变压器绝缘老化及局部放电的研究

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1、论文变压器绝缘老化及局部放电的研究申请人：屈斌学科（专业）：电力系统及其自动化指导教师：唐小军 2013年1月网络教育学院毕 业 设 计 (论 文) 任 务 书专业班级 层次 姓名 学号 一、毕业设计（论文）题目 二、毕业设计（论文）工作自 年 月 日起至 年 月 日止三、毕业设计（论文）基本要求： 指导教师： 网络教育学院毕业设计(论文)考核评议书指导教师评语：建议成绩： 指导教师签名： 年 月 日答辩小组意见：负责人签名 年 月 日答辩小组成员 毕业设计（论文）答辩委员会意见： 负责人签名： 年 月 日摘 要论文题目：变压器绝缘老化及局部放电的研究学科（专业）：电力系统及其自动化申请人：屈

2、斌指导教师：唐小军 摘 要变压器是电力系统中的关键设备，在整个电力系统当中处于非常重要的地位，保障大型电力变压器运行的可靠性对于整个电网的安全运营是具有重要意义的。油纸绝缘老化决定变压器使用寿命的关键性因素，其在变压器运行过程当中逐渐的老化，承受短路电流电动力的能力逐步的降低，成为威胁设计及整个电网运行的重大隐患。因此，通过老化试验并结合实际试验结果，对油纸绝缘老化机理进行了研究，另外通过对局部放电的特点的讲述，论述了局部放电与绝缘老化之间的关系，从而为变压器绝缘状态评估和寿命预测提供了参考依据，具有重要的学术和实际意义。关键词:变压器；油纸绝缘；老化机理论文类型：设计报告III西安交通大学网

3、络教育学院论文Abstract Power transformer is the key equipment in power system and stands an extremely important position. It is of great significance to guarantee transformer operation reliably. The life of transformer is limited to the life of its oil-paper insulation. It degrades as the time goes by, and

4、 eventually its capacity of exposure to short-circuit current has been significantly lowered and becomes a hidden threaten to system security Therefore, studying the aging characteristics and mechanisms of oil-paper insulation, through accelerated aging experiments and onsite experiences, can provid

5、e information and references for transformer insulation condition-based assessment and also lifetime forecasting. Key words: Power transformer; Oil-Paper insulation; Aging mechanisms目录目录1 绪论11.1课题研究的目的和意义11.2 国内外研究现状的简述21.3 课题主要研究内容32 变压器油纸绝缘老化过程的现状研究52.1简述变压器油纸绝缘系统老化的机理52.2 变压器绝缘系统状态的检测方法62.3判断变压器油

6、纸老化的依据73 变压器油纸绝缘系统老化的影响因素及其特征103.1变压器内部绝缘材料103.2影响变压器油纸绝缘老化的因素113.3油纸绝缘老化特征量的变化分析144 变压器油纸绝缘老化的实验测定和分析174.1油纸绝缘的温升老化实验174.2热老化实验的结果和现象分析184.3油纸绝缘老化特征产物之间的关系185 变压器局部放电的研究现状205.1局部放电的产生及其特征205.2局部放电与油纸绝缘老化之间的关系215.3局部放电检测方法的研究21结 论27致 谢28参考文献29声 明西安交通大学网络教育学院论文1 绪论1.1课题研究的目的和意义变压器在电力系统的各种设备中属于比较昂贵而且重

7、要设备之一，其安全运行对于整个电力系统的可靠性起到至关重要的作用。变压器一旦发生故障，便会导致大面积的停电，给电力系统和国民经济造成了巨大的损失。实践证明，大量的变压器损坏故障都是由于其绝缘系统出现的问题而引起的。据电力公司的相关数据表明，由于变压器绝缘老化造成的事故约占变压器总事故的80%以上。而油纸绝缘状况直接关系到变压器的使用寿命，在国内的电力系统运行过程当中，仍旧有相当数量的超龄变压器仍在运行当中，但是其绝缘系统的老化程度已相对严重，由于固体绝缘的降解，使得其承受短路电流的能力大幅度下降，这也是引起变压器故障的主要原因。局部放电是指变压器绝缘系统当中部分被击穿的电气放电，绝缘系统损坏的

8、先兆大部分都是局部放电，对变压器进行局部放电的研究和检测成为了检测变压器绝缘系统状况的重要手段，因此，本论文针对变压器绝缘老化及局部放电的研究对降低变压器故障率、提高电力系统运行的安全性和可靠性具有重要意义。电力变压器是电力系统中重要的设备之一，其安全运行意义重大。在现场运行中，局部放电是导致电力变压器绝缘劣化的重要原因之一。从2O世纪中期开始，各个国家就对变压器中局部放电的机理做了很多研究，并取得了很大进展。现有的检测方法可以通过对一些局放物理量的检测来发现变压器内部是否发生了局放。对于局部放电源的准确定位是目前发展的一个方向。根据局部放电过程中所产生的诸如电磁波、声波、光、热和化学变化等现

9、象，其定位方法有电气定位、超声定位、光定位、热定位和DGA定位等。目前，国内外研究较多也比较成熟的是超声定位和电气定位。但一些新的定位方法的出现也为进一步研究局部放电的定位提供了新的思路，如基于辐射电磁波的超高频定位，基于相控阵理论的局部放电源定位等。局部放电是指发生在电极之间但并未贯穿电极的放电，它是由于设备绝缘内部存在弱点或生产过程中造成的缺陷，在高电场强度作用下发生重复击穿和熄灭的现象。它表现为绝缘内气体的击穿、小范围内固体或液体介质的局部击穿或属表面的边缘及尖角部位场强集中引起局部击穿放电等。但若电器设备绝缘在运行电压下不断出现局部放电，这些微弱的放电将产生累积效应会使绝缘的介电性能逐

