变压器油纸绝缘的含湿分析及其对运行安全的影响

第３９卷第５期　２００２年５月　囊　毪　Ｖｏｌ　３９　Ｎｏ　５　Ｍａｖ　２００２　

变压器油纸绝缘的含湿分析及其　对运行安全的影响　

刘玉仙　（保定天威集团保变电气股份有限公司，河北保定０７１　０５６）　

摘要：瓤连了油和纸（撮）在　气珲境下的吸瑚特性，给出了用干窭压器器身真空干燥水蒸气压一温度曲缦；　分析了窭压器油纸系统台水量趋向平衡的过程和状态．甚鲒出影响变压嚣运行安全的因素，提出了改进和防范措　施　美键词：变压器；油纸绝缘；含水量；平衡；运行；安全　中国分类号：ＴＭ４０５　文献标识码：Ａ　文章编号：１（３０１—８４２５（２００２）０５－０００１—０６　

１棚涟　变压器的绝缘系统主要是由油和纸（板）组台而　成的，所以人们把油、纸（板）组成的绝缘系统称为变　压器的生命线。变压器的各项技术经济指标无一不　与其绝缘系统的性能相关联。在变压器运行的全部　历史中，经验和统计资料均表明，变压器运行时的各　种故障和事故几乎都是由油纸绝缘系统的缺陷、失　效和破坏而造成的　绝缘放电击穿就是所谓的短路　损坏事故，也是首先以匝绝缘的破损而造成的。由于　任何形式、任何部位的产气性故障至少要损污变压　器油，导致绝缘系统介电强度的降低或劣化，因此往　往以其影响的程度和速率作为故障严重性的判据。　概括变压器故障的主要原因．不外乎有以下几　种。　（１）由设计缺陷和制造质量问题造成的；　（２）由包装、运输不当产生的；　（３）安装、运行操作失误、多次受到冲击、超过负　荷运行以及维护不善；　（４）地震、经常受到雷击和非预见性问题等。　一般认为，由制造、运输、安装引起的故障，往往　在变压器投运后几天到１年内出现，绝缘老化因素影　响变压器安全运行至少要到７、８年以后才开始起作　用，而引起故障的运行偶然因素引起的故障则会贯　穿于变压器寿命的始终。国内外关于事故率和寿命　统计的大量资料都符合“浴盆曲线”（如图１所示）。这　就是说，在变压器寿命期内，事故率最高也是最危险　的年份是投运初期。这是一个普遍的规律。　簪　鞲　时效／年　圈１变压嚣事故辜“谱盆曲线”　Ａ——早期损坏的事故Ｂ——恒定事故卓（偶然的）　Ｃ——由于老化损坏的事故　变压器油一纸绝缘系统吸潮会使介质损耗增　加，绝缘电阻降低，局放电压和击穿强度也随之下　降。由于水分是促使纤维素热降解老化的要素，所　以，变压器的运行寿命也因而会受到严重影响。为了　提高绝缘材料的电气强度，延长变压器的使用寿命，　降低事故率所造成的种种麻烦，电力运行部门在历　次制订的变压器防事故措施中都规定要防止水分及　空气进入变压器，以尽量控制绝缘中的含水量。变压　器制造厂家也都规定了极为严格的脱水和干燥工艺　标准，推荐新产品的绝缘纸（板）含水量上限为０．５％．　一般都控制在０．１％～０．３％范围内，变压器油含水量　则在１０～１５　Ｌ以下。　２变压器油和纸（板）的吸潮与绝缘特性　油和纸（板）是构成变压器绝缘系统的主要材料　下面对变压器油和纸的吸潮与绝缘特性加以简介。　２．１变压器油　纯净干燥的变压器油是极易吸潮的。水分在油　中的溶解度是温度的函数，如图２所示。油品的成分　

