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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電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]。 在纤维素无定形区，存在着大量极性游离羟基，其易于吸附水分子并形成氢键组合[6]。而联结纤维素葡萄糖基的β-苷键降低了长链的水解稳定性，在酸或高温条件下，水分使得苷键断裂，纤维素分子链长度降低，从而导致固体绝缘发生降解。因此，纤维绝缘材料中所含水分越多，纤维素水解速度越快。
水分对变压器油纸绝缘老化的加速效应随水分含量的升高而增加[5, 20]，大量研究印证了这一点。水分含量为1%和0.1%的绝缘纸老化速率相差约9倍[21]；变压器运行温度下，含水量为4%和0.5%的绝缘纸老化速率相差19倍[22]；水分含量每增加0.5%，纤维素固体绝缘的寿命就缩短一半[3]； Schroff等预测在90℃时，干燥条件下和水分含量为2%时油纸绝缘寿命分别为38年和1.9年[23]。
水分既是变压器绝缘老化的生成物，又是其后续劣化的加速剂[24]。变压器投运时固体绝缘中水分含量通常小于0.5%，而运行至寿命终点时则增加至4%～8%。对于较厚的固体绝缘，由于老化产生的水分不易向外界扩散，可能导致其老化速率的提高[3]。
另外，固体绝缘含水量增加，会增加损耗和泄漏电流，从而使变压器发热，运行温度升高，加速绝缘材料的老化，降低变压器使用寿命[25]。
1.4 氧气
氧气是影响变压器固体绝缘老化的重要因素，其单独作用对固体绝缘老化的影响与水分相当[5]。
对于运行变压器，投运时虽然经过充氮运输、真空干燥、注油一系列标准化程序，器身内部仍不可避免的残留有少量氧气，加之运行中外部缓慢渗入的微量氧气和变压器油老化产物中不容忽视的氧化剂，这些都将加速变压器固体绝缘的老化。
变压器固体绝缘的主要成分纤维素受到氧气等氧化剂的作用时，葡萄糖单体环状结构的C1位置以及C2、C3、C6上的游离羟基将被氧化生成醛基、酮基或羧基，形成氧化纤维素。大多数情况下，伴随着羟基的氧化，纤维素长链随之断裂，聚合度也同时下降。
Fabre等[20]的研究表明：当绝缘纸中水分含量为0.3%～5%时，氧气的存在使其降解速率增加约2.5倍。Fallou等[26]指出，对于运行电力变压器，采取适当措施限制氧气侵入可以使氧气的加速效应降低到1.6倍左右。Ratislav等[27]认为：如果变压器油中溶解氧气含量被限制在2000ppm以下，绝缘油的氧化将被有效抑制；而当溶解氧气含量下降到300ppm以下时，油纸绝缘的降解速率将被限制在更低的水平。更进一步，Moser等[28]指出，当油中溶解氧气含量从30000ppm降低到小于300ppm时，绝缘纸的降解速率将减小16倍。
另外，温度升高将加速纤维素的氧化反应，促进固体绝缘迅速降解；铜能促进绝缘油的氧化从而消耗部分氧气，在有铜存在的油纸绝缘系统中，氧气对绝缘纸的不利影响将得到一定改善 [29]。
1.5 酸
酸对运行变压器固体绝缘老化的影响不容忽视。
变压器运行过程始终伴随着绝缘油以及纤维素固体绝缘的缓慢老化，由此形成微量的酸和酸性物质溶解于变压器油中，并在液体绝缘与固体绝缘中达到动态平衡。
低分子量酸易被固体绝缘吸附，而高分子量酸更易与变压器油相结合。运行变压器现场测试数据表明，仅有10%～15%的绝缘油酸度来源于低分子量的亲水性酸，但固体绝缘纤维素中此类酸的含量却高达油中的100倍[30]。低分子量酸可以改变水分在变压器液体、固体绝缘中的分配比例，提高水分在变压器油中的溶解度，并且与水分有明显的协同效应，对绝缘纸老化起加速作用；相反，高分子量酸对绝缘纸老化的影响并不明显[32]。