10、渐劣化并使局部缺陷扩大，最后导致整个绝缘击穿。电力变压器是电力系统中重要的设备之一，其安全运行意义重大。在现场运行中，局部放电是导致电力变压器绝缘劣化的重要原因之一。从2O世纪中期开始，各个国家就对变压器中局部放电的机理做了很多研究，并取得了很大进展。现有的检测方法可以通过对一些局放物理量的检测来发现变压器内部是否发生了局放。对于局部放电源的准确定位是目前发展的一个方向。1.2 国内外研究现状的简述国外专家学者对于变压器老化程度的测定研究起步70年代，当时主要是采用气相色谱法来检测绝缘油中的一氧化碳和二氧化碳的含量来作为检测变压器绝缘系统老化程度的依据。1984年，英国专家首先提出绝缘油中的糠

11、醛是在变压器运行过程当中所产生的特有物质，可以通过检测糠醛在绝缘油中的含量来判断绝缘系统老化的程度。近年随着对于变压器绝缘老化研究的不断深入，比较有代表性和说服力的有以纸绝缘老化生成的丙酮含量来作为检测的依据。到目前为止，世界上针对变压器绝缘老化程度的检测有三种公认的方法：第一种方法，就是一氧化碳和二氧化碳的总含量与绝缘纸平均聚合度残留率的比值。当比值大于0.33或者比值少于0.19则表示此时的变压器绝缘系统存在分解故障。国内的变压器由于其存在的特殊性，如年份长、生产工艺的多变性、型号不一、绝缘结构的多变等特点，使得很难去计算每台变压器的绝缘纸质量，因此，针对第一种方法检测的结果很难反映国内变

12、压器的真实老化状态。第二种方法，油中糠醛的含量，这种方法规定当糠醛的含量达到0.5mg/l时，变压器的绝缘水平处于使用寿命的中间段，当含量达到4mg/l以上，则说明此时运行的变压器老化程度已相当严重，使用寿命已快要结束。这种方法也存在一定的缺陷，国内有学者指出，许多变压器内部都装有吸附剂，使得循环油中有部分糠醛被吸收，因此检测出来的糠醛含量是不准确的。第三种方法，绝缘纸的聚合度。通过绝缘纸的聚合度来判断变压器绝缘系统的老化程度非常直接，但是直到目前为止没有规范的判断指标。因此，为了准确的获得变压器绝缘系统的老化程度和局部放电现象，有必要对变压器的老化机理和测定方法进行研究。1.3 课题主要研究

13、内容本论文首先从变压器油纸绝缘老化的现状入手，分析影响变压器油纸老化的主要因素，包括温度、空气所含水分、四周电场、酸性物质的作用。通过对变压器油纸绝缘老化的监测来对老化过程当中特征量，如油中糠醛、油中水分、绝缘子聚合度等发生改变做了原理性的分析。其次，通过对油纸绝缘的单因子热老化试验，对比分析各老化特征量随老化时间的变化关系以及老化特征量之间的相互关系，并对油纸绝缘老化的动力学原理和老化机理进行研究。另外，还对不同初始老化程度油纸绝缘的老化特性试验，分析老化过程中特征量如油中溶解气体、糠醛、水分随老化时间的变化关系，对处于老化中后期油纸绝缘特征生成物的生成速率进行研究。最后，论述了局部放电的原

14、理和特点，指出对于电力变压器而言，绝缘内部或者是表面发生局部放电而造成的放电电老化是不容忽视的，分析了局部放电与变压器油纸绝缘之间的关联性，并通过对局部放电的检测方法来得出变压器绝缘的薄弱地带，从而为检修与保养提供了参考依据。2 变压器油纸绝缘老化过程的现状研究简述变压器绝缘系统老化之前，首先我们需要清楚整个变压器绝缘系统包括哪几个方面。一般来说，变压器内绝缘系统主要包括绝缘油和绝缘纸两大部分，在变压器实际运行过程当中，不可避免的会受到四周环境因素的影响，比如常见的温度、水分、氧气、酸性物质、电场分布等因素的影响，随着时间的推移，这种影响程度越来越严重，油纸绝缘系统也逐步的呈现老化的状况，变压

15、器整体机械性能和电气性能指数指标都逐步下降，从而在一定程度上给变压器的运行带来了隐患，也影响了整个电网运营的稳定性。2.1简述变压器油纸绝缘系统老化的机理分析变压器油纸绝缘系统老化的机理需要分为两大部分入手：变压器绝缘油老化的机理变压器绝缘油属于一种碳氢化合物构成的混合物，主要组成包括烷烃、环烷烃、芳香烃等。在通常环境温度下，变压器绝缘油是不会发生化学分解反应的，因此绝缘油的老化主因在于空气的氧化导致的。绝缘油在吸收了氧气之后，会在空气水分和温度的双重影响下加速老化的进程，从而分解出诸如醇、醛等氧化物和酸性物，最终形成油泥。在绝缘油分解的过程当中会产生一定量的CO和CO2，随着变压器的不断运行

16、，CO和CO2会不断的溶解在绝缘油当中，成为溶解气体中主要成分，另外还包括一些H2等低分子烃类气体。绝缘油在非正常温度状态下会使的某些C-H和C-C键断裂，通过一些复杂的化学反应重新发生化合，形成一定量的H2等烃类气体，这些烃类气体加速了绝缘油的老化进程。变压器绝缘纸老化的机理变压器固体绝缘部分主要材料就是绝缘纸，也是通常操作人员所称的纸板，绝缘子的主要成分是纤维素，从纤维素的化学组成来看，主要是由单糖和长链的糖组成，也就是说变压器绝缘子的老化过程核心就是纤维素的降解过程。纤维素的降解过程可以分为三种方式，第一种：氧化降解，纤维素很容易被氧化，其化学物质中的碳原子成分会与氧接触发生化学反应，从