和炼制状况也是影响溶水性的因素。在半对数坐标　维普资讯 http://www.cqvip.com ２　誊珏篆　幕∞卷　

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稿胜，　图２温度对于水在新变压器油中溶解度的影响　（　浊点啦线”）　Ａ——靼炼制汕　Ｂ——正常炼制油　ｃ——精炼制油　纸上，图２曲线理论上表现为一族直线（图略）。就是　说，随着油温的升高，油中水的溶解度是按指数规律　增长的　图中曲线右边是溶解态水（透明态），而曲线　左边是游离态水（浑浊态）　油的温度降低，溶解度下　降，变压器油从“透明”的溶解水区域转变到浑浊的　游离水区域，所以曲线各点对应的温度实际就是该　油品状态下的浊点（雾点）。　在大气环境下，暴露的变压器油从空气中吸收　水分的能力与环境温度和相对湿度有关，空气的相　对湿度与油中水分的平衡关系如图３所示。其中相对　湿度１００％时的油中水分对应于图２。吸湿的速率和　达到平衡的时间还受接触大气的油表面积的影响。　变压器油自潮湿空气吸收水分如图４，曲线族的水平　部分是迭到平衡的结果，显而易见它比图３对应值略　

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２０　４０　６０　８０　ｌＯ０　空气的相对湿度／％　图３空气的相对湿度与油中水分的平衡关系　吲　＊　钿　｝　摧　

在２５　下暴露的天歙　图４变压器油自潮湿空气吸收水分　高。　图５是在室温２０℃时测得的变压器油击穿电压　与含水量的关系曲线。试验温度升高，曲线向右移　动，如图５中虚线所示。可见当变压器油含水量增加　到接近雾点时，其击穿电压迅速降低到低值。水分不　仅危害油本身的绝缘特性，而且还危及浸入油中的　绝缘纸板。　

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吉求萤／　Ｌ　Ｌ　图５油的击穿电压与含水量的关系　２．２绝缘纸和纸板　由于纤维素对水有很强的亲台力，故绝缘纸和　纸板的吸湿能力比变压器油太很多。图６为纸板吸潮　与周围空气相对湿度平衡后的含湿量关系曲线。该　组曲线是在几种文献资料和部分检测数据基础上绘　

水　把　ｕ　Ｌ　，ｄ　０　｝　／　，／／　／　，　｜　ｆ　＆｜　ｌ｜　

，　袖　０　空气相对湿度／％　图６纸板含水量与空气相对湿度的关系曲缝　珊瑚季ｉ　｜；　舳∞∞暑ｉ　０　

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瑚　维普资讯 http://www.cqvip.com 第５期　刘玉仙变压器油纸绝缘的含湿丹析及其对运行呈堇　墅　．．．—　制的，可用来评估存放和加工过程中纸或纸板的含　水量。如把变压器油的含湿曲线图３示意在这里，显　而易见该曲线是一族比图６低得多的直线。　比较图３和图６曲线族的变化还能发现，随着温　度的升高，纸板的含水量下降，曲线向右下方顺时针　移动；而油的溶水能力增强，曲线向左上方逆时针移　动，两者的温度响应趋势是相反的　３变压器绝缘的干燥状况分析　由于油和纸（板）吸潮对变压器的各项性能及寿　命有如此严重的影响．所以变压器在装配完浸油前，　都要对变压器油和装配好的器身分别进行严格的干　燥处理。根据变压器电压等级的不同，处理合格的变　压器油含水量一般在ｌ０～ｌ５　『Ｊ／Ｌ以下。绝缘纸（板）　中的吉水量一般在ｏ．２％－０．５％以下。评估和计算绝　缘物干燥过程中的含水量，通常使用改进了的皮珀　曲线一绝缘纸的水蒸气压与温度关系曲线如图７所　示　图７中温度坐标值可直接从温度计获得，纵坐标　为水蒸气分压，可用真空泄漏法测得或由皮拉尼真　空计和麦氏真空计的差值获得　当干燥系统处于稳　定平衡状态后．即可从曲线族中查得绝缘纸（板）中　含水量　

