J.M.K.MacAlpine 张潮海
香港理工大学电机系，香港九龙
0 引言
油浸变压器绝缘纸强度下降的后果严重，强电场力会使绝缘纸的机械强度受损并引发匝间短路,运行中绝缘纸不可逆地逐渐老化，且随温度升高和水分增多而加快。老化生成物ρ(C5H4O2)的高低可作为绝缘纸老化程度的指标。
实验室中绝缘纸机械强度与ρ(C5H4O2)关系已有广泛的研究，而现场测定ρ(C5H4O2)判断绝缘纸老化程度论文不多。
1 绝缘纸的聚合度和拉伸强度
纸由自然长链聚合物的植物纤维构成，纸的强度是纤维素分子链平均长度的函数，而纤维素分子链的个数也称为“聚合度”(DP)，其值可以通过测量纤维素溶液的粘度(IEC450)而间接得到。绝缘纸的拉伸强度和DP之间有线性关系如图1[1,2]。
当温度一定时纤维素链的断裂率K= A·e－B/T为一常数[3]，式中A、B为常数，T为绝对温度。图2为其特性曲线。
2 糠醛的实验室测量
纤维素分子链断裂生成物中，呋喃族较碳氧化物更能表征纸的老化并被纳为国际标准(IEC1198)，但测量前需预先萃取出各种呋喃成分，耗时较长。若用“直接注入”式的HPLC方法[4]，与国际标准相比，可节省～80%的时间。
呋喃家族中C5H4O2含量最大，常作为绝缘纸老化的专门指标。尽管对它和醋酸苯胺反应后的生成物进行分光光度分析已成为测量ρ(C5H4O2)的快速方法[5]，但难以在现场进行。红外光谱分析可快速测量出[6]ρ(C5H4O2)，有望成为一种在线测量方法。
实验室中糠醛[1]和总呋喃[2]二者质量浓度对数值均与DP负线性相关，而油和纸中所含糠醛之比～20∶80[7]，但在温度为100℃以下时所测得[8]的比例是15∶85。
3 水分的影响
刚投运时变压器油和绝缘纸中w(H2O)≤0.5%，但即使正常工况下在变压器的寿命期内也会上升到2%，此为纸绝缘老化所致。w(H2O)为0、1%、2%和4%时DP与老化时间关系[1]见图3，可见绝缘纸的老化率与w(H2O)大致成正比。
水分的存在加快了绝缘纸中纤维链的断裂速度，而水又是绝缘纸老化过程中的生成物之一，故形成了绝缘纸老化的自催化(正反馈)过程。文[3]构建糠醛生成模型时忽略此自催化作用使得到的老化率低于绝缘纸的实际老化率。
4 现实考虑
自催化作用导致更复杂的过程方程，因变压器不是一个闭环系统：油温较高时水会从油中蒸发掉 ，受负荷及环境温度等共同影响的油温也会经常变化；运行中的油有时需要进行脱气、滤油或再生处理，甚至更换新油，有的变压器上装有油净化装置，这些对于绝缘纸的老化过程和借助油中ρ(C5H4O2)测量判断老化程度带来一定的影响。此外，变压器各部分的温度分布存在不平衡，在实际运行的变压器中曾发生过[6]150～200℃的整体过热和500～900℃的局部过热。
没有水分影响时纤维素的老化过程主要是长分子链断裂并生成水分，同时可加速老化的水分也会以变化的速率从油中挥发出去，且随温度的升高呈指数级数增加，变压器各部分的温度分布不尽相同，而温度也以复杂的方式随时间发生变化，因此，绝缘纸的老化进程相当复杂，其强度在变压器中的分布也不平衡。故难以用一个简单方程来确定ρ(C5H4O2)与运行时间的关系。
5 工业测量
目前很少有论文涉及现场测量ρ(C5H4O2)，变压器局部故障会使绝缘纸的DP发生显著变化，说明绝缘纸的断裂强度与DP之间具有良好的线性关系[9]，但有的绝缘纸强度已很低，而所测ρ(C5H4O2)仅为0.4 mg/L，这可能与变压器 检修 有关。
文[10]用变压器油中一氧化碳、二氧化碳和2糠醛来推测变压器的绝缘寿命，设DP以恒定的速率随时间下降，降到175时，变压器的有效寿命终止。这样当平均负荷不变时利用累积故障概率与时间的函数关系可估出变压器的剩余寿命。一台132 kV变压器一直存在发热故障，持续监测8年，其ρ(C5H4O2)达到10 mg/L时将油全更新。三次换油时间分别为3.8年、3年和1.8年。另一台132 kV变压器在90天高负荷工作期[11]内平均温度80℃，ρ(C5H4O2)从最初的2 mg/L上升到27 mg/L(至此值即将变压器退出运行)。最后测得的DP值<200。
6 结论
a.目前监测变压器绝缘纸绝缘性能的方法多数为实验研究的小规模测试方法，包括加速的或短期的寿命实验，少有适于现场者。但油中ρ(C5H4O2)可作变压器绝缘老化，特别是绝缘纸老化的指标则无可疑。绝缘纸的老化率在变压器运行时不断变化，尤受局部过热和过负荷产生高温的影响。
b.高ρ(C5H4O2)常预示绝缘纸的机械强度已降至很低，此时变压器发生故障的危险性相当大；而相对低的ρ(C5H4O2)并不意味着变压器一定具有较大的绝缘裕度，因有时发生在绝缘纸绝缘薄弱处的局部故障等也会造成相当大的危险。
c.短期内(几个月)ρ(C5H4O2)的显著变化表明变压器内部存在隐患并引发故障的概率相当大。故定期检测变压器中ρ(C5H4O2)十分必要。
参考文献
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3 Hill D J T, Le T T, Darveniza M et al. A study of the degradation of cellulosic insulation materials in a power transformer. Part 1: Molecular weight study of cellulose insulation paper. Polymer Degradation and Stability, 1995, 48:79
4 Lessard M C, Lamarre C, Gendron A et al. Determination of paper degradation by products by direct injection on an HPLC column. Proc Conf on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena, San Francisco, 1995, 22:230
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10 Allan D M. Practical lifeassessment technique for aged transformer insulation. Proc IEE Pt A, 1993, 140:404
11 Domun M K. Condition monitoring of pwoer transformers. IEE Colloquium (Digest),1994, 675:211
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