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1、-毕业设计（论文）-基于变压器固体绝缘老化机理的风冷变压器精确温度控制-第 42 页1绪论电力变压器作为电网重要的主设备，根据设计和经济性的原则，我们一般期望它的运行寿命应该达到35-40年1。电力变压器选用导则GBT/17468-2008规定，在外部冷却空气为20 ，变 压 器以额定电流运行，以某种温度等级的绝缘材料发生热老化而损坏时，规定变压器的寿命一般为20年2。电力行业标准油浸式变压器绝缘老化判断导则（DL/T 9842005）也特别提到正常运行的 变压器应该有30年的寿命，如果达不到预期寿命而退役，通常是设备隐患或其它原因所致。油纸绝缘变压器的使用寿命基本上决定于其绝缘系统。其绝缘系
2、统由变压器油和绝缘纸构成。其中绝缘油即使使用了30 年时间,绝缘击穿性能的下降也只有10 %左右。而且在变压器的运行过程中，检修人员还可以通过净化或者换油的方式来改善油的绝缘性能。因此，运行中的油浸式电力变压器的使用寿命应该主要取决于固体绝缘，尤其是绝缘纸。国内外大量的统计数据显示，变压器事故大部分都与变压器绝缘特别是固体绝缘老化和破坏有关。美国 HSB 公司工程部总工程师 William Bartley 先生在过去的 10 年中变压器故障进行了统计，发现在造成故障的起因中，绝缘老化列在第二位。由于绝缘老化的因素，变压器的平均寿命仅有 17.8 年，大大低于预期为 35 40 年的寿命！中国电
3、科院进行的2004年度110kV及以上变压器事故统计分析中的数据显示， 2004年度变压器损坏事故以绝缘事故为主，占总损坏事故台次的81.1%。投运15年以内的变压器即发生损坏事故的台次竟然占统计损坏事故变压器总台次的78.8%，变压器的运行寿命令人担忧3。在运行过程中，变压器的固体绝缘在电、热、空气、水分等因素的作用下，不断产生退化。这种退化，表现在电气绝缘性能上没有明显的变化。数据表明有些处在生命末期的变压器，其绝缘的电气性能还完好如初。而老化了的变压器绝缘纸的机械性能会明显变差，从而为变压器损坏事故的发生埋下了隐患。构成绝缘纸的主要成分为纤维素，纤维素是由葡萄糖基组成的聚合度很高的链状高
4、聚合碳氢化合物。绝缘纸的老化实际上是纤维素分子链不断断裂，链长不断变小的过程。随着分子链的断裂，绝缘纸的机械性能不断变差。当发生短路等大的外部冲击的时候，失去延展能力的绝缘纸会被破坏，进而引发绝缘事故。另外，变压器内部还有很多绝缘纸材料构成的压板、垫块等结构，他们在变压器中起着固定、压紧变压器线圈的作用。这些元件的老化会使固定作用变差，在大的冲击下，会造成线圈的变形、扭曲或是松散，从而造成变压器的损坏。根据国内外的大量研究，我们已经知道影响变压器绝缘老化的主要因素是氧气、水分和温度。考虑到目前运行的变压器中，绝大部分绝缘系统与空气是隔离的，不存在外部空气进入的问题。而运行中产生的氧气数量不大且
5、无法控制。因此本课题在考虑变压器固体绝缘老化的时候将不把氧气作为主要因素，而将主要关注水分、温度对变压器绝缘的影响，以及水分、温度两者的关系。变压器的温度是绝缘老化的一个重要因素。变压器的温度控制主要由两个方面决定。一是包括变压器空载损耗、负载损耗、漏磁损耗等在内的各种发热因素，另一方面是变压器的散热能力。这两方面最终决定了变压器的运行温度。对于运行中的变压器，其发热因素是固定的或不可控的。自冷的散热方式，在投入运行的变压器中也是无法调整的。对于风冷变压器，我们则可以通过调整风扇的启动温度，风扇的投入数量来控制变压器的散热能力，进而控制变压器的运行温度。水分是影响绝缘老化的另一个重要因素。有研
6、究显示，水分在绝缘纸和变压器油中保持与温度有关的动态平衡。温度的变化会引起水分不断进出绝缘纸。从而，温度和水分这两个决定变压器绝缘老化的重要因素间存在动态的相互关联，通过对温度的控制也可以对水分产生影响。目前唐山供电公司负责运行的变压器中常见的散热方式为ONAN(自冷)和ONAF(风冷)。110kV以上电压等级的油纸绝缘变压器共有204台，其中有110台为风冷变压器。风冷却系统的控制部分由接触器进行简单的逻辑搭接，其功能简单，控制策略不灵活。本课题主要通过分析中外大量的试验数据和结论，总结温度和水分共同影响绝缘老化的机理。结合现场实际数据，进行必要的试验，提出风冷变压器精确温度控制的原则和必要