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绝苗　：纸ｑ　：　ｒ　『　含示量　Ｉ　、　＼Ｌ　

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温『盐／　国７绝缘纸水蒸气一温度关系曲线　器身干燥合格后．应立即吊人油箱中密封并注　＾合格的变压器油。这样，油、纸及其所含水分就进　入了一个新的封闭的油一纸绝缘系统。以一台　ｌ８ＯＭｖＡ／２２ＯｋＶ三绕组有载调压变压器为例来描述　一下这个系统形成初期的基本状况。纸和纸板等固　体绝缘约为７　Ｏ００ｋｇ，含水率按Ｏ．２％计算．总含水量　为１４ｋｇ，变压器油为４ＯＯ００ｋｇ．含水量为ｌＯ　Ｌ／Ｌ，计　算总含水量为０．４ｋｇ。不难看出，即使一台十分干燥　的变压器．其水分的绝大部分（约９７％）存在于绝缘　纸和纸板中。　４油一纸绝缘系统含水量平衡分析　早期制造的变压器一般油和大气都有直接接　触．称为敞开式结构。为避免或减少绝缘系统的吸潮　和氧化，近年来都把变压器做成密闭式结构。目前几　乎所有大型变压器都在储油柜里装置了带胶囊或隔　膜的呼吸装置．避免大气中的氧气和水分与油一纸　绝缘直接接触，这对变压器绝缘含水量的长期稳定　以及延缓油纸绝缘的老化进程是很有好处的。　由于纤维素对水比对油有更太的亲合力，因此　封闭在变压器内部的水分并不会在油和纸中平均分　配。研究结果证明，当水分在油和纸中达到最终平衡　时，水分在纤维纸中的含量将成百倍地太于在油中　的含量。这时系统内纸中水蒸气分压等于油中的水　蒸气分压，郎遵循所谓相对湿度相等的理论原则。根　据这一原则和相关实验数据（图６和图７）人们绘制了　油一纸绝缘系统含水量平衡关系曲线如图８。这族曲　线已经为很多人的验测所证实。它在３Ｏ　以上时很　准确．温度低时差一些，这是由于低温很难达到平衡　点所致。应用上述曲线族可得．当变压器油温６Ｏ　时，平衡后油中含水２Ｏ　Ｌ／Ｌ．纸中含水量应为２％，　１　，，ｎ　此时纸油含湿量比率为　／　蒜　１０００。温度　越低，这个比率就越大。　溶解度极限／ｔｔＬ　Ｌ　２０　３０　５０　８０　１２０　鹏　／　争　／　Ｃ　／　／　，一一　：　／　／　／　——　Ｖ，、　／　一一／　—，　１　一一　帆　—一　１Ｏ　一　

油中吉水量／‘ＬＬ　Ｌ－。　图８油一纸系统含水量平衡关系曲线　对一台装试合格的新变压器而言，常温２Ｏ　下　台格油中含水量为ｌＯ　Ｌ／Ｌ，经过器身干燥的纸中含　水量只有０．２％，远远低于平衡曲线上的４．５％。根据　油纸含水量平衡趋势．变压器从制成到投运初期油　中水分将有一个向纸中转移的过程。这个过程所需　

