变压器绝缘老化分析

分析电力变压器绝缘老化及其诊断技术的应用1、变压器绝缘老化的危害及重要性目前，我国电网中，有较多的大型变压器运行年限已接近或超期，出于成本等因素的考虑，这些变压器仍在继续超期运行，因而所面临的一个共同问题是，随着绝缘老化程度的加深，绝缘机械强度下降，将导致变压器抵抗短路大电流冲击的能力大大降低，从而降低变压器的运行可靠性。

绝缘老化，使变压器逐渐丧失原有的机械性能和绝缘性能，运行中产生的电磁振动和电动力，也容易使变压器损坏；绝缘强度降低易产生局部放电、绝缘的工频及冲击击穿强度降低，造成变压器的击穿损坏。

据有关维修部门对各种变压器绝缘故障的剖析和统计研究得知，影响变压器运行状态和寿命的失效故障现象90％以上属于绝缘老化问题，在这种形势下，科学的运行监督能提高变压器安全运行水平，提前发现缺陷，对延长变压器运行寿命周期，提高经济运行效益有十分重要的意义。

因此，必须重视变压器绝缘老化问题。

2、绝缘老化机理2．1、绝缘老化：电力变压器大多使用A级绝缘。

绝缘材料有一定的机械强度和电气强度，机械强度是指绝缘承受机械荷载 (张力、压力、弯曲等)的本领；电气强度(或称绝缘强度)是指绝缘抵抗电击穿的本领。

变压器在长期运行中，由于受到大气条件和其他物理化学作用的影响，其绝缘材料的机械和电气强度逐渐衰退的现象，称为绝缘老化。

当绝缘完全失去弹性，即机械强度完全丧失时，只要没有机械损伤，仍有相当高的电气强度。

但失去弹性的绝缘，已变得干燥、易脆裂，容易因振动和电动力的作用而损坏。

因此，绝缘老化程度不能只按电气强度来判断，必须考虑机械强度的降低程度，而且主要由机械强度的降低程度来确定。

2．2、等值老化原则：变压器运行时，如果维持绕组热点温度为98。

C，可以获得正常预期寿命。

但是，实际上绕组热点温度受到气温θ0和负荷K波动的影响，变动范围大，即绕组热点温度是一个随时间变化的量θht,为此，在一定时间间隔T内，如果部分时间内绕组热点温度低于98℃，而另一部分时间内允许绕组热点温度高于98℃，只要变压器在高于98℃时多损耗的寿命得到低于98℃时少损耗的寿命的完全补偿，则变压器的预期寿命可以和维持绕组热点温度为98℃时等值，此即等值老化原则。

换言之，等值老化原则就是：使变压器在一定时间间隔T内，绝缘老化或损耗的寿命与维持绕组热点温度为98℃时等值。

根据老化率概念，当θht随时间变化时：⎰⎰-==T o p p Tp dt e TTe e V ht )98(980dt1ht θθ 显然，如果V>1，变压器的老化大于正常老化，预期寿命缩短；如果V<1，变压器的老化小于正常老化，变压器的负荷能力未得到充分利用。

因此，在一定时间间隔内，维持变压器的老化率V 接近于1，是制订变压器负荷能力的主要依据。

3、影响变压器绝缘老化的因素影响电力变压器绝缘老化的因素很多，主要有磁场、电场以及自然力等三个方面。

3．1、磁场的影响：变压器的磁场分为主磁通的磁场和漏磁通的磁场，主磁通的磁场主要用来传递电能，漏磁通的磁场比较复杂，主要产生如下三个效应：1)、损耗效应：变压器各绕组的导体处于漏磁场中，将在导体中产生涡流，并由此引起涡流损耗。