酸离解形成的H+离子对纤维素的水解有明显的加速作用，绝缘纸的老化速率与H＋含量成正比[33]。合格的运行变压器油酸度很低，仅能离解出微量H+离子，但其在变压器长期运行进程中，却足以使固体绝缘发生水解。而变压器内绝缘在运行中由于发生老化，将会离解出更多H+离子，加快固体绝缘的水解，因而纤维素绝缘材料中水分含量越高，其水解速度越快。
1.6 其它因素
除上述几种影响固体绝缘降解的主要因素外，光、机械应力、微生物等对变压器固体绝缘的老化仍起着不可忽视的作用。通常，光波长愈短、强度愈大，对纤维素的降解作用也愈大。在机械力作用下，聚合物分子会被拉伸而断裂，导致降解。铜在油纸绝缘系统的老化过程中，一方面消耗氧气延缓固体绝缘的老化，同时又加速油的氧化生成酸从而加速固体绝缘的老化[34]。而酶对纤维素的降解，早国内外学者已进行了大量研究，但是其在变压器固体绝缘老化上的探索，还少见相关报道。
2 结论
变压器在运行过程中，温度、电场、水分、氧气、酸等是使变压器固体绝缘的降解的主要因素。温度越高，电场强度越强，水分、氧气、酸含量越大，固体绝缘材料的降解就越迅速，因此，如何降低变压器运行温度，优化变压器内部电场的分布，控制运行中油纸绝缘系统中氧气、水分、酸性组分的含量，探索抗老化性能更為优越的绝缘材料，是减缓变压器固体绝缘老化，延长变压器使用寿命的根本途径。
参考文献
[1] Ferguson R，Lobeiras A，Sabau J．Suspended Particles in the Liquid Insulation of Aging Power Transformers[J]． IEEE Electrical Insulation Magazine，2002，18(4)：17-23．
[2]combined electrical and thermal stress[J]．IEEE Transactions on Electrical Insulation，1985，20(1)：70-7
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電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]。 在纤维素无定形区，存在着大量极性游离羟基，其易于吸附水分子并形成氢键组合[6]。而联结纤维素葡萄糖基的β-苷键降低了长链的水解稳定性，在酸或高温条件下，水分使得苷键断裂，纤维素分子链长度降低，从而导致固体绝缘发生降解。因此，纤维绝缘材料中所含水分越多，纤维素水解速度越快。
水分对变压器油纸绝缘老化的加速效应随水分含量的升高而增加[5, 20]，大量研究印证了这一点。水分含量为1%和0.1%的绝缘纸老化速率相差约9倍[21]；变压器运行温度下，含水量为4%和0.5%的绝缘纸老化速率相差19倍[22]；水分含量每增加0.5%，纤维素固体绝缘的寿命就缩短一半[3]； Schroff等预测在90℃时，干燥条件下和水分含量为2%时油纸绝缘寿命分别为38年和1.9年[23]。
水分既是变压器绝缘老化的生成物，又是其后续劣化的加速剂[24]。变压器投运时固体绝缘中水分含量通常小于0.5%，而运行至寿命终点时则增加至4%～8%。对于较厚的固体绝缘，由于老化产生的水分不易向外界扩散，可能导致其老化速率的提高[3]。
另外，固体绝缘含水量增加，会增加损耗和泄漏电流，从而使变压器发热，运行温度升高，加速绝缘材料的老化，降低变压器使用寿命[25]。
1.4 氧气
氧气是影响变压器固体绝缘老化的重要因素，其单独作用对固体绝缘老化的影响与水分相当[5]。
对于运行变压器，投运时虽然经过充氮运输、真空干燥、注油一系列标准化程序，器身内部仍不可避免的残留有少量氧气，加之运行中外部缓慢渗入的微量氧气和变压器油老化产物中不容忽视的氧化剂，这些都将加速变压器固体绝缘的老化。
