电力变压器固体绝缘老化概述|淄博市临淄勤润油脂化工厂

0　引言
变压器的绝缘系统随着变压器的工作条件而发生老化。在设备运行过程中，热、电和化学应力作用于绝缘系统，导致绝缘系统的性能发生不可逆转的变化。这种老化应力可能会导致绝缘材料的内在或外在降解。在大多数绝缘系统中，由于存在缺陷和污染物，外在老化占主导地位。
固体绝缘和矿物油组成变压器中的绝缘系统。变压器中基于纤维素的固体绝缘和矿物油会随着时间的推移而降解。绝缘老化的程度取决于变压器内的热、电、化学和机械应力。变压器油和纤维素固体绝缘的温度在影响材料的机械、化学和电性能方面发挥着重要作用。绝缘的温度取决于变压器的负荷与运行方式。
除了正常老化外，雷击和短路故障给变压器带来的机械应力也影响着变压器的绝缘强度。新变压器的绕组被很好地夹紧，因此有足够的机械强度。但是，随着绝缘的老化，绝缘纸绝缘收缩，导致夹紧压力降低，绕组的机械稳定性降低。
固体绝缘和油的含水量是影响变压器绝缘老化的重要因素之一。绝缘纸的热降解速度通常与其含水量成正比。在制造变压器时，首先将绝缘纸的含水量降低到在0.3% ～ 1.0% 范围内，然后浸渍，最后脱气、浸入干油中。然而，在变压器寿命期间，固体绝缘和变压器油的含水量增加。含水量增加来自高温和氧化引起的纤维素降解，部分来自于水从大气中的进入。
当变压器在不同负荷下呼吸时，大气中的水分有可能进入。电力变压器配有连接器，以适应增加的油量，并通过脱水呼吸器呼气。当变压器在低负荷运行时，保护器中的油量减小，变压器通过呼吸吸入。呼吸器中的硅胶是用来吸收周围空气中的水分，其效率取决于空气和干燥剂的温度、湿度以及风速。
1 变压器固体绝缘老化因素
变压器绝缘的老化可能是由于一个或多个因素的组合，其中包括电气、热、化学、机械和环境老化机制。这些老化因素可能是独立作用引起的，也可能是各类应力之间的相互作用引起的。实际绝缘系统的老化可能很复杂，失效通常是由各类老化机制共同造成的，尽管可能只有一个主要的老化因素。本文主要从以下因素分析变压器的固体绝缘。
1.1 热老化
造成变压器绝缘老化的最主要机制是热老化，涉及到绝缘的化学和物理变化。这种老化是由化学降解反应、聚合、解聚以及扩散等引起的[1]。热膨胀和热收缩引起的热力效应也是导致绝缘老化的主要因素。化学变化和热机械应力都深受变压器运行温度的影响。
1.2　电气老化
在交流电应力或脉冲下的电气老化，也会导致变压器多年运行过程中的绝缘老化。这些因素涉及在放电源附近的液体或气体介质中的局部放电影响，或在高电压应力下固体和液体绝缘中树枝放电的影响。此外，高介电损耗和空间电荷效应也会导致绝缘老化。电气和化学降解效应的结合也是以液体绝缘的电解形式发生的，特别是当液体被极性杂质污染时。
1.3　机械老化
绝缘结构的机械老化可能源于较低的机电或热机械应力作用，在外部或内部应力作用下，可能会逐渐升级为固体绝缘破裂。这主要涉及可移动部件，如分接开关，并可能会在绝缘部件中发生磨料磨损。
1.4　环境老化
除了上述的化学和热降解过程外，诸如灰尘和其他污染对设备电气行为的外部环境因素也会对变压器固体绝缘产生影响。
2　污染源防治措施
在正常运行及检修期间或在石油加工过程中，尽可能提供密封系统，以最大限度减少水分、氧气和固体碎片等外部污染源的进入。然而，最大限度地减少内部污染源并不像外部污染源那样直接。内部污染源是由变压器槽内发生的化学反应引起的，并受到运行温度、水分、氧气和其他污染物的极大影响。因此，即便不能完全切断这些内部污染源，也要尽可能降低它们的含量。此外，内部污染源包括来自机械或电气磨损的金属颗粒、来自绝缘纸和绝缘纸板的纤维素颗粒等非金属颗粒以及一些石油的化学降解产物如酸、醛和酮。