7、性。通过设计新的智能型的风冷系统控制装置，改善现有控制方案随意性大、方式简单、控制效果差的缺点。通过对温度、水分这两个可控因素的控制，延缓变压器老化速度，延长其安全使用寿命。2.变压器固体绝缘老化2.1 变压器的固体绝缘2.1.1 由纤维素为主构成的变压器绝缘纸由于浸油后具有良好的电气绝缘性能、良好的稳定性和低廉的造价，油纸绝缘变压器中，纤维素材料被用作各种形式的固体绝缘材料，比如绝缘纸、绝缘纸板等。变压器用绝缘纸和绝缘纸板一般含有约90的纤维素，67的半纤维素和大约34的木质素。纤维素是由葡萄糖基组成的聚合度很高的链状高聚合碳氢化合物，新纸的聚合度（degree of polymerizat
8、ion 简称DP）可达2000。纤维素的结构方程式如图1所示。半纤维素的聚合度约为200或更小些，它的存在可以促进氢键的产生，这对机械强度起着决定性的作用。但是半纤维素的含量不能超过10，否则反而会造成机械强度的下降。图1 纤维素分子结构图 Fig1：Structural formula of cellulose纤维素（C6H10O5）分子结构为链状，分子中含有羟基。纤维素耐油，不易溶解；结构上，纤维呈管状，纤维之间多孔，因此具有很强的吸水性和吸油性；正常情况下其击穿电压、机械强度均不高，但浸渍变压器油后，电气性能非常好。因此油纸绝缘被广泛的应用于油浸式变压器的绝缘结构中4。图2为纤维素制作的
9、绝缘纸在变压器绝缘结构中的典型应用。出线装置压板压板绝缘管绝缘纸筒角环烟囱角环带绝缘纸的铜导线静电环绝缘垫块 图2 绝缘纸在变压器绝缘结构中的典型应用2.1.2 变压器绝缘纸的特性绝缘纸的特殊用途决定了其有着与其它类型的纸材料相比，在机械性能、电气性能和热稳定性等方面有着不同的特性。2.1.2.1 机械强度绝缘纸必须有较高的机械强度，主要是抗张强度和伸长率。有关制造标准要求，厚度为75m的变压器匝绝缘纸的纵、横向抗张强度应分别大于6.00和2.60 kNm，纵、横向伸长率应分别大于2.0% 和6.0%5。2.1.2.2 电气性能绝缘纸是用于电器中的一种绝缘介质，也称为电介质，除了满足一定的物理
10、和化学性能要求外，还必须满足电气性能要求。绝缘纸的电气性能就是指其在电场作用下发生的极化、电导、介质损耗和击穿特性。因为构成绝缘纸的纤维素分子中含有羟基，具有一定的极性，因此绝缘纸的介电常数较大。20摄氏度时，在工频电压下，纤维素构成的绝缘纸的介电常数约为6.5。20时，纤维素的电导率约为l014cm1，。当绝缘纸中杂质和水分含量高时，其导电性能会增大，导致泄漏电流值增大。这在绝缘纸的生产过程中和绝缘纸的使用过程中需要我们给予重视，要严格控制绝缘纸产品中的杂质和水分含量。有标准规定电力电缆纸中灰分含量小于0.7%，水分控制在6% 9%范围内。对于变压器所用的绝缘纸来说，介质损耗是一个非常重要的
11、指标。在100时变压器匝绝缘纸的介质损耗值不应大于0.23.对绝缘纸介质损耗影响最大的是电导损耗，而金属离子的存在会增加电导损耗因此制造工艺标准要求变压器匝绝缘纸灰分中的钠离子含量的极限值为30 mgkg2.1.2.3 热稳定性变压器内的绝缘材料会长时间工作在温度较高的环境中，其热稳定性的大小决定了它的使用寿命。绝缘纸在高温情况下老化过程加快，会逐步丧失它的机械和电气性能。变压器内部的绝缘材料除个别地方使用热稳定纸之外，绝大部分的绝缘材料都为A级绝缘。A级绝缘的定义：IEC: 在105摄氏度的温度下，连续工作7年后，绝缘材料的机械强度的降低小于50%。IEEE: 在110摄氏度的温度下，连续工