17、而生产酸类、醛类化合物，其中醛基遇氧生成羧基，羧基本身化学组成结构不稳定，容易发生水解。2.2 变压器绝缘系统状态的检测方法变压器油纸绝缘系统在运行过程中逐渐老化，其在电力系统中的重要性迫使在整个运行过程中都需要对其运行状态进行监视，变压器绝缘状态的监测方法主要可分为电方法、时域极化法、绝缘纸聚合度法、油中糠醛含量法。1) 电方法传统的电测试方法主要有测量击穿强度、介质损耗、电容、局放信号、绝缘电阻、吸收比(极化系数)、直流电阻等。2) 时域极化法时域极化法是在绝缘试品两端加上一个阶跃电压，通过测试极化/去极化电流的幅值和相位，从而获取介电常数的相关信息。在过去的十年中，基于极化/去极化电流的

18、以及恢复电压测量的时域方法得到了广泛的关注，其中又以基于恢复电压测试的变压器绝缘状态评估为代表。3) 绝缘纸聚合度法变压器固体绝缘(纸、纸板)的主要成份是纤维素(线性聚合体)，聚合体中葡萄糖单体的个数被称为聚合度。纤维素的聚合度通常采用粘度法测得。4) 油中糠醛含量法较之于关于绝缘纸的直接测量，糠醛分析提供了一种更为简单、可行的方法。大量资料表明:油中糠醛含量与绝缘纸聚合度之间存在近似的对数关系.2.3判断变压器油纸老化的依据变压器油纸老化是一非常复杂的过程，因为整个变压器绝缘系统受到温度、电气、物理、化学、机械等多因素的影响，因此对于普通的操作检修人员来说很难从变压器绝缘系统表面来分析其老化

19、的程度。上个世纪七十年代，国际上在诊断变压器老化程度的时候常用的方法就是采用气相色谱法来检测绝缘油中的CO和CO2含量，根据含量比来作为判断变压器绝缘系统老化的程度，从而为变压器检修故障和保养提供了参考依据。直至八十年代中期，英国的一个学者首次提出了根据变压器绝缘油中分解的物质糠醛含量来作为评判运行变压器内部绝缘纸老化的优劣程度。随着科技的发展，人们对于变压器绝缘纸老化机理也研究的越深，相继提出了以绝缘纸老化生成物中的丙酮含量作为判断绝缘材料的老化程度。总的来说，目前国际上针对变压器绝缘纸老化程度评判依据主要有三种。A. CO和CO2生成总量以及CO/CO2的比值规律国家标准当中针对变压器绝缘

20、油中溶解气体的分析和判断导则有明确规定对开放式变压器CO的含量，一般在300mg/L以下；对隔膜变压器绝缘油中CO含量一般要高于300mg/L。开放式变压器中对于CO/CO2的比值大于0.33或者比值夏小于0.99时，表明此时变压器的绝缘系统出现了问题，很可能是绝缘纸中的纤维成分发生了降解作用。而隔膜变压器，对于CO/CO2的比值会放宽松许多，当CO/CO2的比值大于0.5时，变压器绝缘纸才可能会出现老化故障。日本专家总结出了CO与CO2的总量与绝缘纸聚合度残留率之间的关联，结论是当CO与CO2的总量超过1ml/g时，绝缘纸聚合度残留率大约为一半，当CO与CO2的总量超过3ml/g时，绝缘纸聚

21、合度残留率只有三分之一。针对这种以CO与CO2的总量来测定变压器老化程度的依据有一定的参考价值，但是考虑到我国变压器的国情，这种测定方法又有着很大的局限性，原因在于我国生产变压器的绝缘材料、绝缘系统结构、绝缘纸的比例等等都会随着不同的型号、年份、厂家而不同，因此很难确定的计算出每台变压器绝缘纸的总量，进而仅仅凭借运行中变压器绝缘子分解出现的CO与CO2的总量来判定老化程度是不够准确的。B. 绝缘油中糠醛含量作为判定依据糠醛是变压器在运行过程当中绝缘纸生成的一种特征物，在正常温度内呈现是液态，而且这种特征物只来源于变压器绝缘纸的分解物，根据国家标准针对非正常老化和严重老化的糠醛含量有一个限定值，

22、当绝缘油中糠醛的含量达到0.5mg/L时，表明此时变压器的绝缘系统处于中期水准，使用寿命还较长。当绝缘油中的糠醛含量达到4mg/L以上，则表明绝缘纸老化程度严重，且整体变压器绝缘水平到了末期，变压器的使用寿命已接近终点。国家电力科学研究院曾做过相关的模拟实验，实验表明绝缘油中的糠醛含量和绝缘纸绝合度有着很大的关联性，通过测定绝缘油中糠醛的含量能够很好的判断变压器绝缘系统的老化程度和使用寿命水平。当然这种方法也存在一定的弊端：许多国产的变压器中都装有吸附过滤器，吸附剂能够对油中的糠醛起到一定的吸附作用，从而降低了绝缘油中的糠醛含量，另外国内针对变压器检修导则中有采用压力滤油，这也会带走部分糠醛含

23、量，从而给测定的糠醛含量造成了一定的偏差。C. 绝缘纸的聚合度通过测定绝缘纸的聚合度来判定变压器绝缘系统的老化程度非常的直接，但是目前国内外针对这种测定方法尚未有明确、统一的标准和规定。国内针对变压器绝缘纸聚合度基准有一个比较统一的共识：以绝缘纸平均聚合度1000为基准，当绝缘纸平均聚合度降至500时，表明此时变压器性能和使用寿命达到中期水平；当绝缘纸平均聚合度降至250时，需要注意此时变压器使用寿命已经到达了晚期，不适宜继续在电网中正常运行，否则很可能会引起电网事故。聚合度是目前最直接、最贴切的表达绝缘纸老化程度的参考指标，但是需要在多个绕组部位取样，原因在于绕组的部位不同，其温度也不同，带

