摘要：总结了当前油浸式电力变压器中绝缘材料的老化机理、油纸绝缘系统老化时的影响因素，分别归纳了热老化、电老化、机械应力老化以及多应力联合老化时老化机理的特点。针对老化后的油纸绝缘系统，归纳了电、化学和新型等三类油纸绝缘系统老化特征量。分析归纳了常用的五类变压器寿命评估模型，并提出了现有模型中理论基础与试验结果不能搭配的问题。将目前应用的延寿措施分为两大类，指出了目前常用延寿措施不能定量以及缺乏理论基础的两大问题。还总结了变压器内部热场计算方法，总结了热路法的研究与发展进程，并提出了热路法的研究趋势。最后提出了变压器老化及寿命评估未来的研究方向，指出物理层面的老化机理以及新的特征量是值得注意的研究重点。
关键词：油浸式变压器; 油纸绝缘; 寿命评估; 老化模型; 热场计算
1 前言
电力变压器是电力系统中的重要设备，其可靠运行决定了电网的稳定程度。电力变压器内部材料主要分为绝缘、导电、导磁以及结构材料 4 大类，其中绝缘材料绝大多数为有机材料，如矿物油与纤维纸等。变压器运行时会受承受多种应力，如电应力、机械应力、热应力和化学应力等。而有机材料主要承受热应力与电应力，会随着运行时间的增加不断地老化，绝缘性能下降，造成设备故障并引起供电中断。绝缘状态良好的电力变压器内部材料的绝缘强度大于联合应力。但当绝缘材料的绝缘强度下降，低于联合应力时，绝缘材料会发生击穿，导致事故的发生。
2 油纸绝缘系统的老化机理和影响因素
变压器的绝缘结构分为内绝缘和外绝缘，外绝缘指油箱以外的气体绝缘结构，内绝缘包括套管绝缘、绕组绝缘、引线及分接线开关绝缘。内部绝缘从结构上又分为纵绝缘和主绝缘。纵绝缘指同一绕组的不同匝间、层间、段间、引线间、分接开关各部分的绝缘，主要绝缘材料是包在导线上的纸带，匝间、段间的垫块和油道等。绕组主绝缘是一种油－ 纸屏障的结构，由作为覆盖层缠在导线上的绝缘纸带、油道和放在导体和接地体间油道中的绝缘纸板所构成。可见变压器中主要绝缘材料是矿物油和不同厚度的纤维素纸，由于受到电场、水分、温度、机械力等的作用，这些材料会逐渐老化，最后引起故障而导致变压器寿命的终结。老化现象是多个因素同时作用下的结果。一般情况下油纸绝缘系统老化的作用机理被归结为 3 种，即: 热老化、电老化以及多应力联合老化。
2.1 热老化
绝缘材料的各种性能在不同的温度下均会发生很大改变，尤其是电气性能、机械强度、黏度等。电力变压器绕组中流过的电流产生的热量导致绝缘材料工作温度升高，发生物理和化学变化，导致绝缘材料老化，材料属性发生不可逆的改变。IEC-60354、ANSI － C57、ANSI － C92 和 IEEE 标准都针对变压器老化和老化速率的问题提出了变压器在不同温度下的老化判定公式，并给出了变压器许用温度的最高限制。这些标准都将老化归结为各种负载共同作用的结果，并认为在众多载荷之中热应力的作用居于首要地位。
2.2 电老化
在电场的长期作用下，因电应力而造成的材料整体性能的劣化称为电老化。大量的运行实践证明，局部放电引发的材料绝缘性能劣化是造成高压电气设备发生绝缘击穿的重要原因。在不出现局部放电的情况下，电应力的影响效果很微弱，很少见纯电应力造成的老化，可以忽略。电老化的表现形式较多，如击穿、放电、电树枝等等。电老化机理非常复杂，包括局部放电所引起的一系列物理效应和化学反应过程。一般认为，局部放电对绝缘产生破坏的作用大致有带电质点的轰击、树枝效应、热效应、活性生成物、辐射效应、机械力效应等形式。
2.3 机械应力老化
变压器运行时，会受到多方面的机械力作用。一般分为 3 类: 电磁耦合产生的震动力，随负荷变化温度产生的热胀冷缩的膨胀力，以及外界突然短路时产生的短路力。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆其中，短路力的幅值最大，对变压器绝缘材料的破坏也最大。
2.4 多应力联合老化
变压器在正常运行时往往同时受到热应力和电应力的共同作用。不同应力之间还会产生协同效应，加速绝缘材料的老化。经验表明，绝缘老化的程度和老化的速率会随着材料的物理和化学属性、外施应力的类型和持续时间、生产过程中采用的工艺而变化。因此需要对不同绝缘材料在多种应力分别作用下的老化行为及各种应力协同作用下的作用进行深入研究以求其老化规律。由于电和热是最常见的两种老化因子，也是绝缘材料必须承担的两种应力，因此目前研究主要集中于电 － 热联合应力老化。
3 油纸绝缘系统老化特征量
3.1 电特征量
主要包括材料的击穿电场强度、设备或部件的交直流泄漏电流、介质损耗角的正切值 tanδ、相对介电常数 ε、局部放电起始电压、绝缘电阻 Ｒi、吸收比 K 及极化系数 DPI等。这些量虽然可以从一定程度上反映设备绝缘的状态，但由于参数的单一及影响因素的复杂，还无法用于判断油纸绝缘系统的老化程度。
3.2 化学特征量
包括微水、油中溶解气体、绝缘纸聚合度、油中糠醛含量等。化学特征量着重测试老化过程中固体绝缘的降解产物，如: 油中糠醛质量分数，油色谱分析中的 CO、CO2等气体体积分数以及纤维素纸粘均聚合度。这 3 者构成了目前公认最为有效的3 种老化判据，在对变压器内部绝缘材料整体老化特性的评估上有很大的参考价值。但是由于变压器内部定期的维护检修过程会对矿物油进行除杂、祛气等操作，而这些操作会显著改变化学特征量的含量;
3.3 新型特征量
近年来国内外学者基于介电响应理论，提出了PDC ( 极化去极化电流) 、ＲVM ( 回复电压) 和 FDS( 频域谱) 等几种新型的表征老化程度的特征量或特征曲线。上述特征量或特征曲线的测量结果可以反映纸中的含水量，因而受到 CIGＲE 等组织的重视，并将其中的 PDC 方法推荐作为油浸纸类交流电力设备的常规试验，将其检测结果与 tanδ、Ｒi、K、DPI、油中气体、油中糠醛含量、油中水分等一起作为判断油纸绝缘老化的特征量。
4 结束语
油浸式电力变压器在电力系统中的作用至关重要，其绝缘寿命评估的相关研究常活跃。本文主要总结了当前油浸式电力变压器寿命评估中的有机绝缘介质老化机理与油纸绝缘系统老化时受到的影响因素，归纳了油纸绝缘系统老化状态表征量和参数。最后总结了现有变压器内部热场分布情况计算方法和热路法的研究现状，提出了变压器老化及寿命评估未来的研究方向，指出物理层面的老化机理以及新的特征量是值得注意的研究重点。
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论文作者:贾启峰
论文发表刊物:《电力设备》2019年第14期
论文发表时间:2019/11/11
标签：应力论文; 变压器论文; 绝缘材料论文; 油纸论文; 特征论文; 电力变压器论文; 机理论文; 《电力设备》2019年第14期论文;