12、作65000小时后，绝缘材料的机械强度的降低小于50%。 电气绝缘耐热性分级（GB/T 11021-2007）中也有类似的规定6，标定的耐热等级为105摄氏度。2.2 变压器固体绝缘的老化2.2.1 纤维素的化学、物理结构绝缘纸中的主要化学成分是纤维素。纤维素是由许多D吡喃型葡萄糖彼此以1，4-苷键连接而成的线性高分子聚合物。纤维素是一种天然的高分子化合物，其分子结构中有环状结构，环和环之间是醚键连接的，每一个六角环中有一个氧原子，每一个环上连有3 个羟基，其中有一个是伯醇，反应能力较强，而醚键具有一定的柔软性，羟基具有一定的极性和亲水性，纤维素大分子内部或分子间都可以生成氢键。而纤维素的老化
13、本质上就是这些化学键在外接因素影响下发生断裂。2.2.2变压器固体绝缘老化概述变压器固体绝缘的老化，归根结底就是固体绝缘材料的主要构成部分纤维素的老化过程。纤维素是由葡萄糖单体通过化学键结合构成的自然大分子化合物，其自然形态为链状。纤维素的老化就是在电场、机械力、氧气、水分、酸性物质等各种因素综合作用下，纤维素链状分子持续发生断裂的过程，这种断裂往往发生在两个葡萄糖单体键联络的化学键位置。图3为变压器中固体绝缘材料的老化机理示意图。 变压器油氧化 外部氧气的侵入 CO2 CO 水 CO2纤维素氧化 氧气高温分解水解酸水酸脱水解聚作用左旋葡聚糖分裂左旋葡聚糖分子链断裂水氧气COCO2呋喃型化合物
14、温度 图3 变压器固体绝缘老化机理示意图在整个老化过程中，纤维素分子链长不断变小。相应的绝缘纸的延展性和机械性能不断下降。表征纤维素老化程度的最好的参数是纤维素的聚合度（DP degree of polymerisation ）。纤维素的分子式可以表示为(C6H10O5)n , n 为聚合度,表示纤维素是由多少个葡萄糖基构成。新变压器绝缘纸的聚合度一般在10001200之间，随着绝缘纸的老化，通常认为当绝缘纸的聚合度达500时为寿命中期，聚合度达到200（或250）时，绝缘纸的寿命已经到达极限。此时变压器绝缘纸的机械强度降低到了初始机械强度的50以下，机械力的丧失开始急剧加速。这种情况下，变压
15、器内部的绝缘纸等由纤维素构成的固体绝缘强度已经无法承受外来大的冲击的影响。类似出口或近区短路故障的故障电流引起的电动力往往会对变压器造成损坏。绝缘纸的老化形式主要有电老化、热老化、机械力老化、水分参与的老化等几种。电老化是指绝缘纸在运行变压器中强电场的作用下，由于局部放电等情况逐步造成的绝缘纸电气性能的退化和机械性能的老化。尽管绝缘纸浸变压器油后，绝缘性能非常良好。但我们无法排除生产和安装过程中绝缘系统内部会存在一些或大或小的微观缺陷，同时一些通过各种途径进入绝缘系统的微粒也会造成内部电场的畸变，进而产生局部放电。因此变压器内部的固体绝缘的电老化是不可避免的。热老化是指变压器内部固体绝缘材料在
16、高温的影响下产生的老化情况，其实质是纤维素的聚合链在温度的影响下发生解裂。这一老化过程遵循Arrhenius方程：lnL=lnA+BT。其中，A、B分别是由特定老化反应所决定的常数，L为绝缘寿命，T为绝对温度7。由此可见变压器固体绝缘的速度是与变压器的运行温度密切相关的。由于变压器运行过程中，往往处在温度相对较高的环境，因此热老化也是广泛存在的。当绝缘纸受到机械应力后，力学性能发生不可逆降低直至产生裂痕或气隙导致局部放电，这种现象称为机械力老化。机械力的来源主要是变压器内部产生的各种应力，比如故障电流的电动力。 水分参与的老化是绝缘纸老化的一个重要因素。这是因为，水分不仅参与 多种形式的老化反
17、应过程，同时其本身又是绝缘纸老化的产物。因此水分参与的老化过程是一个正反愦的形式，存在着加速的问题。文献8-11详细分析了纤维素老化的机理和影响老化过程的各种因素。通过加速老化试验得到了丰富的试验数据。通过分析，确定氧气、水分、温度是影响绝缘纸老化的最终要的几个因素。考虑到目前运行的变压器中，绝大部分绝缘系统与空气是隔离的，不存在外部空气进入的问题。而运行中产生的氧气数量不大且无法控制。因此我们这里将主要关注水分、温度对变压器绝缘的影响，水分、温度两者的关系以及两者对变压器绝缘老化的综合影响。2.2.3 变压器固体绝缘老化的检测变压器固体绝缘的老化，也就是纤维素的老化过程，是一个缓慢的、渐变的
