curve of water on the polymerization degree of insulating paper

圖4 水分對油中甲醇含量的影響曲線Fig.4 Influence curve of water on the methanol content in oil

水分既是纖維素老化降解的反應(yīng)物又是老化降解的催化劑，也是纖維素老化降解的產(chǎn)物。水分是纖維素老化降解具有自催化性的主要因素。水分對纖維素老化降解的催化作用主要表現(xiàn)在3個方面[6-7]：①水分子與多羥基纖維素分子容易形成強的氫鍵相互作用，因此自由水分子容易擴散和滲透進入固體絕緣紙纖維素分子之間，產(chǎn)生溶脹效果從而降低纖維素的結(jié)晶度，增加纖維素老化發(fā)生的反應(yīng)點；②水分子不僅是纖維素水解降解的反應(yīng)物，也是作為水解催化劑質(zhì)子（氫離子）的運輸載體和提供者，因此，水分子在固體絕緣紙內(nèi)的滲透擴散性將加速水解降解；③在纖維素老化降解自由基機理中，水分子與自由基反應(yīng)可產(chǎn)生活性羥基自由基，是自由基鏈反應(yīng)的傳遞者，可導致位置相對固定的纖維素自由基降解反應(yīng)轉(zhuǎn)移到絕緣紙的其他位置，從而加速纖維素的老化。

2.2 絕緣紙聚合度隨甲醇含量的變化趨勢

變壓器在實際運行過程中受溫度、水分、油中氣體含量等因素的影響，這些影響因素相互協(xié)同，對絕緣紙的老化均起著促進作用。運行設(shè)備用絕緣紙的老化趨勢在實際運行過程中隨著這些因素的變化而有所改變。但由于受制變量過多，很難進行所有變量的模擬實驗。即使進行了各變量的實驗室模擬研究，也難以實施到運行現(xiàn)場。為解決因干擾因素過多導致絕緣紙老化診斷方法受限、診斷結(jié)果不準確等問題，本研究剔除各影響因素，通過絕緣紙老化的直接表現(xiàn)參數(shù)—纖維素聚合度和絕緣紙老化的特征產(chǎn)物—甲醇進行絕緣紙老化診斷技術(shù)的研究。研究油中甲醇含量與纖維素聚合度的相關(guān)性，建立絕緣紙老化的診斷方法。

對不同初始水分含量和不同老化溫度下隨著老化的進行，絕緣紙聚合度隨甲醇含量的變化作圖，選取4組代表性關(guān)系曲線進行分析，結(jié)果如圖5所示。

圖5 絕緣紙聚合度隨甲醇含量的變化關(guān)系Fig.5 Relationship between polymerization degree of insulating paper and methanol content

從圖5可以看出，不同初始水分和老化溫度下，絕緣紙聚合度與甲醇含量的變化趨勢均表現(xiàn)為前期聚合度下降很快，而甲醇含量增長較緩，當聚合度下降至800左右時，甲醇含量均在1 mg/L以內(nèi)。隨著老化的進行，絕緣紙聚合度的下降趨勢開始變得緩慢，而甲醇含量開始快速增加，并保持這種變化趨勢直至老化中后期。這是因為前期的纖維素老化是由1,4-β糖苷鍵在微晶纖維素的無定形區(qū)斷裂引起的[8]，隨著老化程度的提高，發(fā)生在非晶區(qū)的糖苷鍵的斷裂擴大到更有序的區(qū)域[9]，老化速率也逐步下降。而甲醇則隨著老化的發(fā)展不斷累積，含量不斷增長。

2.3 絕緣紙聚合度與甲醇含量的關(guān)系擬合

新變壓器絕緣紙的聚合度大多在1 000左右，當聚合度降到500時，絕緣紙進入老化中期；當聚合度降到250時，絕緣紙抗張強度出現(xiàn)突降，絕緣紙達到深度老化；聚合度約為150時，絕緣紙完全喪失機械強度[5]。DL/T 984—2018《油浸式變壓器絕緣老化判斷導則》中建議，當變壓器中采集的紙或紙板樣品的聚合度降低到250時，應(yīng)對該變壓器的紙絕緣老化引起注意，在有條件更換時，可考慮設(shè)備退出運行，具體判據(jù)見表1。

表1 變壓器紙絕緣聚合度判據(jù)Tab.1 Criteria of polymerization degree for transformer paper insulation

由表1可見，判斷絕緣紙老化狀況的兩個關(guān)鍵聚合度值分別為500和250。圖5中絕緣紙聚合度下降至800左右時，曲線出現(xiàn)了明顯的拐點，因此本研究在進行絕緣紙聚合度與甲醇含量的關(guān)系擬合時，略去800以上的聚合度值，從而提高擬合曲線的相關(guān)性和準確性。

