摘要：油浸式變壓器是電力系統(tǒng)中最常用的一種變壓器類(lèi)型，其絕緣壽命主要由內(nèi)部油浸紙的老化狀態(tài)決定。本文總結(jié)了變壓器內(nèi)部油浸紙老化的主要原因，介紹了目前關(guān)于油浸紙老化狀態(tài)評(píng)估的各種方法、各類(lèi)方法的優(yōu)缺點(diǎn)，并對(duì)油浸紙老化狀態(tài)評(píng)估技術(shù)的發(fā)展方向進(jìn)行了分析。旨在為油浸式變壓器絕緣狀態(tài)評(píng)估提供借鑒和指導(dǎo)。

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(guān)鍵詞：油浸式變壓器;油浸紙;老化;狀態(tài)評(píng)估

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

中圖分類(lèi)號(hào)：TM855 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1006-4311（2020）30-0229-02

0 ?引言

作為電網(wǎng)中應(yīng)用最廣泛的一次設(shè)備之一，變壓器起著連接不同電壓等級(jí)電網(wǎng)的關(guān)鍵樞紐作用，其安全運(yùn)行直接關(guān)系到其兩側(cè)系統(tǒng)，乃至整個(gè)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，電網(wǎng)中各環(huán)節(jié)之間的聯(lián)系也越發(fā)緊密，為避免“牽一發(fā)而動(dòng)全身”，要嚴(yán)格避免變壓器故障的發(fā)生。

在電力變壓器中，油浸式變壓器以其在絕緣、散熱、經(jīng)濟(jì)性等方面的優(yōu)勢(shì)，成為目前，尤其是在高電壓等級(jí)下，應(yīng)用最廣泛的變壓器類(lèi)型。因此，準(zhǔn)確把握其絕緣狀態(tài)，有助于更好指導(dǎo)運(yùn)維決策，可以提高電網(wǎng)運(yùn)行的安全性。

1 ?油浸紙老化狀態(tài)評(píng)估的意義

在油浸式變壓器內(nèi)部，作為固體絕緣的油浸紙、油浸紙板（后文統(tǒng)稱(chēng)“油浸紙”），老化狀態(tài)隨變壓器內(nèi)部電場(chǎng)、溫度等的不均勻分布而呈現(xiàn)空間分布性，且存在取樣困難、難以替換的問(wèn)題，一旦劣化，其在絕緣、機(jī)械等方面性能的下降無(wú)法逆轉(zhuǎn)。因此，油浸紙是油浸式電力變壓器內(nèi)絕緣的薄弱環(huán)節(jié)，其絕緣狀態(tài)決定了變壓器的運(yùn)行壽命。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，一般變壓器的平均壽命在約30年[1]。但由于實(shí)際所處的運(yùn)行環(huán)境、所承擔(dān)的負(fù)荷等方面的差異，不同變壓器內(nèi)部絕緣材料的老化速率也可能會(huì)存在較大差異。單純憑借其服役時(shí)間來(lái)決定變壓器是否需要維護(hù)或者替換勢(shì)必存在一定的安全隱患，也會(huì)在一定程度上造成資源浪費(fèi)。因此有必要對(duì)變壓器的油浸紙的老化狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)估，并以此為依據(jù)來(lái)制定合理的運(yùn)行、維護(hù)計(jì)劃，保證電網(wǎng)運(yùn)行的安全性、經(jīng)濟(jì)性。

2 ?油浸紙老化原因分析

在油浸紙的老化，其實(shí)質(zhì)是在各因素作用下，油浸紙材料發(fā)生一系列復(fù)雜的物理和化學(xué)變化，導(dǎo)致材料的絕緣、機(jī)械等方面性能下降。引起老化的主要原因總體上可以歸結(jié)為：電、熱、機(jī)械震動(dòng)和化學(xué)因素四個(gè)方面。

2.1 電老化

電老化是指在電場(chǎng)的長(zhǎng)期作用下，油浸紙經(jīng)過(guò)一系列的物理和化學(xué)反應(yīng)，逐步發(fā)生老化的過(guò)程。油浸紙?jiān)趶?qiáng)電場(chǎng)作用下的老化機(jī)理包括帶電質(zhì)點(diǎn)對(duì)材料分子的轟擊、局部放電引起的熱效應(yīng)、放電過(guò)程中產(chǎn)生的輻射、活性物質(zhì)對(duì)材料分子結(jié)構(gòu)的破壞等。

2.2 熱老化

熱老化是變壓器內(nèi)部油浸紙老化的主要形式。其實(shí)質(zhì)是在高溫的作用下，油浸紙發(fā)生熱降解以及其他一系列復(fù)雜的反應(yīng)，導(dǎo)致其絕緣、機(jī)械等方面性能的下降。熱老化的速率主要取決于變壓器內(nèi)部的運(yùn)行溫度，IEC 60354《油浸式電力變壓器負(fù)載導(dǎo)則》中指出：A級(jí)絕緣的變壓器，當(dāng)溫度在80～140℃的范圍內(nèi)時(shí)，溫度每增加6℃，變壓器油浸紙的老化速度就會(huì)增加一倍[2]。