18、物理和化学性质的改变过程。变压器，尤其是运行中的变压器，我们没有办法直接接触固体绝缘部分，因此无法直接的判断其老化程度。因此我们必须采用一些物理或是化学的方法来测定、描述、确定固体绝缘的老化程度。较精确的检测变压器固体绝缘的老化程度和进程也是我们开展相关讨论的基础，在下面我们将对一些常用的检测方法和判断依据进行简单的介绍。2.2.3.1 测定绝缘纸机械强度判断变压器固体绝缘老化情况正如在本文在绪论部分所提到的，绝缘纸老化的关键不是电气强度的老化，而是在各种因素作用下纤维素链的不断断裂最终造成的固体绝缘的机械强度的丧失。因此，对绝缘纸机强度进行直接测定当然是确定绝缘纸老化程度的最直接的办法。不过
19、这种直接测量的办法更多的只适用于绝缘材料新品，对应运行中的设备存在取样困难、破坏设备等问题，因此不具备现场实用性。2.2.3.2 利用DGA的方法检测油中溶解的CO,CO2含量判断变压器固体绝缘老化情况变压器固体绝缘材料主要由纤维素构成，而纤维素的主要成分是葡萄糖。如果在较高温度下纤维素发生裂解，在生成水分的同时还会生成大量的CO和CO2。特别是当固体绝缘系统发生异常时，比如过热，会引起CO和CO2含量的明显增长。因此CO和CO2的含量和产生速度被作为衡量变压器固体绝缘老化程度的一个参数。CO和CO2产生后将依据扩散规律在变压器油和固体绝缘中达到平衡均匀分布。我们利用气象色谱仪依据变压器油中气
20、体分析和判断导则（DL722-2000）可以准确的测量出变压器油中的CO、CO2气体含量，从而用来判断变压器固体绝缘老化情况。然而，采用DGA检测变压器油中CO、CO2 的含量的方法来描述变压器固体绝缘正常老化状况的方法在实际应用中并不精确。主要原因是变压器油中CO和CO2的基础含量过高。在开放式的变压器中，变压器油溶解空气的饱和量为10，这就意味着变压器内部至少含有来自空气中的CO2300L/ L.即使在空气隔离的变压器中，空气也可能通过各种渠道渗漏到变压器中，因此变压器油中的CO2含量将和空气含量成正比的存在。同时变压器油分解时也会产生CO和CO2,这样就使得这两种气体无法精确度表征变压器
21、固体绝缘的老化。当然DGA检测变压器强油中CO、CO2 的含量对于检查确定变压器固体绝缘的异常老化情况比如变压器内部的过热故障引起的固体绝缘异常老化。根据大量的统计数据分析，随着变压器运行时间增加，CO的含量会逐步增加。开始的时候较快，而后逐渐缓慢下来，但不应发生陡增的情况。因为CO2在变压器油中的溶解度较高，而CO的溶解度较低。因此，变压器油中CO2/CO的数值，一般随着运行时间的增长而逐渐变大。当CO2/CO大于7或是10的时候，提示可能变压器内部存在大面积低温过热的非正常老化问题。2.2.3.3 测量绝缘纸聚合度判断变压器固体绝缘老化情况 如本文2.1.1部分介绍，构成绝缘纸的纤维素是一
22、种链状大分子，其分子式为（C6H10O5）n。n表示有多少个葡萄糖分子链接在一起构成了一条纤维素分子链。变压器的固体绝缘老化过程就是由葡萄糖分子构成的分子链断裂的过程，表现在分子式上就是n的数量在持续的减少。聚合度（DP degree of polymerization）就是一个纤维素分子中所包含的D-葡萄糖单体的数量。变压器新品绝缘纸的聚合度最高可达2000，投入运行时绝缘纸的聚合度大约在1000左右。有研究数据显示，绝缘纸的聚合度和纸张的抗张强度有着对应的关系。绝缘纸的机械抗张强度对着聚合度的降低而下降。绝缘纸聚合度降低到500左右时，往往对应着绝缘纸寿命的中期；当聚合度降低到250左右时
23、，绝缘纸抗张强度会出现突然的降低；当聚合度降低到200（150）时，绝缘纸的机械抗张强度基本上降低到初始机械强度的20%，这时候可以认为绝缘纸已经丧失了在变压器中继续运行的机械强度，绝缘纸和变压器固体绝缘的寿命也到了终期。目前测量绝缘纸聚合度的方法基本上时基于马丁(Martin)的经验公式，通过测量绝缘纸溶于铜乙二铜溶剂中的溶液特性粘度来计算绝缘纸的聚合度。由于绝缘纸是由不同聚合度纤维素组成的混合体，因此测量的聚合度是平均聚合度。测试方法，主要如下：A. 溶解绝缘纸的溶剂为铜乙二胺（CED）,其分子式为Cu（NH2-CH2-CH2-NH2）2(OH)2 。溶液中每升1.0mol铜和2.0mol