24、来的老化程度也不一样，因此绝缘纸的聚合度是一个呈现分布式规律的指标。专家建议在测算聚合度时，可以先通过测定绝缘油中的CO与CO2的总量与糠醛的含量来做类比，从而推导出聚合度值。上述的三种判断变压器绝缘系统老化程度的依据对于变压器整体绝缘老化的鉴定上是有着很大的参考价值的，但由于国产变压器在绝缘结构及个体上存在着较大的差异性，这也使得三种依据判断变压器绝缘系统老化的准确性有所下降，因此针对变压器进行加速老化实验，通过研究油纸老化产生的特征物之间的关联性来加深对变压器绝缘老化机理的认识是非常有必要的。3 变压器油纸绝缘系统老化的影响因素及其特征变压器在实际运行过程当中，由于受到诸如温度、水分、氧化

25、、酸性等因素的影响，使得绝缘纸聚合度下降，绝缘系统老化程度显著降低，这也给变压器的机械和电气性能带来了影响，通过对绝缘系统内部绝缘材料组成的了解，对影响变压器绝缘纸老化的因素进行研究可以为日后变压器老化实验判定提供有益的参考。3.1变压器内部绝缘材料电网中使用较多的油浸式变压器一般采用的是油纸绝缘结构，纸板具有良好的绝缘性能，相对介电系数约为3.72，变压器绝缘油所起的主要作用是绝缘和冷却的作用，绝缘油可以带走变压器运行过程当中产生的多余热量。由绝缘纸和绝缘油构成的绝缘系统具有非常优秀的电气性能，在短时间的电压作用下，其耐压程度可达到50-120kV/mm，并且制造工艺非常便捷。变压器绝缘油最

26、初的绝缘油是由石蜡构成的，不过在变压器老化发生之后，其形成了难以溶解的油泥，增加了绝缘油的粘度，并且吸热和传热性能也降低了许多，相对于石蜡来说，环烷烃油非常容易被氧化，但是其生成物易溶于绝缘油中，因此在电力系统当中运用的比较广。原油的选择是绝缘油在制造过程当中非常重要的一环，原油精炼的程度、炼制过程、炼制工都会对最终产品中各成分的含量造成非常大的影响。成品绝缘油是环烷烃、烷烃和芳香烃按照一定比例的构成的混合物，具有良好的电气特性、吸气性、化学稳定性。变压器绝缘油中的环烷烃具有较好的化学稳定性和介电稳定性，周围温度的变化对其粘度影响很小，分子为封闭的环状链、结构严密、不易破坏，并且凝固点低、使用

27、温度范围广、介质损耗因数小、介电强度高，但抗氧化性能稍差。绝缘纸绝缘纸的主要材料就是纤维素，这在之前章节已经讨论过，纤维素主要成分是由长链的糖和单糖组成，这种纤维素的含量并不纯，因为在木材和其他草本植物上很难找到百分百纯净的纤维素，一般来说，绝缘纸取材的源木料当中还包含约15%左右的木质素，纤维素的含量一般在55%左右，还有大约30%的为半纤维素。在绝缘纸的制造过程当中，源木材首先要进行前化学处理，主要是除去其中广大木质素和半纤维素，常用的化学制剂为硫酸盐，经过化学处理之后，成品绝缘纸中纤维素含量达到80%-90%之间。3.2影响变压器油纸绝缘老化的因素变压器绝缘纸老化主要就是由于绝缘纸中的纤

28、维素发生降解作用，通过X-射线对纤维素的研究，发现纤维素分子内部有一部分区域分子排列很有规律性，分子间排布很整齐，称之为结晶区，还有部分区域是呈现的无规则排布，分子间距不一，称之为无结晶区。通常来说，降解作用一般发生在无结晶区，因为结晶区分子键比较稳定，分子间的作用力很大，因此所受的影响也比较小；而非结晶区分子之间的作用力薄弱，在环境、化学等多方面因素的影响下，降解作用也就越发的明显。1) 温度温度是影响变压器绝缘系统老化的主要因素，绝缘纸的热稳定性比较差，在变压器运行过程当中，温度超过一百度以后，纤维素便会自动分解，分解出水分还有少量的CO与CO2，随着运行的时间加长，绝缘纸的老化程度也就越

29、来越严重，变压器的大部分机械性能和电气性能都失效了，而纤维素自身抗老化性和稳定性都比较低，这也是绝缘纸最大的缺陷所在。变压器运行过程当中热量也会随之上升，热降解使得纤维素分子键发生断裂，C-O键的热稳定性相对于绝缘油中的C-H键要弱许多，即使处于正常的温度环境下，C-O键也很容易断裂。变压器运行产生的热量会引起绝缘纸的温度上升，在上个世纪三十年代，国外专家曾经提出过十度法则，他们经过试验研究发现，变压器的运行温度每增加十度，则其使用寿命就会降低一半。变压器在运行时，铁芯及绕组中有能量损耗，这些能量损耗一方面影响变压器运行时的效率;另一方面，损耗转变为热能，引起变压器的发热。当变压器内部有热量产

30、生时，变压器的温度将升高。当变压器的温度高于冷却介质的温度时，就开始向冷却介质散发出热量。散热的快慢取决于变压器温度与冷却介质的温度之差和变压器的散热能力。在一定条件下，温度差愈大，散热愈快。因此，在一定的负载下，变压器的温度将逐渐升高，直到散出去的热量等于产生的热量时，温度就不再升高，并保持一定的对冷却介质的温升值。变压器的温升对它的运行有很重要的影响，最主要的是对绝缘材料的影响。过高的温度将使绝缘材料破坏而失去绝缘能力，或缩短它的有效使用寿命，另外，温度升高将增大绕组的电阻，因而使铜耗增加。因此，必须使变压器在额定负载时各部分的温度不超过绝缘材料所允许的数值。要降低温升，可以从两方面着手:

31、一方面在设计制造时努力设法提高变压器的效率，减少损耗;另一方面是提高变压器的散热能力，使它更有效地冷却。而散热能力与变压器的结构布置和所采用的冷却方式有关，因此，如何加强冷却，使热量能更好地散发出来，是一个有重要意义的问题。应该指出，对于温升和冷却的问题，必须全面来考虑。一方面，不能认为温升越低越好。这是因为一定的绝缘材料可以运行在一定的温升，温升过低说明有效材料没有被充分利用，或者说明采用了不必要的太强的冷却措施，而这些都是不经济的。此外，如果采用能耐较高温度的绝缘材料，则可以使变压器运行在较高的温度，更多地节约有效材料，但绝缘材料的成本可能较高。另一方面，决定可以允许的总损耗的因素，有时不