2.3 機(jī)械老化

機(jī)械老化是指在變壓器振動(dòng)、短路電動(dòng)力等機(jī)械應(yīng)力作用下，油浸紙中分子級(jí)別的缺陷逐步發(fā)展，形成微小的裂縫并逐漸擴(kuò)大的過(guò)程。機(jī)械老化的同時(shí)，在強(qiáng)電場(chǎng)作用下，材料裂縫可能會(huì)引發(fā)局部放電，進(jìn)一步加快材料的老化進(jìn)程。與此同時(shí)，溫度升高，由于熱膨脹系數(shù)的差異，還會(huì)對(duì)絕緣材料產(chǎn)生額外的機(jī)械應(yīng)力，同樣會(huì)促進(jìn)機(jī)械老化進(jìn)程。

2.4 化學(xué)老化

加速油浸紙老化的化學(xué)因素包括水、氧氣、酸等。其中，水分對(duì)變壓器油浸紙的影響最大，一方面，絕緣紙的分子結(jié)構(gòu)決定了其具有較強(qiáng)的親水性;另一方面，水和酸既是造成油浸紙老化的原因，又是老化的產(chǎn)物，它們對(duì)油浸紙的老化起“正反饋”。此外，水分的增加還會(huì)引起泄漏電流的增大和介質(zhì)損耗的增加，導(dǎo)致發(fā)熱量增加，溫度升高，進(jìn)一步加速絕緣老化。

3 ?油浸紙老化狀態(tài)評(píng)估技術(shù)

現(xiàn)有變壓器中油浸紙老化狀態(tài)的評(píng)估方法，從檢測(cè)對(duì)象及檢測(cè)手段的角度可分直接檢測(cè)方法和間接檢測(cè)方法。

3.1 直接檢測(cè)方法

直接檢測(cè)方法以油浸紙為對(duì)象進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的測(cè)量，基于這些油浸紙自身的材料參數(shù)評(píng)估其老化狀態(tài)。在直接檢測(cè)方法中，最有代表性的特征量是聚合度，它直接反映了油浸紙分子結(jié)構(gòu)的狀態(tài)，是目前公認(rèn)最可靠的特征量。許多其他的評(píng)估方法以及壽命預(yù)測(cè)模型都是以聚合度為基礎(chǔ)建立起來(lái)的。

直接檢測(cè)方法雖然可靠性高，但是存在以下兩方面的問(wèn)題：

①檢測(cè)得到的僅是局部區(qū)域油浸紙的老化狀態(tài)，未必能反映變壓器整體的絕緣狀態(tài)。

②油浸紙封閉于變壓器內(nèi)部，檢測(cè)時(shí)需對(duì)變壓器進(jìn)行吊芯（罩）。操作上存在諸多不便，且還可能會(huì)造成絕緣受潮、受損，引起二次劣化。

3.2 間接檢測(cè)方法

間接檢測(cè)方法選擇變壓器油、變壓器端口等便于檢測(cè)的對(duì)象，通過(guò)對(duì)其進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的測(cè)量，提取與油浸紙老化狀態(tài)相關(guān)的間接特征量，實(shí)現(xiàn)變壓器內(nèi)部油浸紙老化狀態(tài)的評(píng)估。間接檢測(cè)方法避免了直接對(duì)油浸紙進(jìn)行相關(guān)參數(shù)測(cè)量存在的諸多不便。目前的間接檢測(cè)方法可分為化學(xué)特征量檢測(cè)方法、電氣特征量檢測(cè)方法兩大類(lèi)。

3.2.1 化學(xué)特征量檢測(cè)方法

化學(xué)特征量檢測(cè)方法主要是通過(guò)對(duì)溶解于變壓器油中的，油浸紙的老化產(chǎn)物濃度進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)合這些老化產(chǎn)物濃度于油浸紙老化狀態(tài)之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)油浸紙老化狀態(tài)的間接評(píng)估。目前常用于評(píng)估油浸紙老化狀態(tài)的化學(xué)特征量主要有糠醛濃度、CO和CO2的濃度及其比值等，標(biāo)準(zhǔn)中也給出了相應(yīng)的參考值[3]。

通過(guò)油中老化生成物的含量來(lái)評(píng)估油浸紙的老化狀態(tài)，取樣過(guò)程對(duì)變壓器運(yùn)行影響較小，還可進(jìn)一步通過(guò)內(nèi)置傳感器實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)檢測(cè)，具有很好的應(yīng)用前景。但仍存在以下幾方面的問(wèn)題需要完善：

①變壓器的換油、補(bǔ)油操作將直接改變老化生成物的濃度，導(dǎo)致評(píng)估結(jié)果可靠性下降。

②糠醛等老化生成物會(huì)與油中抗氧化劑等物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，致使測(cè)量得到的濃度偏低。