24、乙二胺，乙二胺浓度与铜浓度的克分子比CED/CCU=2。B. 试验仪器主要有：溶解试样用仪器：溶解瓶、震荡装置、玻璃球、抽取器测量用仪器：毛细管粘度计、恒温水浴、秒表、承重仪器和烘箱试验过程中，将采样得到的变压器绝缘纸制成纤维状，经过干燥，然后溶解在试剂中并根据GB/T265的要求测定流出时间。根据式（21）计算比粘度s=(ts-t0)/t0 式（21）式中：t0 溶剂平均流出时间，sts 溶液平均流出时间，s根据马丁（Marting）公式由比粘度s和干纸浓度C计算特性粘度。表1为按照马丁公式（k0.14）计算的作为比粘度s函数的（）*C 的乘积值。表1为按照马丁公式（k0.14）计算的作为比
25、粘度s函数的（）*C 的乘积值 最后根据式（22）计算纸样品的聚合度DP。 DP()/K 式（2-2） 式中，K7.510-3如上所述，测量绝缘纸的聚合度可以较准确的确定变压器绝缘纸老化情况，但是这一方法的采用存在着一定的局限性和非确定性。首先，试验中需要对变压器的绝缘纸进行采样。而采样往往需要将变压器进行吊检，至少要进行钻检，因此非常不方便，特别是无法对运行中的变压器进行采样和测定。其次，对变压器绝缘纸进行采样或许会对变压器的固体绝缘造成一定的伤害。再次，我们对变压器绝缘纸进行的采样并不能真正的反映变压器固体绝缘的整体情况。或是不能采集到老化严重的部位，从而使聚合度计算结果高于老化严重部位的
26、绝缘纸聚合度；或是，采样部位的绝缘纸在异常情况下（比如引线焊接不良发热造成的外包绝缘纸）局部老化严重，造成所得的聚合度计算结果不能代表变压器内部整体绝缘情况。2.2.3.4 测量纤维素分子量判断变压器固体绝缘老化情况 如上所述，变压器固体绝缘的老化就是纤维素分子链断裂的过程和结果。在分子链断裂的过程中，纤维素的分子量会逐渐变小，高所分子量的分子链与低分子量的分子量数量相比也逐渐减少。同时，随着纤维素老化产物的散失，纤维素整体的重量也在减少。有试验显示当绝缘纸DP值从1200降低到小于150时，纤维素的重量损失大约为5%。因此通过测量纤维素分子量，可以也可以判断变压器固体绝缘的老化情况12。2.
27、2.3.5测量变压器油中糠醛含量判断变压器固体绝缘老化情况 变压器绝缘纸老化过程中，会产生很多化合物产物。其中呋喃类化合物是重要的产物之一。主要有2-furfuryl alcohol, furfural, 2-acetylfuran 和 5-methylfurfural。这些产物溶解在变压器油中，根据扩散定律，处于均匀分布状态。这种分布在变压器油和固体绝缘材料中也存在着平衡分布的状态。这些产物也随时间处于不断退化过程中。5-methylfurfural，非常不稳定，在产生后会很快消失。2-furfuryl alcohol的不稳定性处于第二位，当纤维素分解产生该物质后，它的浓度会很快达到峰值并迅
28、速下降。furfural（糠醛）在各种纤维素分解产物中最稳定，且浓度总是最高。同时，变压器非纤维素绝缘材料和变压器油老化时都不会产生糠醛，因此糠醛可以被用来表征变压器固体绝缘老化的情况，不论这种老化是纤维素的正常老化还是因为故障、过负荷等异常情况影响下的非正常老化。糠醛，学名呋喃甲醛,是具有苦杏仁味的浅黄色透明液体, 比重1.162 1.168 g/ cm3 , 沸点159.5 162.5, 分子式为C5H4O2 , 分子量为96.09,易溶于醇和醚。由于正常运行的油浸变压器中，纤维素固体绝缘也出在不断老化的过程中，尽管速度较慢。因此，正常运行的变压器油中也含有糠醛，且随着运行时间的延长，糠醛
29、浓度不断增加。油浸式变压器绝缘老化判断导则（DL/T 984-2005）根据统计数据，给出了变压器油中糠醛含量与运行时间的关系图，如图4。图4 变压器油中糠醛含量与运行时间的关系图统计数据中，大部分变压器油中糠醛含量与运行时间的关系处在区域B的范围内。B区域和C区域所涵盖的样品变压器数量占统计总数据的90%以上。因此该导则把区域A的下限曲线，作为绝缘纸非正常老化的注意值。其公式为 log（f）1.65+0.08t式中： f为油中糠醛含量，mg/l t为运行年数。对于同样的非正常老化的注意值曲线，已有研究给出如下经验关系式：log( f)=-1.3+0.05t文献12，提供了运行中变压器油中的糠