32、是温升的限制，而是对变压器效率的要求，后者是由动力经济的观点来决定的，这时温升已不是关键问题，因此，温升和冷却的问题必须从节约关键材料和全面的经济观点来统一加以考虑。2) 电场在电场的作用下，变压器绝缘纸会发生老化，这是影响变压器绝缘系统老化的主要因素之一。一般来说，变压器油纸绝缘结构的老化程度取决于其局部放电的累积程度。变压器在生产制造的过程当中采取了压力浸油的工艺，但是在变压器内部绝缘结构或者一些死角处仍旧会存在一些褶皱和气泡，在局部放电的作用下，这些气泡会发生崩溃，从而出现了游离在外的许多电子，这些电子在电场的作用下以一定的动能去冲击C-H，C=C等稳定的化合物分子键，从而破坏了有机物的

33、结构。另外，电场会加速绝缘油降解，从而形成酸性特征物，这些特征物会沉积在绝缘纸的表层，加速了变压器绝缘系统老化的速度。3) 水分水分是决定着变压器绝缘系统老化的关键性因素，主要原因在于变压器绝缘油容易吸收空气的水分，而水分在绝缘油中的溶解度是与温度相关的。绝缘纸中的纤维素降解产生的羧基对溶液具有极强的亲和力，很容易发生水解反应，另外纸板的吸湿能力要比绝缘油大很多。研究表明，油纸绝缘中初始所含的水分越多，对降解的促进作用也就越强。油纸绝缘老化的过程是伴随着水分的生成的，随着变压器绝缘系统老化程度的加剧，水分也越来越多，当水分量积累到一定程度以后，油纸绝缘的使用寿命也就到了终点了。由于水是一种极性

34、很强的化合物，容易向高电场区聚集，因此在变压器最危险的高场强地带聚集了许多的水分，这很容易形成极性通路，导致了变压器的故障率大大提高。4) 氧气氧气对油纸绝缘老化的影响与水分是类似的，都起着关键性的作用，绝缘纸中的纤维素成分很容易氧化，实验研究表明：当绝缘纸中的水分成分达到0.3%时，氧气将纤维素的降解速度提高了约三倍，在变压器中，除了器身内部残留的氧和外部渗入的少量氧之外，变压器油的老化产物中也含有不容忽视的氧化剂，较高的温度可以加快纤维素的氧化反应。5) 其他因素除了上述的几种主要影响变压器油纸绝缘老化的因素之外，还存在如物理应力、光、微生物等因素对变压器绝缘系统老化仍旧起到不小的作用。3

35、.3油纸绝缘老化特征量的变化分析变压器在运行过程当中，随着温度的升高、以及绝缘油中水分溶解度的增加，其绝缘性能进一步降低，老化程度也越来越严重，油纸绝缘与氧气发生氧化作用，生产的羧基又再次氧化、碳化，生产的氧化产物以及一些不溶性物质，简称为油泥。根据IEC标准的规定，对绕组采用导向冷却 (OD)的强油循环产品，其绕组温升可提高5 (即70)，这是因为导向冷却的绕组温度最高点与平均温度间的温差较之非导向冷却的要小。但是在国际标准GB1094.21996中却并未对导向冷却变压器的绕组平均温升做出与IEC标准相同的规定，仍维持在65。当温度在95以上时，变压器油将会显著的恶化，所以油顶层温度不宜超过

36、95，相应油顶层温升限值是按下式计算而得的:油顶层最高温度最高气温=油顶层温升限值但是对于油不与大气直接接触的全密封变压器，其油顶层的温升限值可提高到60。温升标准是根据绝缘材料的性质、变压器使用情况和自然环境条件而确定的，标准中选用的数值，是考虑了变压器在正常使用年限内绝缘不会破坏，一般认为变压器的正常使用年限应该是20年左右。在夏天周围温度高达40时，绕组的平均温度可到105，温度最高的部分可能会达到120，这时绝缘的老化是较快的，但这种日子是不多的，在大部分时间内温度要低得多，绝缘的总的损坏率应该使它保持在使用年限内能正常运行。油纸绝缘老化特征量的变化分析主要是针对特征物：油中糠醛、绝缘

37、纸聚合度、绝缘油中水分等产物展开分析的。1) 油中糠醛国内外针对糠醛与变压器油纸进行了大量的变压器老化试验，研究结果均表明，变压器绝缘油中的糠醛成分只来自于绝缘纸的老化，对于糠醛具体形成的机理，至今没有一个观点能被大家所一致认可。当变压器绝缘纸发生老化时，油纸绝缘系统就会包含一定量的糠醛，生成的糠醛在绝缘油中的分布是呈现均匀状态的，因此可以利用高效液相色谱法针对糠醛的含量进行检测，糠醛含量的多少直接决定了变压器绝缘纸老化程度的高低，这对于检测油纸老化状态非常有帮助。2) 绝缘纸聚合度变压器在运行的过程当中，由于受到环境因素，诸如温度、氧气、水分等因素的影响，会加速绝缘纸老化的进程，促进绝缘纸中

38、纤维素的降解作用，纤维素分子键长度由于分解和断裂，使得绝缘纸的机械性能和电气性能大幅度恶化，绝缘纸的聚合度也显著降低，从而严重的影响变压器的使用性能，危及到电网的正常运营。3) 绝缘油中水分变压器绝缘纸因为老化而生成的水分开始积累，积累的水分主要集中在绝缘纸和溶解在绝缘油当中，它会使得绝缘性能大幅度降低，局部起始电压和击穿电压也会随着绝缘系统中含水量的增加而急剧下降，对设备运行构成了威胁，严重时还会酿成放电击穿事故。4 变压器油纸绝缘老化的实验测定和分析4.1油纸绝缘的温升老化实验为了能够深入的分析不同类型的绝缘油纸的老化特性以及在老化过程当中，特征产物的变化，本文设计了如下的老化试验。试验材