时间的长短以及油中水分可能达到的最小极值取决　维普资讯 http://www.cqvip.com ｄ　叠珏畏　第３９卷　于变压器的密封状况（吸潮）及运行的稳定温度。这　是因为：①绝对密封的变压器是很难实现的，总有或　多或少的潮气侵人变压器；②变压器从运行开始，油　和纸绝缘物中就分解产生水分，只是运行各时间段　分解老化的速度不同而已。　在这个时期，变压器内新的水分（外来的或内部　分解产生的）经过平衡过程都将进入纸绝缘中，而变　压器油中含水量在爬经极小值后仍将维持在近原始　的低值水平并不发生明显变化。再用文中之例说明，　若该变压器投运几年，运行温度为７Ｏ℃，当纸中含水　量从０．２％增加到１％时，油中含水量仍不会超过　ｌＯ　Ｌ／Ｌ－可这里７　Ｏ００ｋｇ绝缘物吸收的水分已增加了　７　Ｏ００ｘ１％一１４＝５６ｋｇ。可见，此时油微水分析测到的　】０　Ｌ／Ｌ与原始态的ｌＯ￣Ｌ／Ｌ数据相同，而变压器绝　缘的干燥度已与原先完垒不同了。　还应特别指出，油一纸绝缘系统含水量平衡是　一个动态过程。不难看出，当温度升高时，系统中的　水分从纸中转移到油中，而当温度降低时，水分又从　油中转移到纸中，而且这种转移也不同于干燥的纸　和油单独从大气中吸潮。后者是个开放的体系，一般　需几小时或几天就能完成，而前者则是油纸浸泡的　封闭系统，达到含水平衡点往往需要几个月的时间。　当温度较低时，实现这种平衡就更为困难。　５油、纸绝缘的含水状况及对变压器运行安　全的影响　５．１　含水量的影响　含水量的增加导致介电强度的下降。在前面的　叙述已经知道，无论新老变压器，其中的水分绝大部　分（９７％～９９％）存在于纸和纸板等固体纤维绝缘中。　人们普遍认为，只要其含水量不超过２％，介电强度　就有足够的裕度。文献［１：认为，即使含水量达到　４　５％时、纸质绝缘的工频击穿电压约下降１０％，一般　也不可能发生变压器的电击穿，安全而又科学地确　定一个水分含量临界值显然是十分困难的。要正确　评价变压器绝缘受潮的状况，还应研究其他各项预　防性试验的结果。　变压器中油的含水量总体受限于固体绝缘的含　湿水平，且是温度变量的显著函数。一般而论，油中　含水量增加，都将伴随介电性能的劣化。但是直到含　水量达到６ｏ％饱和度以前，其电气性能降低并不明　显。当含水量接近饱和值（雾点附近）时，变压器油的　介电强度将急剧降到最低值（图５）。　变压器在制造过程中，需要对器身和油分别进　行干燥处理，以确保变压器内部绝缘干燥度符合标　准要求。这个过程一经完成，油和纸在变压器内就形　成了一个封闭的绝缘系统。此后单说油本身的含水　值就不那么重要了。这是因为它已和一个“取之不　尽”（对油而言）的“庞大水库”紧密连通，此时油成了　各种水分来源的“二传手”。这个所谓　‘庞大水库”就　是纸纤维绝缘中蓄含的水分，而且它对变压器绝缘　的损害远远大于油中的水分。所以，有一个概念应是　十分明确的，对于投人运行的变压器而言，所有标准　或运行规程规定的油微水检测和含水限值，其基本　着眼点是为了评价变压器内纸类绝缘的吸潮状况并　使其不超过危险值。　之所以采用油中微水分析结果判定纸绝缘含水　量这一问接方式是不得已的，因为我们不能扶运行　的变压器中如愿取得纸绝缘测试样件。　正确使用油一纸系统含水平衡关系曲线８的前　题是该系统经过一定时间的稳定运行达到了这种平　衡。提取油样时一定要记录此刻油的温度并力争在　这个温度下即时进行微水测定。否则将可能导致较　大的推断误差。　５．２不均匀分布的影响　水分总是向最危险的高电场区聚集。水是一种　强极性液体，比油、纸的介电常数（水的介电常数为　８１）高得多，所以。变压器中含有的水分，更容易被强　电场所吸引。即使在油一纸系统含水量达到平衡的　状况下，水分在油和纸中的分布也是不均匀的。恰恰　在变压器最危险的高电场区会聚集较多的水分，对　运行安全极为不利。当油中水分处于悬浮态（乳化　液）时，电场引起的水分聚集将更为严重。　水分的分布还受温度分布的影响。根据油一纸　系统水分平衡理论，变压器高温区的油中含有较多　的水分，进入低温区。随着油温下降，水分则向绝缘　纸上转移，或在箱壁、散热器边沿等温的部件上凝　结。其结果是处于稳定低温区的纸类绝缘中必将有　更高的含水量，我们暂且称之为“湿地现象”，如果这　里再有一个强电场，情况会更为糟糕。　５　３水分平衡紊乱的影响　即使含水量不超限．平衡被破坏，也可能引发运　行故障。为了说明这个问题，需再次明确两个概念：　（１）变压器油一纸绝缘的含水平衡是水分随温　度变化而定向迁移的缓变过程，温度的升降到稳定　需要一定时间，而作为应变最终结果的水平衡状态　的实现则需要很长很长的时间。　（２）由于液态油和固体纸的形态区别，当纸中水　分转移给油时（升温），油中水分因受到热动力或强