30、醛含量的参考值。小于0.1mg/l为正常值；大于0.1mg/l，小于0.25mg/l为注意值；大于0.25mg/l为异常值。华北电网电力设备交接和预防性试验规程中也提供了变压器油中糠醛含量的参考值，具体见表1。超过表中提供的参考值，应跟踪检测。运行年限15年510年1015年1520年糠醛含量（mg/l）0.10.20.40.75表1 运行中变压器糠醛含量参考表要用糠醛来表征变压器固体绝缘的老化情况，我们有必要在变压器油中糠醛含量和变压器固体绝缘机械强度间建立起对应关系。由于变压器绝缘纸的聚合度与其机械强度之间的关系较为明确，因此我们可以从分析变压器油中糠醛含量与变压器绝缘纸聚合度的对应关系入
31、手。文献8,9,10对变压器油中糠醛含量与绝缘纸聚合度的关系进行了详细的讨论。一个基本的结论就是在相同的影响因素作用下，油纸绝缘系统中，油中糠醛的含量与绝缘纸聚合度DP值间有着确定的对应关系，我们可以通过测量油中糠醛含量，得到绝缘纸的聚合度，进而确定绝缘纸的老化情况。绝缘油中的糠醛含量与代表绝缘纸老化的聚合度之间有较好的线性关系，关于这种对应关系，有近似的公式描述。：即(f)1.51-0.0035D。 式中f为变压器油中的糠醛含量（mg/l）,D 为绝缘纸的聚合度。在一次加速热老化试验过程中，试验人员分阶段测量了变压器油中的糠醛含量和绝缘纸的聚合度DP值，并绘出两者的关系如图5所示。在图中我们
32、也可以看到，糠醛浓度的对数值与绝缘纸的聚合度DP值近似的为线性关系。图5 不同温度下糠醛浓度与绝缘纸聚合度DP值之间的关系如上所述，我们可以通过测量变压器油中糠醛的含量较精确的推算出变压器绝缘纸的聚合度以及对应的绝缘纸老化程度。糠醛性质稳定，即使变压器油经震荡脱气其损失量也是非常小的。同时，利用测量糠醛浓度地方方法确定绝缘纸老化程度只需采集变压器油样，不需要设备停电甚至吊罩采集样品。这种方法方便一行，成为运行中检测绝缘纸老化程度的一种有效方法。本文下面对变压器固体绝缘老化的判断和检测也将基于这种方法进行。目前测量变压器油中糠醛含量最常见的方法是利用高效液相色谱仪（HPLC）。其原理是基于糠醛为
33、一种极性化合物,分子结构内存在一多元共轭体系,该分子在紫外光区有吸收。选用强极性的甲醇为萃取剂,把变压器油中的糠醛萃取出来,然后再用非极性(反相) C18色谱柱对萃取液中的糠醛进行分离,同时,选用高灵敏度的紫外检测器对色谱柱分离出的糠醛进行检测。油浸式变压器绝缘老化判断导则（DL/T 984-2005）提供了相应的检测方法，要求对于新油配置的溶液，最小检测量不小于0.05mg/l。用测定变压器油中糠醛含量的方法来判断变压器固体绝缘老化状况的方法虽然准确、方便易行，但也有很多影响其准确性的因素需要我们注意。首先，糠醛在变压器油和绝缘纸之间分布存在动态的平衡。这种分布与温度有关，因此当温度变化的时
34、候，我们测得变压器油中的糠醛浓度会有变化。即使变压器更换了新油或对油进行了充分处理后，但由于变压器固体绝缘中会已经吸收一定的糠醛。因此油注入变压器后，经过成分的平衡过程，油中还是会有糠醛存在的。其次，尽管振荡脱气对变压器油中糠醛的含量影响很小，但真空脱气对变压器油中糠醛的含量却是不能忽略的。而在对变压器进行真空注油或油循环处理时，因为会需要很长的时间，因此会对变压器油中的糠醛含量造成很大的影响。再次，吸附剂和在线滤油装置对变压器油中糠醛的影响很大。更换吸附剂后，可能使得油中糠醛含量有突然的降低。因此，考虑到上面的几个影响因素。我们对变压器油中糠醛的含量检测应该时连续的，特别是经过油处理、更换吸