39、料主要使用两种绝缘油和绝缘纸，绝缘油种类分别为：克拉玛依变压器油O1表示与BIOTEMP抗老化油，O2表示。绝缘纸种类分别为：常规硫酸盐木纸，P1表示与热稳定纸，P2表示。试验流程整个油纸绝缘老化的试验流程如下：A：对绝缘纸进行裁剪，得到若干质量为5g的绝缘纸样品。B：将裁剪好的绝缘纸样品置于真空箱中，于90下干燥48小时，后冷却至40,浸入己脱气除水的新变压器油并保持12小时.C：从浸油后的绝缘纸样中挑选若干形状均匀的样品装入烧瓶内，按10:1的比例添加已脱气除水的新变压器油，并按1g油:0.5cm2铜的比例向其中添加适量铜片，后将烧瓶置于真空充氮箱中，抽真空并于真空状态下充氮至一个标准大气

40、压，后在密闭的、充满氮气的环境下进行密封，从而得到的4种油纸绝缘试品。D：上述4种不同组合的油纸绝缘样品分别至于90、110、130老化箱中，进行热老化试验，并按一定的时间间隔，取样进行性能参数的测量.4.2热老化实验的结果和现象分析老化试验进行了约4000小时，130部分试验样品绝缘纸聚合度值己经下降到200以下，达到了寿命终点；同时，部分试品如90下Munksjo纸试品绝缘纸聚合度仍处于700-800的水平，油纸绝缘还处于良好的状态。本文在三个试验温度下，对四种不同类型的油纸绝缘模型进行了约4000小时的加速老化试验，通过对反映油纸绝缘老化的多个特征量如油中溶解气体、油中水分、油酸值、油中

41、糠醛、绝缘纸聚合度的跟踪分析结果表明:随老化时间的增加，变压器油中溶解CO2气体成明显增加趋势，油中溶解CO及烃类气体由于受到系统中残余O2的影响，在试验初期有一些波动。在整个老化过程中，四种类型油纸绝缘试品油中溶解气体含量分散性较大，难以建立起与老化时间的数学模型;各类油纸绝缘油中溶解气体变化并无特殊规律，不能以气体含量或者变化模式来判定油纸绝缘的类型。BIOTEMP油可以有效降低油纸试品绝缘纸中水分含量，因而与25号变压器油相比较，当与常规硫酸盐木浆纸组合时，其可以显著抑制油纸绝缘的降解。另外，与常规硫酸盐木浆纸相比，Munksjo纸具有优异的热稳定性能，由其构成的油纸试品老化过程非常缓慢

42、。4.3油纸绝缘老化特征产物之间的关系本文试验条件下，变压器油中糠醛含量与绝缘纸聚合度的试验结果通过对试验数据进行拟合，可以得到油中糠醛含量与绝缘纸聚合度的关系，结果表明如下:变压器油中糠醛含量对数值与绝缘纸聚合度大致成线性关系，绝缘油、纸类型对糠醛与聚合度模型的参数有决定性影响。由常规硫酸盐木浆纸构成的油纸试品两参数间具有较好的对应关系，对应于较高的相关系数，而由Munksjo纸构成的油纸试品在老化过程中糠醛含量有一定波动，两参数的相关系数偏低。在老化过程中，由Munksjo纸构成的油纸试品具有较低的糠醛生成速率，对应于较小的函数斜率和较低的油中糠醛含量;与常规绝缘纸相比，热稳定纸老化产生较

43、少量的糠醛.对应于相同的油纸绝缘老化程度，不同类型的油纸绝缘组合对应于不同的油中糠醛含量。因而在利用油中糠醛含量对油纸绝缘老化程度进行估算时，必须考虑油、纸类型对糠醛含量的影响。变压器油中糠醛含量的注意值应根据其对应的油纸绝缘类型制订相应的标准。5 变压器局部放电的研究现状5.1局部放电的产生及其特征一般认为局部放电是指在电场作用下，绝缘系统中只有部分区域发生放电而没有贯穿施加电压的整个系统，即没有击穿的现象。放电是指由电子雪崩开始，二次过程为补充，使载流子穿过原为绝缘介质的不连续运动的过程。产生局部放电的主要原因是电介质不均匀时，绝缘体各区域承受的电场强度不均匀，在某些区域电场强度达到击穿场

44、强而发生放电，而其它区域仍然保持绝缘的特性。产生局部放电的条件取决于绝缘装置中的电场分布和绝缘的电气物理性能。大型电力变压器基本采用油一纸复合绝缘及油一屏障绝缘结构，局部放电一般发生在绝缘薄弱或电场强度偏高的部位。按部位来分，变压器局部放电主要发生在引线接线处、纸板、压板、围屏、端部油楔、金属尖端、变压器油以及套管等部位。电力变压器主要采用油-纸屏障绝缘，这种绝缘由电工纸层和绝缘油交错组成。由于大型变压器结构复杂、绝缘很不均匀。当设计不当，造成局部场强过高，工艺不良或外界原因等因素，造成内部缺陷时，在变压器内必然会产生局部放电，并逐渐发展，最后造成变压器损坏。电力变压器内部局部放电主要以下面几

45、种情况出现：(1)绕组中部油-纸屏障绝缘中油通道击穿;(2)绕组端部油通道击穿;(3)紧靠着绝缘导线和电工纸(引线绝缘、搭接绝缘、相间绝缘)的油间隙击穿;(4)线圈间(匝间、饼间)纵绝缘油通道击穿;(5)绝缘纸板围屏等的树枝放电;(6)其他固体绝缘的爬电;(7)绝缘中渗入的其他金属异物放电等。因此，对已出厂的变压器，有以下几种情况须进行局部放电试验：(1)新变压器投运前进行局部放电试验，检查变压器出厂后在运输、安装过程中有无绝缘损伤。(2)对大修或改造后的变压器进行局部放电试验，以判断修理后的绝缘情况。(3)对运行中怀疑有绝缘故障的变压器作进一步的定性诊断，例如油中气体色谱分析有放电性故障，以