對不同初始水分含量和老化溫度下的8組實驗數(shù)據(jù)進行擬合，擬合曲線見圖6。從圖6可以看出，各實驗條件下絕緣紙聚合度的對數(shù)與甲醇含量之間存在著良好的線性相關(guān)性，其線性關(guān)系均可表示為lnDP=aC+b。

圖6 絕緣紙聚合度與甲醇含量的關(guān)系擬合Fig.6 Relationship between polymerization degree of insulating paper and methanol content

分析圖6可知，各實驗條件下絕緣紙聚合度與甲醇含量的擬合方程lnDP=aC+b中，a值集中在-0.122～-0.138，b值集中在6.8～7.0，可認為不同實驗條件下，絕緣紙聚合度的對數(shù)與甲醇含量之間均存在良好的線性相關(guān)性，且其線性關(guān)系高度相似。為得到可運用于現(xiàn)場運行設(shè)備的基于甲醇含量的絕緣紙老化判斷指標，本研究對上述a值及b值取平均值，得到以下關(guān)系式：lnDP=-0.128C+6.93。此關(guān)系式適用于聚合度在200～800內(nèi)的絕緣紙老化狀況的評估。

2.4 不同電壓等級變壓器中甲醇含量判斷值的修正

不同電壓等級的變壓器中油紙比例有較大差別，甲醇檢測結(jié)果用單位體積油中甲醇毫克量表示，這會導致相同老化狀況的不同設(shè)備油中甲醇含量檢測結(jié)果出現(xiàn)不同，從而將影響變壓器絕緣紙老化狀況的判斷，因此需對不同油紙比例的變壓器進行甲醇含量判斷值的修正。本研究共收集了162臺不同廠家生產(chǎn)的不同電壓等級的變壓器進行分析，其中35 kV變壓器40臺，110 kV變壓器40臺，220 kV變壓器40臺，500 kV變壓器42臺。經(jīng)統(tǒng)計，35 kV變壓器的油紙體積質(zhì)量比大約為73∶1；110 kV變壓器的油紙體積質(zhì)量比大約為55∶1；220 kV變壓器的油紙體積質(zhì)量比大約為78∶1；500 kV變壓器的油紙體積質(zhì)量比大約為80∶1。

根據(jù)關(guān)系式lnDP=-0.128C+6.93，當絕緣紙聚合度下降至500時，即絕緣紙中度老化時，計算可得甲醇含量為5.58 mg/L；當絕緣紙聚合度下降至250時，即絕緣紙深度老化時，計算可得甲醇含量為11.00 mg/L。此時計算所得的甲醇含量均針對老化實驗所配制的油紙體積質(zhì)量比為15∶1的油紙樣品，需依照上述不同電壓等級的變壓器油紙比例對甲醇含量進行修正，修正結(jié)果見表2。

表2 不同電壓等級變壓器絕緣紙老化判斷指標Tab.2 Ageing judgment indexes of transformer insulating paper with different voltage levels

2.5 在運變壓器絕緣紙老化狀況評估

對云南電網(wǎng)內(nèi)共157臺在運變壓器進行了油中甲醇含量檢測工作，并根據(jù)上述判斷指標對157臺變壓器絕緣紙老化狀況進行評估，評估結(jié)果見表3。從表3的評估結(jié)果可知，157臺在運變壓器中共有10臺達到中度老化，其中35 kV變壓器8臺，110 kV變壓器1臺，220 kV變壓器1臺。對此10臺變壓器，將在之后的檢修過程中取得變壓器絕緣紙，通過聚合度值的測定，對這些設(shè)備老化狀況的判斷結(jié)果進行驗證。

表3 在運變壓器絕緣紙老化狀況評估Tab.3 Evaluation on ageing condition of insulating paper of transformer in operation

3 結(jié)論

通過變壓器絕緣紙老化實驗，對老化過程中絕緣紙聚合度與老化產(chǎn)物甲醇含量的變化關(guān)系進行分析，主要得到以下結(jié)論：

（1）絕緣紙聚合度的對數(shù)與甲醇含量之間存在良好的線性相關(guān)性，且不同實驗條件下，其線性關(guān)系均高度相似，可表示為lnDP=aC+b。

（2）由于不同電壓等級的變壓器油紙比例有較大差別，會使相同老化狀況的不同設(shè)備油中甲醇含量檢測結(jié)果出現(xiàn)差異，影響到變壓器絕緣紙老化狀況的判斷，因此需對不同油紙比例的變壓器進行甲醇含量判斷值的修正。

（3）針對不同電壓等級變壓器初步提出了表征絕緣紙老化狀況的油中甲醇含量特征值，為基于甲醇含量的絕緣紙老化評估技術(shù)的研究提供了參考。