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关于电力变压器油纸绝缘介质热老化的时频域介电和空间电荷特性研究

作者：陆乾山 覃珺

来源：《中国科技博览》2017年第04期

[摘 要]近些年来，我国在电力全覆盖的目标上持续迈进，大大提高了我国电力综合覆盖范围，随着大小变电站的持续性建设，各种变压器的老化问题已经引起了电力人员的持续关注。电力变压器在运行的过程中，一般会采用油纸绝缘介质，在长期运营的变压器中，如果没能及时更换变压器老化的油纸绝缘介质，就会导致变压器发生一系列的问题。本文探析了变压器油纸绝缘的老化过程，分析了变压器油纸绝缘老化之后的时频域介电特性以及空间电荷特性。 [关键词]电力变压器；时频域介电；空间电荷

中图分类号：TQ122 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）04-0064-01

前言：变压器的油纸绝缘介质热老化现象是电力变压器在运行过程中最常见的问题，变压器遇绝缘介质热老化，使得变压器内部绝缘层的绝缘性能大幅下降，对变压器的正常使用造成了严重的影响。本文深入分析了当变压器的油纸绝缘介质热老化后的时频域介电和空间电荷的特性，为相关电力工作人员在发现并处理变压器的油纸绝缘热老化问题提供解决思路。 1.变压器油纸绝缘介质热老化现状及影响

电力变压器是国家电网的重要组成部分，保证着电网的高效运转，电力变压器的正常运行是电网保持稳定状态的基础。在电力网络中，由于电力变压器负责的是电力变压的作用，一般经过大型变电站的电力变压器需要改变的电压幅度高达几十甚至上百万伏特，因此，为了保障电力变压器的正常运行并减少电磁干扰现象，电力变压器内部都会设置绝缘介质，而当前我们使用的变压器内部绝缘介质主要采用的是油纸。油纸相较于一般的绝缘物质，具有价格较低、绝缘效果良好的优点，因为油纸绝缘在市场上变压器的应用非常的多，但是由于油纸绝缘的特殊性，在长时间的热消耗之后，油纸绝缘的绝缘性会逐渐减弱，这是油纸绝缘老化的必然现象，这个时候必须及时对油纸绝缘层进行检修更换，否则油纸绝缘介质热老化后，其绝缘性质的减弱会对变压器的正常运行造成严重的影响，甚至会对地区电网的稳定性造成影响。 2.变压器的热老化形式 2.1 变压器绝缘油老化

电力变压器油纸绝缘热老化现象的发生，其中一个重要的老化形势是油纸绝缘中存在的绝缘油发生的老化的现象。油纸绝缘的效果，与油纸所包含的绝缘油是密不可分的，稳定可靠的

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油纸绝缘油，能够使得油纸绝缘层表现出极为优异的绝缘效果，但是由于油纸绝缘层的油一般是为烷烃混合物，其稳定性会随着电力变压器放出的热量以及电磁感应现象而降低。在电力变压器运转的过程中，电磁感应现象是不可避免的，而电力变压器运转过程中由于内阻的存在，产生热量也是正常的现象，但是电磁感应产生的微小电弧以及电流产生热量与变压器绝缘油混合在一起，电磁感应现象产生的电荷量经过长期的积累，达到一定的数量，会产生许多自由电子在电力变压器内部冲撞，当电子碰到绝缘油的瞬间，就会使变压器绝缘油中的碳氢键、碳碳键发生断裂，在合适的条件下生成挥发性气体，绝缘就在这种缓慢的化学反应之下不断的被消耗。若变压器一直保持运转，变压器的温度就会逐渐升高，随着温度的升高，再加上电力变压器内部自由电子的不断产生，又会促进这种化学反应的快速进行，长此以往，电力变压器的油纸绝缘层内部的绝缘油会不断的被消耗，当消耗量达到电力变压器绝缘效果的临界值时，其绝缘性便很难再发挥正常的作用，最终导致电力变压器的绝缘油纸热老化，使得变压器难以正常的运转，影响整个电网系统的正常运行。 2.2 变压器绝缘纸老化