③水分、CO和CO2等物質(zhì)不僅來(lái)自于油浸紙的老化，變壓器油的分解、外部氣體的侵入也會(huì)改變油中相應(yīng)成分的濃度。

④變壓器的絕緣結(jié)構(gòu)、油紙比例、溫度、水分等因素也會(huì)顯著影響運(yùn)行過(guò)程中相關(guān)化學(xué)成分的生成速率、生成量以及擴(kuò)散情況。

3.2.2 電氣特征量檢測(cè)方法

電氣特征量檢測(cè)方法是測(cè)量并分析變壓器整體絕緣結(jié)構(gòu)在各類(lèi)型激勵(lì)下的響應(yīng)信號(hào)，通過(guò)從相應(yīng)信號(hào)中提取相關(guān)特征量，對(duì)變壓器內(nèi)部油浸紙的老化狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，主要方法包括局部放電信號(hào)檢測(cè)、介電響應(yīng)檢測(cè)等。

基于局部放電信息進(jìn)行油浸紙老化狀態(tài)評(píng)估，可以有效避免變壓器補(bǔ)油、換油等操作的影響，實(shí)現(xiàn)無(wú)損在線(xiàn)檢測(cè)，且可進(jìn)行老化定位。但是其實(shí)際應(yīng)用目前受制于以下兩方面的問(wèn)題：

①局部放電信號(hào)的檢測(cè)技術(shù)尚不成熟?？垢蓴_能力，精度尚難以滿(mǎn)足要求。

②局部放電特征量與老化的關(guān)系尚不完善，無(wú)法實(shí)現(xiàn)老化狀態(tài)的量化評(píng)估。

介電響應(yīng)特性檢測(cè)方法操作簡(jiǎn)單，便于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，是目前油浸紙老化狀態(tài)評(píng)估領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。目前常用的介電響應(yīng)測(cè)量方法有：極化/去極化電流法、回復(fù)電壓法以及頻域介電譜法。

變壓器端口的介電響應(yīng)特性由油浸紙、變壓器油的狀態(tài)，以及變壓器的絕緣結(jié)構(gòu)等諸多因素綜合決定。單純根據(jù)介電響應(yīng)信號(hào)提取的各種特征量，雖然與油浸紙的老化狀態(tài)有較強(qiáng)的相關(guān)性，但一定程度上仍然受到變壓器油、變壓器絕緣結(jié)構(gòu)的影響。

4 ?總結(jié)與討論

本文總結(jié)了變壓器內(nèi)部油浸紙老化的主要原因，并介紹了目前對(duì)于油浸紙老化狀態(tài)評(píng)估的常用方法。其中，油浸紙老化的直接檢測(cè)方法最為可靠，但是由于檢測(cè)不便，現(xiàn)場(chǎng)一般不輕易采用。間接檢測(cè)方法避免了直接檢測(cè)方法的上述缺點(diǎn)，更適合現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，是變壓器老化狀態(tài)評(píng)估技術(shù)的必然選擇。

變壓器內(nèi)部油浸紙的老化受電、熱、力等多方面因素的作用，老化過(guò)程涉及復(fù)雜的物理、化學(xué)變化?，F(xiàn)有的間接檢測(cè)方法主要從某一些老化之后的變化來(lái)反映油浸紙的老化狀態(tài)，不可避免的仍存在一定的不足，如受變壓器絕緣結(jié)構(gòu)、測(cè)量手段等因素的影響較大、對(duì)于介電響應(yīng)、局部放電檢測(cè)等方法尚難以建立起特征信號(hào)與老化狀態(tài)的量化關(guān)系等。

要進(jìn)一步提升變壓器老化狀態(tài)評(píng)估，尤其是變壓器內(nèi)部油浸紙老化狀態(tài)評(píng)估的可靠性，一方面要從特征量本身入手，降低各方面因素對(duì)評(píng)估特征量的影響，挖掘可靠性更高、影響因素更少、與老化狀態(tài)關(guān)系更穩(wěn)定的特征量。另一方面，也要從數(shù)據(jù)處理的角度入手，提升評(píng)估的可靠性，如綜合不同特征量、歷史數(shù)據(jù)、實(shí)際運(yùn)行狀況，借助人工智能算法等數(shù)學(xué)分析方法，進(jìn)行多元數(shù)據(jù)空間下老化狀態(tài)評(píng)估。

參考文獻(xiàn)：

[1]廖瑞金，楊麗君，鄭含博，汪可，馬志欽.電力變壓器油紙絕緣熱老化研究綜述[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2012，27（05）：1-12.

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

[3]DL/T984-2005，油浸式變壓器絕緣老化判斷導(dǎo)則[S].中國(guó)電力出版社，2006.

作者簡(jiǎn)介：朱琳（1988-），女，湖北武漢人，畢業(yè)于武漢大學(xué)，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)殡姶艌?chǎng)數(shù)值仿真、電氣設(shè)備狀態(tài)評(píng)估、配網(wǎng)不停電作業(yè)等。