变压器磁屏蔽影响因素 [变压器固体绝缘老化影响因素及其作用机理研究]

　　摘 要：变压器是电力系统中的核心设备，其绝缘的健康状态直接影响整个系统的安全稳定运行，而固体绝缘是评价整个变压器绝缘状态的决定因素，本文归纳国内外变压器油纸绝缘老化的大量研究成果，对影响变压器固体绝缘老化的主要因素及其作用机理进行了探讨。
　　关键词：变压器；固体绝缘；老化；影响因素
　　中图分类号：TM215.6
　　引言
　　电力变压器是贯穿于电能生产、传输、供配环节的核心设备，一旦发生故障，不但可能引发切机、甩负荷等造成电能输送的损失，大量负荷的突变还将给送、受端电网造成巨大冲击，危及电力系统的安全。
　　油纸绝缘是电力变压器内绝缘的常用型式，其健康状态直接影响整个变压器的安全稳定运行[1]。在运行过程中，受温度、电场、水分、氧气、酸、机械应力等[2-4]因素的作用，油纸绝缘系统逐渐老化，电气及机械性能降低，从而危及变压器的可靠运行。
　　固体绝缘不易更换，是决定油纸绝缘系统能否继续运行的关键因素。老化过程中，固体绝缘纤维素长链的断裂并不会使其电气性能显著降低，但对其机械性能的影响（承受短路电流的能力）却是影响纤维素固体绝缘寿命的决定因素[3]。
　　针对变压器内绝缘系统的老化，国内外进行了大量研究。以变压器运行工况为基础，通过实验室多因子加速老化试验[2, 5]，结合变压器的现场数据和运行经验，监测油中溶解气体、水分、酸值、糠醛以及固体绝缘聚合度、拉伸/撕裂强度和微观形貌等数据的变化，得到了大量的定性结论和一些初步的定量关系。对于影响电力变压器固体绝缘老化的主要因素，研究多局限于温度、电场、水分、氧气、酸等影响因素中的单因素或者两者结合的多因素老化，并且已经有相当的深度；但是，对于上述众多因素的影响，还缺乏系统的归纳和全面的把握。本文从固体绝缘主要成份纤维素的基本结构出发，对影响变压器固体绝缘老化的温度、电场、水分、氧气、酸等因素的影响程度及其作用机理进行了总结和深入分析。
　　1 固体绝缘老化影响因素及其作用机理
　　变压器固体绝缘的绝缘纸/纸板通常由90％的纤维素，6～7％的半纤维素，以及3～4％的木质素组成[2]。
　　纤维素是由β、D-葡萄糖基通过1,4-苷键联结而成的线状高分子化合物，纤维素分子中的β、D-葡萄糖基含量即为纤维素分子的聚合度。纤维素分子结构式如图1所示。
　　图1 纤维素的分子结构
　　Fig.1 molecular structure of cellulose
　　变压器运行过程中，固体绝缘在温度、电场、水分、氧气、机械应力等因素的作用下逐步降解，纤维素大分子链逐渐断裂，导致其机械性能显著降低，抵抗短路电流的能力明显减弱，最终发展为绝缘事故。
　　根据纤维素大分子的聚集状态，将分子排列整齐、有规则的部分成为结晶区，而将分子链排列松弛、不整齐的部分称为无定形区。结晶区和无定形区交错结合，一个纤维素分子链可以经过若干个结晶区和无定形区[6]。
　　纤维素结晶区分子排列紧密，分子间结合力强，而在无定形区分子排列松散，分子间结合力较弱，通常，降解反应首先发生在纤维素的无定形区[6, 7]。
　　1.1 温度
　　众所周知，温度是变压器固体绝缘老化最重要的影响因素之一[3, 4]。绝缘纸的热稳定性很差，当温度超过100℃时，其中纤维素就会缓慢降解[8]。
　　温度越高，绝缘材料的劣化越迅速。对于常见浸入变压器油中的固体绝缘材料，使用温度若超过规定温度8℃，则其寿命大约缩短一半，即8℃规则[9]。Lundgaard等[10]在70℃、90℃、110℃、130℃温度下对油纸绝缘进行了9000余小时的老化试验，充分证明温度越高，绝缘纸机械强度与聚合度的下降越迅速。Emsley等[3, 11]进行了大量研究，亦证明温度升高对固体绝缘降解有加速作用。
　　热降解使纤维素分子链发生解环或断裂，其可以在纤维素的任何部位发生。C-O键的热稳定性比油中的C-H键要弱得多，即使在正常温度下，键也可能被打开，从而导致纤维素的降解[12]。分子模拟试验[13]也印证了上述观点，纤维素长链在最薄弱的β-1-4苷键上最易进行断链，另外，D-葡萄糖单体数量较多或链长较长的分子有更大的断链可能性。
　　1.2 电场
　　变压器固体绝缘在运行过程中，承受着长期正常运行电压以及故障状态下瞬时过电压对应电场的作用。但固体绝缘在电场应力作用下的老化行为，尚无量化描述的理论公式[14]。
　　大量研究表明：当外施电压低于绝缘材料的局部放电起始电压时，材料就很少发生由电场引起的老化。Kaufold等[15]对变频电机匝绝缘材料的试验显示：当存有局部放电时，绝缘很快就被击穿；而无局部放电时，绝缘在两年以上也未发生破坏。Montanari等[16]研究发现，当温度确定时，绝缘材料的寿命主要取决于某一电场阈值Er，当其承受的外施电场应力低于或接近该阈值Er时，绝缘材料的寿命将趋于无穷。
　　电场对变压器固体绝缘老化的影响主要取决于局部放电的累积程度。变压器固体绝缘内部及界面结合处的气泡等微小缺陷在电场激发下可能发生局部放电，当局部放电产生的高能电子具有的能量接近或超过C-H、C=C亦或C≡C键键能时，这些键就可能被打开，从而使纤维素高分子链发生断裂，造成固体绝缘的降解[17]。
　　但是Brancato等[18]对此却持有不同看法，他们认为：绝缘材料并不存在任何决定老化进程的电场阈值，其在电场应力作用下的老化是一个连续累计的过程。
　　另外，电场可能加速变压器油纸系统降解形成酸性物质在固体绝缘表面的沉积，进而加速固体绝缘的老化[3]。
　　1.3 水分
　　水分被认为是影响变压器油纸绝缘系统老化的“头号敌人”[19]。
　　纯净干燥的变压器油极易受潮，而固体绝缘主要成分纤维素中的游离羟基对水却有更强的亲和力，常温下水分在变压器油、纸绝缘系统中约按1:1000分配，随温度升高呈下降趋势[3]。