涡流损耗的大小主要取决于导体的几何尺寸和漏磁场的大小与分布，垂直于漏磁场方向的各层导体中的涡流损耗是不同的。

漏磁通在绕组及铁芯中感应涡流，不能传递能量，只能产生压降和热量，使变压器温度升高。

平均意义上说，漏磁场不大，但是由于变压器介质分布不均匀，而且在实际运行中的变压器经常受到外界因素的影响，使其漏磁场分布不均匀，这是导致变压器局部过热的原因之一。

此外，漏磁场在变压器的金属结构附件中产生杂散损耗。

在绕组轴向的漏磁通可以在绕组压板、压钉和铁轭以及夹件中感应出涡流，引起损耗。

变压器内部引线的电磁场会在其附近的金属件中引起涡流损耗。

所有这些损耗即铁损都可能引起变压器绝缘的老化或损坏，成为运行故障的根源。

变压器的漏磁场强度都随变压器容量的变化而变化，容量越大，漏磁场强度就越大。

单台额定容量为150 MVA 以下的变压器的漏磁强度与额定容量的关系可用公式(1)计算： 4p lIN H ⨯==常数 容量在150 MVA 以上时，可用公式(2)计算：4p lIN H ⨯==常数 其中P 是变压器的容量，N 为绕组匝数，J 为绕组电流，Z 为漏磁场的有效长度。

可见，变压器的容量不同，漏磁场强度就不同，造成的损耗也不同。

2)、机械力效应：大型变压器在线圈漏磁场作用下，将在绕组导线上产生电磁力及动态机械力，这两个力的作用将会使变压器的绕组及其紧固件发生形变或位移，容易造成变压器的绝缘破坏，产生局部放电。

3)、热效应：变压器运行时，绕组、铁芯以及其它构件中产生的损耗几乎全部转化为热能。

这些热能使变压器的温度升高达到一定温度时就会造成变压器的绝缘破坏。

变压器的极限温度主要取决于绕组绝缘材料的耐热性能。

油浸式变压器绕组间的绝缘材料，一般采用电缆纸或其他纸质材料，属A级绝缘，耐热温度为105℃。

干式变压器常采用玻璃纤维绝缘材料，属B级绝缘，耐热温度为130℃。

如果绝缘材料的温度超过其极限温度(亦即变压器的极限温度)，则变压器的寿命便会急剧缩短，甚至会烧毁。

在变压器的运行中，其绕组的中部偏上部位有一个最热区，所以变压器的上层油温高于中下层。

试验表明，油浸式绕组最热点年平均温度若不大于98℃，变压器的运行年限可为20～25 年，绕组最热点的温度一般比平均温度高13℃，所以绕组在额定负载下的年平均温度定为85℃，变压器油的平均温度大于98℃以后，绝缘性能就会显著恶化。

3．2、电场的影响电场作用对变压器的绝缘有着较大的影响。

电场分布不均匀容易造成变压器的绝缘击穿，发生局部放电，这是变压器损坏的主要原因之一。

例如变压器出口突然发生三相短路，大电流产生的电动力将引发变压器绝缘移位，线圈变形，电场分布不均匀，最终导致变压器的绝缘损坏，使变压器的寿命缩短。

引起变压器电场不均匀的原因主要有：1)、工频过电压引起变压器主绝缘电场分布不均匀造成局部放电。

2)、雷电冲击过电压引起的纵绝缘电场强度过大造成纵绝缘的破坏。

3)、操作波过电压和特快速瞬时过电压引起的纵绝缘击穿。

3．3、外界自然力的影响热力、化学力、风、雨、雪、冰雹以及地震等自然力和自然灾害对变压器的寿命都有着较大的影响。

这些因素往往是不可预测的，对变压器的影响也是偶然的，没有规律的，如地震发生的时间、强度以及对变压器等设备的作用都是不确定的，地震可以使浮放的变压器发生移位、扭转、掉台等，造成变压器顶端高低压绝缘瓷套管被破坏。

对于固定良好的变压器，可造成变压器顶部绝缘瓷套管根部裂损或断裂，这就需要从变压器自身及其安装的角度进行研究，加强其防震能力。

对其它外力的影响也需要在不断认识规律、积累经验的基础上进行研究并加以防范。

4、变压器绝缘老化的预防：变压器绝缘老化的预防主要是从两个方面入手。

4.1、一方面主要是防止或减少不良的外界因素的影响，作好变压器的日常维护，保证变压器正常运行，同时，在使用上，每一个环节都按规范进行，减少人为故障，据统计，变压器运行维护不良造成的事故约占变压器故障总数的一半。