3　纤维素降解
电力变压器的总体预期寿命在很大程度上取决于绝缘纤维能够承受故障条件产生的机械应力。这种固体绝缘的耐受能力会随着运行时间的增加而降低。纤维素降解主要涉及聚合物链在热力影响下的氧化、水解或断裂。
电力变压器绝缘板的老化通常归因于热劣化。在热劣变中，纤维素聚合物链的平均长度因断裂而缩短，而随着温度的升高，断裂的发生频率更高。纤维素聚合物链缩短造成绝缘纸板的物理性能下降，导致其伸强度、拉伸失效前的伸长率、撕裂强度、断裂或爆裂强度降低。
3.1　热降解
在充油电气设备中，纤维素的热降解主要归因于氧化和水解引起的化学反应，并受与纤维素接触的氧气、水和酸的影响。降解反应的速度取决于氧气、水和酸的含量和温度。温度每升高6 ～ 8 ℃，将使绝缘纸和变压器油的寿命因子降低50%。
正常运行时，变压器通常会达到40 ～ 80 ℃，取决于变压器的负荷。在这一温度范围内，纤维素绝缘被发现通过各种机制缓慢降解，包括氧化和水解。当温度高于110 ℃，变压器极易发生事故。热降解的程度取决于纤维素的性质、空气和水的含量，以及是否允许样品与分解产物保持接触。热降解的进行会产生醛类、羧基和CO2。当纤维素在高温下加热时，热能往往会破坏糖苷键，并产生CO2、CO、H2O、H2 和CH4 等降解产物[2]。
3.2　氧化降解
纤维素极易氧化，聚合物链中存在的羟基在降解过程中会产生碳基和羧基，最终会引起断链分裂的二次反应。在变压器油或纤维素的老化过程中，变压器内部没有形成游离氧。因此，变压器中唯一的氧气来源是通过呼吸系统从外部进入变压器。如果变压器油中的氧气含量保持在2 000 ppm 以下，那么绝缘系统的降解率比80%。当变压器油完全饱和时，变压器油中的氧气可以达到约30 000 ppm。但实际上大多数使用中的自由呼吸式变压器从空气中溶解气体，溶氧量为20000 ppm。氧化加速了纤维素的降解过程，导致葡萄糖键变弱脱聚。
3.3　水解降解
水对纤维素基电绝缘材料的降解有重要影响。水一般会增加降解率，而纤维素在本质上是吸湿的。在变压器使用之初，绝缘材料中的含水量不到0.5%，变压器油也被烘干。变压器内的含水量在其使用期间可能会增加5%，具体取决于运行环境和其他条件。不仅如此，水分子还在纤维素链之间积累，纤维素的热降解也会产生水。水导致纤维素链进一步分解，从而产生游离葡萄糖。因此，在糖苷键中加入水分子会导致链分解。实验表明，链状裂变可以指示水解降解速率。
随着绝缘纸的老化，系统内的含水量显著增加。由于绝缘纸对水的亲和力很强，水分主要存在于绝缘纸中而不是变压器油中。新投运的变压器通常含水量会低于0.5%，而运行几年后，绝缘纸中的含水量可能会增加到4% ～ 5%[3]。温度是影响湿纤维素材料老化的另一因素。因此，如果避免绝缘纸加速老化。
4　结论
为了降低纤维素的降解速度，必须尽量减少水分和氧气从大气中进入。然而，即使外部入口最小化，人们也无法避免随着时间的推移纤维素的自然降解而在内部产生水。因此，有必要定期检查和绝缘纸的含水量，进行试验来诊断降解程度。

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