变压器固体绝缘的主要成分纤维素受到氧气等氧化剂的作用时，葡萄糖单体环状结构的C1位置以及C2、C3、C6上的游离羟基将被氧化生成醛基、酮基或羧基，形成氧化纤维素。大多数情况下，伴随着羟基的氧化，纤维素长链随之断裂，聚合度也同时下降。
Fabre等[20]的研究表明：当绝缘纸中水分含量为0.3%～5%时，氧气的存在使其降解速率增加约2.5倍。Fallou等[26]指出，对于运行电力变压器，采取适当措施限制氧气侵入可以使氧气的加速效应降低到1.6倍左右。Ratislav等[27]认为：如果变压器油中溶解氧气含量被限制在2000ppm以下，绝缘油的氧化将被有效抑制；而当溶解氧气含量下降到300ppm以下时，油纸绝缘的降解速率将被限制在更低的水平。更进一步，Moser等[28]指出，当油中溶解氧气含量从30000ppm降低到小于300ppm时，绝缘纸的降解速率将减小16倍。
另外，温度升高将加速纤维素的氧化反应，促进固体绝缘迅速降解；铜能促进绝缘油的氧化从而消耗部分氧气，在有铜存在的油纸绝缘系统中，氧气对绝缘纸的不利影响将得到一定改善 [29]。
1.5 酸
酸对运行变压器固体绝缘老化的影响不容忽视。
变压器运行过程始终伴随着绝缘油以及纤维素固体绝缘的缓慢老化，由此形成微量的酸和酸性物质溶解于变压器油中，并在液体绝缘与固体绝缘中达到动态平衡。
低分子量酸易被固体绝缘吸附，而高分子量酸更易与变压器油相结合。运行变压器现场测试数据表明，仅有10%～15%的绝缘油酸度来源于低分子量的亲水性酸，但固体绝缘纤维素中此类酸的含量却高达油中的100倍[30]。低分子量酸可以改变水分在变压器液体、固体绝缘中的分配比例，提高水分在变压器油中的溶解度，并且与水分有明显的协同效应，对绝缘纸老化起加速作用；相反，高分子量酸对绝缘纸老化的影响并不明显[32]。
酸离解形成的H+离子对纤维素的水解有明显的加速作用，绝缘纸的老化速率与H＋含量成正比[33]。合格的运行变压器油酸度很低，仅能离解出微量H+离子，但其在变压器长期运行进程中，却足以使固体绝缘发生水解。而变压器内绝缘在运行中由于发生老化，将会离解出更多H+离子，加快固体绝缘的水解，因而纤维素绝缘材料中水分含量越高，其水解速度越快。
1.6 其它因素
除上述几种影响固体绝缘降解的主要因素外，光、机械应力、微生物等对变压器固体绝缘的老化仍起着不可忽视的作用。通常，光波长愈短、强度愈大，对纤维素的降解作用也愈大。在机械力作用下，聚合物分子会被拉伸而断裂，导致降解。铜在油纸绝缘系统的老化过程中，一方面消耗氧气延缓固体绝缘的老化，同时又加速油的氧化生成酸从而加速固体绝缘的老化[34]。而酶对纤维素的降解，早国内外学者已进行了大量研究，但是其在变压器固体绝缘老化上的探索，还少见相关报道。
2 结论
变压器在运行过程中，温度、电场、水分、氧气、酸等是使变压器固体绝缘的降解的主要因素。温度越高，电场强度越强，水分、氧气、酸含量越大，固体绝缘材料的降解就越迅速，因此，如何降低变压器运行温度，优化变压器内部电场的分布，控制运行中油纸绝缘系统中氧气、水分、酸性组分的含量，探索抗老化性能更為优越的绝缘材料，是减缓变压器固体绝缘老化，延长变压器使用寿命的根本途径。
参考文献
[1] Ferguson R，Lobeiras A，Sabau J．Suspended Particles in the Liquid Insulation of Aging Power Transformers[J]． IEEE Electrical Insulation Magazine，2002，18(4)：17-23．
[2]combined electrical and thermal stress[J]．IEEE Transactions on Electrical Insulation，1985，20(1)：70-7