46、及涉及到绝缘其他异常情况。(4)作为预防性试验项目或在线检测内容，监测变压器运行中绝缘情况。5.2局部放电与油纸绝缘老化之间的关系局部放电一般不会引起绝缘的穿透性击穿，但是可以导致电介质特别是有机电介质)的局部损坏。若局部放电长期存在，则在一定条件下可能造成绝缘介质电气强度的降低，加剧绝缘纸老化的速度。因此局部放电对绝缘设备的破坏是一个缓慢的发展过程，对于高压电气设备来说是一种隐患。局部放电的特性一般可与绝缘缺陷相互很好的印证。即根据局部放电特性可以确定电气设备绝缘的局部损坏程度。在某种情况下，绝缘的性能可以按某种最能说明问题的特性来判断，而对于不同设备的绝缘，这些特性可能各不相同。在多数情况

47、下，综合测量各种局部放电特性可以较客观的评价产品的绝缘水平。5.3局部放电检测方法的研究局部放电检测是以发生局部放电时产生的电、光等现象为依据，来判断局部放电的状态，包括放电点的定位和放电的程度等。目前，国内外常见的检测方法有脉冲电流法、超声波检测法、光测法、化学检测法等方法，其中脉冲电流法、气相色谱分析和超声波检测法应用最为广泛。1.脉冲电流法脉冲电流法是通过检测阻抗、检测变压器套管末屏接地线、外壳接地线、铁心接地线以及绕组中由于局部放电引起的脉冲电流，获得视在放电量。它是研究最早、应用最广泛的一种检测方法。检测变压器局部放电脉冲的电流传感器通常用罗哥夫斯基线圈制成。电流传感器按频带可分为窄

48、带和宽带两种。它们的优点是灵敏度高、抗干扰能力强、脉冲分辨率高、噪音低等特点。缺陷是:首先，由于其具有的优点，当试样的电容量比较大时，受藕合阻抗的限制，测试仪器的测量灵敏度也受到了一定的限制;其次，测试频率低(一般小于IMHz)，因而包含的信息量少;最后，在离线状态其灵敏度较高，而现场中易受外界干扰噪声的影响，抗干扰能力差。2.超声检测法超声波检测法测量的是放电时产生的超声波信号。用固定在变压器油箱壁上的超声传感器可以接收到变压器内部局部放电产生的超声波，由此来检测局部放电的大小及位置。通常采用的超声传感器是压电传感器，选用的频率范围为70一巧OkH:，目的是为了避开铁心的磁噪声和变压器的机械

49、振动噪声。由于超声波法受电气干扰小以及它在局部放电定位上的广泛应用，人们对超声法的研究较深人。但变压器内部绝缘结构复杂，各种声介质对声波的衰减及对声速的影响都不一样;目前使用的局放检测超声波传感器抗电磁干扰能力较差，灵敏度也不很高，这就增加了超声检测的难度。超声检测主要用于定性地判断局部放电信号的有无，以及结合电脉冲信号或直接利用超声信号对局放源进行物理定位。在电力变压器的离线和在线检测中，它是主要的辅助测量手段。随着对局放超声波测量研究的深人，有可能定量地分析放电强度及绝缘劣化程度。近年来，由于声电换能元件效率的提高和电子放大技术的发展，超声检测的灵敏度有了较大的提高，因而该方法的发展应用还

50、是非常有希望的。3.光测法光测法是利用局部放电产生的光辐射进行的。在变压器油中，各种放电发出的光波长不同，研究表明通常在500一700nm之间，光电转换后，通过检测光电流的特性可以实现局部放电的识别。虽然在实验室中利用光测法来分析局部放电特征及绝缘劣化机理等方面取得了很大进展，但由于光测法设备复杂昂贵、灵敏度低，且需要被检测物质对光来说是透明的，因而不可能在实际中应用。尽管如此，光纤技术已作为其他方法(特别是超声检测)的辅助手段应用于变压器的局部放电检测中。4.化学检测化学检测(DGA，DissolvedGasAnalysis)，也叫气相色谱法。当变压器中发生局部放电时，各种绝缘材料会发生分解

51、破坏，产生新的生成物，通过检测生成物的组成和浓度，可以判断局部放电的状态。DGA法是通过检测变压器油分解出的各种气体的组成和浓度来确定故障(局放、过热等)状态的。目前，该方法已广泛应用于变压器的在线故障诊断中，故障类型不同、故障程度不同，气体的组成和浓度也不相同，由此建立起来的模式识别系统可实现故障的自动识别。5.局部放电的超高频检测超高频法(UHF法)原理是通过超高频信号传感器接收局部放电过程辐射的超高频电磁波，实现局部放电的检测。研究认为:变压器每一次局部放电都发生正负电荷中和，伴随有一个陡的电流脉冲，并向周围辐射电磁波。试验结果表明:局部放电所辐射的电磁波的频谱特性与局放源的几何形状以及

52、放电间隙的绝缘强度有关。当放电间隙比较小时，放电过程的时间比较短，电流脉冲的陡度比较大，辐射高频电磁波的能力比较强;而放电间隙的绝缘强度比较高时，击穿过程比较快，此时电流脉冲的陡度比较大，辐射高频电磁波的能力比较强。变压器油一隔板结构的绝缘强度比较高，因此变压器中的局部放电能够辐射很高频率的电磁波，最高频率能够达到数GHZ。其特点是:UHF检测技术的检测频率范围一般为500一15阅MH:，可最大限度避开干扰信号。同时，由于超高频法实施中，传感器安置在变压器箱体内，变压器壳体的屏蔽作用，使这一方法的抗干扰能力大大优于目前传统局部放电监测方法，这对于实现变压器局部放电的在线监测是非常有利的。超高频