电力变压器油纸绝缘热老化现象，绝缘介质的绝缘纸也是容易发生老化现象的部分。电力变压器绝缘油纸所使用纸一般与正常的纸张没有差异，为标准的纤维素组成的纸张，其主要作用是吸收绝缘油形成绝缘油纸，两者相互结合才能发挥出良好的绝缘效果。绝缘纸老化，一般是绝缘纸中所包含的纤维素发生老化，纤维素老化的速度，一般与温度、水分、氧气等因素有关。温度是造成绝缘纸的纤维素成分分解的重要原因，纤维素是有葡萄糖分子相互连接组成的大分子结构，其结构在一定程度上是具有稳定性的，但是随着温度的升高，纤维素内部的葡萄糖连接的化学键会逐渐断裂，当温度升高到一定程度时，葡萄糖内部的化学键也开始发生断裂，最终生成二氧化碳和水，长此以往，绝缘纸的纤维素含量越来越少，就很难再吸附绝缘油，最终使得油纸绝缘失去应有的绝缘效果。水分和氧气同样会对绝缘油纸造成较大的影响，由于绝缘油属于碳氢有机物，其暴露在空气中会吸收一定的水分与氧气，吸收的水分会加速的纤维素的水解，而氧气的增加虎加快纤维素的氧化速度。 3.油纸绝缘热老化后的特性 3.1 时频域介电特性

时频域介电特性是研究电力变压器的油纸绝缘热老化后重要的特性之一，可以通过时频域介电特性深入了解油纸热老化后对绝缘性的影响。研究时频域介电，首先要对变压器进行时频域介电测试，从原理上分析，时频域介电的变化，是由于电力变压器内部电磁感应产生的电场造成的，在电力变压器长期的运行过程中，油纸绝缘层的介电常数随着电力变压器的运行而不断变化，可以通过电流、电容等对时频域介电进行测试。测试油纸绝缘层的时频域介电，可以取一定的绝缘油纸，先对油纸进行加热， 模拟电力变压器产生的热变化过程中，将变化后的油纸放于容量瓶，保持容量瓶的气压与外界气压持平，然后再进一步进行热老化过程，在热老化的过程中分时段取出一部分试样进行测量时频域介电。测定热老化后的绝缘油纸可以得到，经过长期的老化，绝缘油纸的时频域介电变化较大，而绝缘层的介质常数却没有发生改变。因

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此，当油纸绝缘层老化时，电力变压器的性能一定会受到影响，主要是由于油纸绝缘层热老化后频域介电的变化，最终使得油纸绝缘效果变差，造成电力变压器容易发生故障，对电网的安全运行造成隐性的危害。 3.2 空间电荷特性

了解电力变压器的油纸绝缘热老化后的空间电荷特性，可以起到帮助电力检修人员及时发现油纸绝缘热老化的作用。空间电荷特性的测试，一般采用电声脉冲（PEA）进行，电声脉冲通过声电传感器，可以实时的反映出油纸绝缘层空间电荷的特性。测试空间电荷特性的过程中，主体的模拟过程与测试时频域介电相似，在模拟油纸绝缘热老化的过程中，要重点注意电力脉冲的使用，从而保证能够测得稳定可靠的空间电荷数据。对空间电荷的变化情况进行分析，随着时间的推移，绝缘油层周围的电场强度越来越大，温度越来越高，造成了部分空间电荷参数发生明显的变化，使得去极化电量逐渐增大，最终造成绝缘层的绝缘效果难以产生作用，对电力变压器的正常运行造成影响。通过空间电荷特性的测定，我们可以根据空间电荷在电力变压器油纸绝缘热老化现象发生时的变化情况，能够在检修人员检修油纸绝缘层效果时反映给检修人员油纸绝缘层老化程度的相关数据，从而能够及时对油纸绝缘热老化现象进行控制，从根本上保证电力变压器的正常运行，使得整个电网能够保持相对的稳定性。 4.结语

本文分析了我国当前电力变压器油纸绝缘热老化问题的现状，详细介绍了油纸绝缘热老化的过程，并在模拟油纸绝缘热老化的过程中，探究了变压器油纸绝缘热老化的时频域介电和空间电荷特性以及它们的变化对电力变压器造成的影响。在电力变压器的使用过程中，一定要关注油纸绝缘层老化的问题，保证电力系统的稳定运行。 参考文献

[1] 张迈.关于变压器油纸绝缘热老化的时频域介电和空间电荷特性研究[J].电子测试，2016，20：44-45.

[2] 廖瑞金，杨丽君，郑含博，汪可，马志钦.电力变压器油纸绝缘热老化研究综述[J].电工技术学报，2012，05：1-12.

[3] 郝建.变压器油纸绝缘热老化的时频域介电和空间电荷特性研究[D].重庆大学，2012.