第1章 变压器油浸纸绝缘状态检测方法综述
变压器在运行过程中长期承受热、电、化学和机械应力，造成油纸绝缘的老化。老化使得油浸纸聚合度（degree of polymerization，DP）下降，进而导致其机械性能下降。同时，油浸纸老化会产生水分、酸、呋喃化合物、碳氧化合物等老化副产物，这些副产物会加速油纸绝缘老化，降低绝缘性能。作为亲水性电介质 ，油浸纸聚集了变压器中大部分的水分，随着变压器运行年限的增加，其含水量也会随之增加。为了保障电网安全稳定和经济运行，对油浸式变压器绝缘状态进行评估至关重要。
油纸绝缘老化状态评估方法多建立在绝缘材料劣化后的理化参数与其绝缘状态之间的关系上，如油浸纸聚合度、油中糠醛含量、油中溶解气体分析（dissolved gasometric analysis ，DGA）等。但聚合度的测量过程涉及直接采样，具有破坏性；油中溶解物经滤油、换油后浓度降低，影响评估结果。随着测量技术的发展，基于介电响应的无损测量方式被广泛地应用于变压器油纸绝缘的受潮评估，但由于老化对测量结果的影响与水分相似，若老化和受潮状态同时存在，则评估结果的可靠性会受到干扰。同时变压器中的油浸纸处于不均匀电场和不断变化的温度环境中，其老化和受潮状态具有明显的空间分布特征[1-2]，油浸纸整体绝缘状态评估可能会掩盖其局部老化状态。
1.1 变压器油浸纸老化和受潮的原因及危害
油纸绝缘系统中，变压器油具有流动性，绝缘状态分布较均匀，且取样方便，老化状态易被检测。当变压器油老化严重，可以通过滤油、换油的方式改善其绝缘性能。但是作为固体绝缘的油浸纸或纸板，一旦发生老化后，其性能的下降不可逆且难以替换，故油浸纸的老化程度直接决定了变压器的寿命。
1.1.1 油浸纸老化的原因
变压器油浸纸老化是由多种因素综合作用造成的，这些因素主要包括热、电、机械和水解、酸解等。
1. 热老化
热老化是变压器油浸纸老化的主要因素。在高温的作用下，以纤维素为主的油浸纸会发生热降解，使纤维素的主链断裂，生成H2O、CO、CO2等老化副产物[3]，导致其聚合度、机械性能下降。油浸纸热老化的速率取决于化学反应速率，会随着其温度的上升迅速增加，热老化速率与温度的关系符合阿伦尼乌斯（Arrhenius）方程[4]：
（1.1）
式中：k为化学反应速率；T为化学反应时 的温度，K； Aa为化学反应因子；Ea为油浸纸的活化能，eV； kB为玻尔兹曼常量。
我国油浸式变压器在额定负载下的绕组平均温升为65 K，热点*高温升为78 K，当环境温度为20℃时，变压器可以运行20～30年[5]。当温度继续上升时，变压器的寿命就会缩短。国家标准《电力变压器 第7部分 ：油浸式电力变压器负载导则》（GB/T 1094.7—2008）[6]明确指出绝缘为A级的变压器，以98℃为基准值，当温度为98℃时，变压器的老化速率为1，当温度为80～140℃时，每增加6℃，油浸纸的老化速度会增长一倍，反之则减小50%，称为“6℃法则”。当*高温度超过140℃时，变压器的正常运行会受到影响。变压器绝缘寿命和运行温度间存在蒙托辛格氏（Montsiger）法则[7]，如式（1.2）所示：
（1.2）
式中：L为实际运行温度下的绝缘寿命，年；L0为基准温度下的绝缘寿命，年；θ为实际运行温度，℃；θ0为基准温度，℃；α为热老化系数，取值为0.1155。
2. 电老化
电老化指油浸纸在强电场作用下逐渐老化。研究表明，油浸纸在电场作用下的平均寿命L与电场强度E成反比 关系[8-10]，如式（1.3）所示：
（1.3）
式中：K和n为与材料、电压及温度相关的经验常数。
油浸纸在制造与运行过程中，难免存在少许微观尺度气隙缺陷，当电场强度达到气隙的起始放电场强度时，会发生局部放电，对绝缘造成破坏。研究认为，不断累积的局部放电是造成电老化的主要原因[11-13]。
3. 机械老化
运行中的变压器在电磁力的作用下，绕组会发生机械振动。短路故障或暂态过载引起的短路电动力会使绕组变形。在机械应力的作用下，绝缘材料中的局部缺陷可能会逐步发展扩大，局部放电加剧。振动还会使老化的油浸纸局部脱落，降低油隙绝缘强度，堵塞油道，引发过热。在高温的作用下，机械老化会加速。固体绝缘材料的平均寿命L与温度T和机械应力δ之间的关系为[12] ：
（1.4）
式中：L0、W、 为与材料有关的参数；kB为玻尔兹曼常量。
4. 水解、酸解老化