要解决维护不良问题：1)、要保证变压器不要过负荷运行，运行温度不能超过绝缘材料允许的最高温度。

2)、要防止变压器出口发生突发性短路，尤其要防止外界偶然因素和环境因素造成的突发性短路。

3)、加强变压器的在线诊断，对其故障进行提前预测，如经常进行局部放电测量、油温及线圈温度测量，绝缘油的色谱分析，油中微水分析，对特征气体、游离气体以及总烃的检测。

检测可按国家标准分别在投运前、投运时、运行中和特殊情况下进行。

4)、改进避雷措施和散热方式等。

4.2、另一方面主要是从变压器的开发、研究以及设计人手，在结构上保证变压器设计的精确和完善。

主要方法有：1)、在绕组端部施加端圈、角环等改善变压器内部电场的分布。

2)、采用饼式纠结式绕组。

3)、采用内屏蔽插入电容。

4)、采用优质的绝缘材料。

5)、对变压器的设计采用三维模型进行精确的数值计算，优化变压器的绝缘裕度。

这些方法都可以减少绝缘老化故障发生的可能性。

这需要从物理的、化学的过程进行分析，深入研究其内在规律，掌握老化故障的原因及故障与产品的使用条件之间的内在联系，从根本上预防老化故障的发生或降低故障的发生率。

老化故障的预防还可以通过在实验室进行试验的方法进行电气分析和检测，并通过搜集分析各项电气试验的数据，如对绕组的直流电阻、变比、空载电流、空载损耗、局部放电、铁芯的绝缘电阻以及接地电流等项目的分析综合，找出参数的变化，及时作出故障的事先判断。

总之，变压器的绝缘老化故障是变压器的主要故障之一，直接影响变压器的寿命，必须从多方面人手，及早的给予预防，才能延长变压器的实际寿命，减少电力系统的经济损失。

5、电力变压器绝缘老化的现场诊断技术现场诊断是确定变压器绝缘强度的手段。

现场诊断和趋势分析的结合是最重要的检测手段，能及时检测变压器的过热、局部放电、电介质劣化、线圈位移等。

有下列检测项目：a、局部放电测量。

当变压器有异常或油色谱中出现C2H2时，应对变压器进行现场局部放电测量。

超声波局放仪能对发生局部放电部位进行定位。

b、油温及线圈温度的定期测量。

能发现变压器是否过载或局部过热，从而进行更细致的诊断。

c、油的色谱分析。

变压器绝缘老化主要有变压器油和纤维素绝缘材料两方面的老化。

变压器油老化主要是氧化反应，铜为催化剂。

油中的氧在水分、温度作用下使老化加速，生成醇、醛、酮等氧化物及酸性化合物，最终析出油泥。

油氧化反应形成少量的CO和C02，随着运行中气体的积累，CO和CO2将成为油中气体的主要成分。

随着运行年数的增加，绝缘材料老化，使CO和C02的含量逐渐增加。

由于CO2较容易溶解于油中，而CO在油中的溶解度小、易逸散，因此CO2/CO一般是随着运行年限的增加而逐渐变大。

当CO2／CO大于7时，认为绝缘可能老化，也可能是大面积低温过热故障引起的非正常老化,据此初步判断有绝缘老化的可能性。

d、油中糠醛含量测量。

变压器油中的糠醛含量随运行时间的增加而增加，但不同变压器除了制造上的固有差异外，还因运行中环境温度、负载率等不同，造成在相同运行时间内糠醛含量的分散性；另外变压器油纸比例不同，测试结果用单位体积油中糠醛的毫克量表示，使相同老化状况的不同设备的测试结果出现不同；变压器油处理也是影响糠醛含量的重要因素。

变压器油中按糠醛含量数据进行比较，可判断变压器存在绝缘老化。

e、测量绝缘纸的聚合度。

测量变压器绝缘纸的聚合度(指绝缘纸分子包含纤维素分子的数目)是确定变压器老化程度的一种比较可靠的手段。

纸聚合度的大小直接反映了纸的老化程度，新的油侵纸(板)的聚合度值约为1000，当受到温度、水分、氧化等作用后，纤维素降解(是指绝缘材料裂解产生杂质，使绝缘老化)，大分子发生断裂，使纤维素长度缩短，也即D-葡萄糖的单体个数减少至数百，而纸的聚合度正是代表了纤维素分子中D-葡萄糖的单体个数。