35、附剂等情况后要即使进行测量，以确定数据分析的基础。2.2.4影响变压器固体绝缘老化的因素2.2.4.1 温度对纤维素老化的影响温度对纤维素老化过程而言，是非常重要的因素。过去几十年里，很多文献9,10,13对纤维素的热老化进行了详细的研究，得出了丰富的数据，构建了成熟的模型。前面已经讨论过，纤维素的长链分子实际是很多个葡萄糖分子单体间通过化学键进行连接。总体而言，纤维素受温度影响发生的老化应该属于高温解裂。也就是说，当外界温度提供的活化能足以破坏原本联系各个葡萄糖分子的化学键时，纤维素分子链就可以发生断裂。温度对纤维素老化的影响应该分两个温度范围。有资料通过试验得出结论，当温度大于150摄氏度
36、时，发生的主要是高温解裂。这种情况主要是对应于短期应急负荷或是故障电流流过变压器绕组时，在变压器内部最热点产生的超出预期和设计目标的高温情况。另一个温度范围为150摄氏度以下，这一温度一般对应于过负荷或是冷却系统发生故障的情况。因为在这个温度范围内，变压器的老化主要的机理是氧化水解，因此从某种意义上讲或许温度对老化的影响已经不是那么严重。在150摄氏度以上，纤维素分解需要的活化能最小250 kJ/mol，而在150度以下时，纤维素分子解聚所需活化能一般小于115kJ/mol。文献 14 综合前人的结果, 通过对大量数据的分析, 并在试验基础上总结的结论也将温度的影响分为两个部分。纤维素热裂解在
37、温度为600 K 左右时, 表观动力学参数发生了分界。在过去几十年里大量的老化试验被设计和实施，用来验证高温对纤维素老化的影响程度。一般认为，在较高的温度环境里，纤维素热解裂的速度遵循Arrhenius化学反应定律lnL=lnA+BT。并进一步推出变压器预期寿命的时间表达式为: L=e(+/T) 式 （2-1）式中： L- 变压器的预期寿命 T- 绝对温度 ,- 常数在适当的温度范围内，式 （2-1）可简化为蒙特辛格(Montsinger)公式： L=e-p 式（2-2）式中 p- 常数 - 温度 （摄氏度）另外，在关注 变压器绝缘老化和变压器寿命管理方面，我们会更关注变压器绝缘老化的速度，也
38、就是变压器绝缘寿命的倒数。绝缘老化速率v的表达式为：vMe p 式（2-3）式中 p 与（2-2） 相同 M- 时间常数M的数值受很多因素的影响，比如绝缘纸经过热改性后，M值就会有较大的影响。但经过很多试验数据的分析，发现其中影响最大的是绝缘材料的含水率和绝缘材料所处环境的氧气含量。通过对式（2-1）、(2-2)、（2-3）的分析，我们可以得到一个关于变压器绝缘热老化的重要结论。在大约80140度的温度范围内，温度系数p基本可以保持不变，温度每增加6度，变压器的绝缘老化速度将增加一倍，即六度法则15。当然根据绝缘降低材料的不同，以上数据略有不同。有降低温度8度或是10度，对应老化速度降低一半的
39、报道。根据油浸式变压器负载导则( GB/T 1094.7-2008)中规定了相对老化率的概念。相对老化率以变压器热点温度为98摄氏度时的绝缘老化速率为1。通常专业领域认为，在这个温度下，变压器绝缘的老化速率可以满足对变压器寿命的预期要求。在把98摄氏度时变压器的老化速率作为正常速率的前提下，非热改性纸的相对老化速率V用式（2-4）表示。热改性值因为其独特的热老化特性，其相对老化速率用式（2-5）表示。V=(在给定温度下的老化速率/在98摄氏度时的老化速率)=2（h98）/6 (2-4)=10（h98）/19.93热改性纸在高温时有可以保留更高的张力和抗裂强度百分值，它的相对老化速率因为其独特的
40、热老化特性，其相对老化速率V=1.0对应与温度为110摄氏度的老化结果值，且其老化速率的表达式也不同。表1为在给定温度h下，绝缘纸的老化速率。h（摄氏度）非热改性绝缘纸热改性绝缘纸800.1250.036860.250.073920.50.145981.00.2821042.00.5361104.01.01168.01.8312216.03.2912832.05.81346410.1140128.017.2 表1 80140摄氏度时绝缘纸的相对老化速率图4为基于表1数据的绝缘纸相对老化速率示意图。 图4 绝缘纸相对老化速率示意图对图4和表1的数据进行分析，我们可以清楚的看到温度对绝缘纸老化而言