53、频段丰富，信息量大，灵敏度高。变压器局部放电测量作为一种检查变压器内部绝缘由于场强集中或其他原因造成电场畸变或局部场强过高而引起的油中或绝缘中放电的有效手段，已逐渐被人们认可。并将这种要求逐渐有高电压产品推广至较低电压产品，这一要求也被写入变压器标准中，且允许的视在放电量也在下降，变压器新标准中GB 1094.3-2003中规定，变压器110kV级及以上的变压器都要进行局部放电测量，局部放电试验不但进行长时间局部放电试验还要进行短时间感应耐压时的局部放电测量，而且变压器协议中要求局部放电量都是小于100pC逐步下降至小于500pC，特别是500kV变压器由于各部分的场强经过细致计算，制造精度较

54、高，工艺严格，因此局部放电量更低一些，根据各大变压器厂总结的经验有以下几条：(1)设计时要控制各部分场强在允许的范围内，特别要注意对高压引线头和引线电场强度的控制。采用电气屏蔽法可有效的降低局部放电量(注意：金属屏蔽材料与电缆引线或绕组出头接触良好，不允许屏蔽处存在悬浮电位)。(2)制造过程中特别要注意器身中各部件的清洁度决不允许带入任何金属异物。(3)装配过程中要注意各个附件的清洁度，对外构件要严格检查，对自加工的零件也必须做到干净清洁，特别是焊接件、金工件要彻底清理加工过程中所残留的异物、杂物，也要注意在总装过程中所产生的金属异物的收集与清理。(4)绝缘材料的使用要有选择，在高电场中忌用环

55、氧玻璃布板和其他介电系数的材料，还要避免使用在真空处理时无法排出气体的绝缘制品。(5)变压器真空注油是时应保证真空度达到工艺要求：抽真空和静放时间要足够长，确保变压器所有部件被油浸透。变压器局部放电时伴有电脉冲、电磁辐射、声、光、局部发热以及放电导致绝缘材料分解出气体等现象，通过这些现象可以检测局部放电。通常将检测方法分为电测法和非电测法。电信号检测技术主要包括脉冲电流法、超高频检测法和超宽频检测法等。随着传感器技术、厂数据采集技术等的不断发展，局部放电检测向超高频(UHF)和超宽频(UWB)的方向发展。超高频局部放电检测法是通过接收变压器内部放电所产生的超高频电信号，实现局部放电的检测。研究

56、表明，变压器局部放电的脉冲上升沿的时间基本为ns级，发射的电磁波频率成分十分丰富，通过接收其中超高频分量是可以实现变压器局部放电的检测。UHF法接收局部放电信号主要有两种方式:天线法和电容耦合法，检测频率可分别达到1200MHz和1500MHz。其优点是可以对现场局部放电检测的干扰进行有效的抑制，但由于电力变压器内部绝缘结构的复杂性，电磁波在传播过程中会发生多次折反射和衰减，同时变压器箱壁的屏蔽作用也给局部放电的传播带来不利的影响，这就大大地增加了变压器局部放电超高频检测法的难度。另外红外检测也被应用于电力变压器局部放电的检测。红外检测是基于局部放电点的温度升高，利用红外探测仪的热成像原理实现

57、热点测量。但由于变压器结构和传热过程的复杂性，要利用红外成像方法直接检测变压器本体内部的局部放电是十分困难的。目前变压器红外检测针对于变压器外部故障(包括导体连接不良、漏磁引起的箱体涡流、冷却装置故障和变压器套管故障等)是有效的。结 论油纸绝缘老化特性及机理研究对保障变压器乃至电网可靠运行有重要意义.本文在总结国内外油纸绝缘老化研究成果的基础上，分析了影响变压器油纸绝缘老化主要因素的作用机理以及老化过程中常见化学特征量的变化原理。通过对变压器油纸绝缘模型的加速热老化试验，研究了油纸绝缘老化过程中特征量随老化时间的变化关系以及特征量之间的相互关系，讨论了油纸绝缘的老化机理，并对老化特征产物的生成

58、速率进行了分析，结合局部放电具体的特性，说明其与绝缘老化之间的关系。致 谢首先，我要感谢指导老师唐小军，在本论文的写作过程当中，我深刻的体会到唐老师严谨的治学态度，学识渊博，态度和善。无论是在平时的理论学习，还是在论文的选题、开题报告的撰写等每一个环节，无不得到了唐老师的指导和细心的帮助。在写调研报告的过程当中出现了困惑的时候，唐老师到给予了我及时和仔细的回答。在此，特向唐小军老师表示最诚挚的感谢。同时，在论文的写作阶段，我还得到了郭建忠同学、曹渊同学、刘东利同学以及铜川技术学院班主任梁晓静等诸多老师的无私帮助，他们的热情是我在西安交通大学最为宝贵的回忆。最后，我要向所有关心我、帮助过我的亲人

59、、师长、同学致谢，是你们无私无悔的帮助和友爱，伴我度过了这些的读书生涯，无论以后的路是如何荆棘，我也依旧会看到你们给予我的光芒。感谢西安交通大学网络教育学院，感恩大家！参考文献 1 吴斌，如何评价国产500kV变压器.变压器, 1996, 33(12): 2.8 2 贺以燕.关于电力变压器承受短路能力问题的探讨，变压器，1996, 33(9): 2-7 3 Arshad M, Islam S.M, Khaliq A. Power transformer aging and Life extension. 2004 International Conference on, i2-I6 Sept. 2004 pp:498-501. 4 (英)马丁d·希思科特.变压器实用技术大全.机械工业出版社，2000 5 王彦桐用气相色谱分析判断变压器故障的实例,河北电力技术，2004,23(3):19-21 6 李明华，董明等.一种新的绝缘测试方法·回复电压法.高电压技术，2002,28(8): 43-45 7 Du Y, Zahn M, L,esieutre B.C, Mamishev A.V, Lindgren S.R. Moistur