41、，是非常重要的因素。但我们也可以看到，在80摄氏度时绝缘纸的相对老化速率已经降低到0.1左右的水平。而现场实际运行的变压器设备，80摄氏度的热点温度是很少达到的。在唐山供电公司目前运行的自然风冷却（ONAF）变压器中我们选择了15台，对其在不同负荷、不同环境温度下的顶层油温和绕组温度进行汇总成表2。分析表中数据，我们可以得出结论：大部分的变压器，即使在重负荷的条件下，其热点温度也不会很高。对应表1给出的相对老化速率的数据，近似使用六度法则，我们会发现在正常的运行温度下，其实变压器的热老化速率已经非常的不严重了。站名运行号变压器型号冷却方式高压侧所在分接额定电流高压实际负荷电流风扇数量风扇投入数
42、量环境温度顶层油温绕组温度曹妃甸2号SFSZ180000/220ONAF439.4 A57 A124155055韩城2号SFSZ180000/220ONAF460 A390 A220-53638虹桥2号SFSZ180000/220ONAF460.9 A280 A224205562贾安子1号SFSZ180000/220ONAF460.9 A310 A1212306072金银滩1号SFSZ180000/220ONAF455 A275 A1212285560雷庄1号SFSZ180000/220ONAF467 A400 A1410256070吕家坨3号SFSZ180000/220ONAF465 A29
43、0 A1212326065迁安4号SFSZ180000/220ONAF466.5 A343 A2220336676洼里3号SFSZ180000/220ONAF472 A350 A126255567西铺1号SFSZ180000/220ONAF466.5 A143 A2412296579兴城1号SFSZ180000/220ONAF455 A386 A84275061胥各庄1号SFSZ180000/220ONAF455.3 A309 A1212356780驿南府3号SFSZ180000/220ONAF466.5 A326 A2211-23948赵店子2号SFSZ180000/220ONAF460.9
44、 A390 A140-239482.2.4.2 水分对纤维素老化的影响在变压器绝缘老化的过程中，水分是另外一个非常重要的影响因素。运行中的变压器中的水分来源有，外接水分入侵、变压器油分接产物等等。同时纤维素在老化的过程中水分也是产物之一。而同时水分又是纤维素氧化反应的催化剂，参与各种纤维素的老化反应。着将是一个正反馈模式，因此水分对纤维素老化的影响不可忽视。同时，由于水分的存在，绝缘纸含水量的增加会使其耐电强度迅速下降下降，介质损耗因数（tan）增大，局部放电和围屏放电的起始电压将降低，使围屏放电更易于发展，从而加速绝缘纸的电老化过程。表观上看，绝缘纸的老化速率与绝缘纸中的水分含量W（H2O）
45、大致成正比。有研究表明，绝缘纸中含水量为2%的老化速度是初始含水量0.3%的6倍16倍，而含水量增到4%时，其老化速度是初始含水量0.3%的12倍45倍。文献16也利用糠醛含量作为绝缘纸老化的表征参数，得到试验数据见表2。其中糠醛含量越大意味着绝缘纸老化速度也快。由表中数据计算可知，含水率1 %的试品比0. 7 %的试品老化速率平均增速184 %; 含水率1. 5 %的试品比含水率1 %的试品老化速率平均增速205 % ; 含水率3. 7 %的试品比含水率2. 5 %的试品老化速率平均增长275 %;当含水率超过2 %后,绝缘纸老化速率急剧加快。表5是在120摄氏度进行老化试验时得到的绝缘纸老化速率与含水量的关系图，与以上两个试验的结论基本一致，也证明了绝缘纸含水量与老化速度基本上成正比。热老化时间 h不同含水量条件下油中糠醛含量 （mg/L）0.7%1%1.5%2%2.5%3.7%480.03800.06630.12840.19260.27080.8077960.04780.10380.24600.36910.51321.35141440.11450.19060.35430.50150.80692.1209表2 不同含水量的绝缘纸的老化情况