统计表明，变压器投运之初，油浸纸含水量为0.4%～1%，投运后变压器由于多种因素的影响，油浸纸的含水量为2%～5%。由于纤维素的亲水性，水分极易被绝缘纸吸收，研究表明变压器中99%的水分存在于油浸纸中[14-15]。绝缘纸含水量越大，纤维素的降解速度就越快，水分的存在会加速油纸绝缘的老化[16]。文献[17]指出绝缘纸的含水量每上升0.5%，老化的速率增长一倍；文献[18]的研究表明含水量为1%绝缘纸的老化速率是含水量为0.1%的10倍；文献[19]的研究显示含水量为4%的绝缘纸会使变压器的使用寿命缩短40倍。
酸是油浸纸老化的产物，也是促进纤维素发生水解的催化剂[19-20]，易被绝缘纸吸收[21]，使绝缘电阻呈现指数下降趋势[22]。
氧气对油浸纸老化的加速作用比水分小[23]，在氧气存在的条件下，油浸纸的老化速度是在无氧条件下的2.5～3倍[17 ， 24]。
1.1.2 油浸纸受潮的原因
一台绝缘状况良好的变压器，其绝缘纸含水量应保持在低水平，研究表明新制造好的变压器绝缘纸含水量为0.4%～1%，投运后变压器由于多种因素的影响，绝缘纸的含水量在2%～5%内浮动[14]。变压器的绝缘纸水分来源主要有三个。
（1）变压器在制造过程中，经过真空干燥、真空注油和热油循环等除水工序，油纸绝缘中大部分水分被除去，但仍然会残留少量水分，一般为0.2%～0.5%[25]。
（2）大气是变压器水分的主要来源。从大气进入变压器的水分主要分为三种形式：一是安装或者维修时，绝缘整体直接暴露在大气中吸湿；二是大气和变压器油或气隙的水蒸气压力不同，导致水分进入；三是由于密封不严，当大气压高于箱体内的气压时，潮湿的空气会被吸入变压器内。
（3）油浸纸的老化导致纤维素分子链断裂，也会产生水分[26]。
变压器油中的水分会以溶解态、悬浮态、沉积或附着在箱体上这三种形式存在。油浸纸中水分的存在形式主要有通过细胞壁渗透作用吸附的水分、通过毛细作用或纸表面孔隙吸附的水分、形成化学键的水分[27]。
1.1.3 老化和受潮对油浸纸的危害
A级硫酸盐木浆纸是常用的变压器纸绝缘材料，它是由90%的纤维素、6%～7%的半纤维素、3%～4%的木质素等化学成分构成的[4]。纤维素是一种高分子聚合物，是广泛存在的一种天然有机物，占植物界碳质量分数的50%以上，其中棉花的纤维素质量分数*高，几乎接近100%。纤维素的化学分子式为(质量分数C6H10O5)n，其分子结构如图1.1所示。纤维素分子中包含的β-D-吡喃葡萄糖基（ C6H10O5）个数n即是该分子的聚合度。聚合度是衡量聚合物分子大小的指标，是纸绝缘老化程度*准确、可靠、有效的判据，新绝缘纸的聚合度一般为1300左右。
图1.1 纤维素分子结构
油浸纸老化除了产生水分、酸、呋喃化合物、碳氧化合物等老化副产物，还会破坏绝缘纸的微观结构，使纤维素之间的分子链断裂，油浸纸的聚合度下降，导致原本紧密排列的纤维结构变得疏松，甚至脱落。研究表明，老化和油浸纸的绝缘强度之间没有直接关系[28-33]，人们关注老化，是因为其对绝缘机械性能的影响：纸绝缘老化后，纤维素分子链的断裂使其拉伸强度（tensile strength，TS）下降[34-35]，TS指材料在拉伸时单位截面积能够承受的不至于断裂的*大应力，研究表明当油浸纸聚合度接近200左右时，其TS只有新纸的20%[19]。因此，老化后的油浸纸可能无法抵御由于暂态过电压、短路造成的较大机械应力，导致局部脱落甚至绕组变形。
除了温度，水分被认为是变压器绝缘的“头号敌人”。变压器大部分的水分存在于油浸纸中，水分的增加会降低油浸纸的绝缘强度。当油浸纸的含水量不超过2%时，水分对绝缘强度及沿面起始放电电压的影响有限[32 ， 36-37]。当油浸纸含水量高于2%时，随着油浸纸含水量的增加，起始放电电压大幅降低[25， 38]。文献[39]通过实验表明，当水分浓度为4%～6%时，油浸纸的局部放电起始电压和击穿电压仅为干燥油浸纸的10%。此外，当温度升高时，潮湿的油浸纸表面会出现气泡，这些附着在油浸纸表面或分散于油中的气泡会降低绝缘强度，可能导致局部放电甚至击穿[40-41]。油浸纸含水量的增加还会大幅度地降低气泡产生的起始温度[42-43]。同时，酸性条件下的水解是油浸纸主要的老化形式[44-45]，而油浸纸的水解也需要水分子的参与[46-47]，因此，水分也是老化的催化剂，会加快绝缘油纸的老化速率。
1.2 变压器油浸纸老化和受潮状态评估研究现状
自油浸式变压器诞生以来，为了确保变压器安全运行，科学家和工程师从未停止过对变压器油浸纸老化和受潮状态评估方法的研究与探索。研究者从老化副产物、老化和受潮后的材料性能及电气性能变化入手，提出了不同的状态评估方法。从评估手段来看，主要可以分为直接评估法和间接评估法。直接评估法通过取样测量相关特征参数来判断变压器绝缘状态。间接评估法通过测量与老化和受潮特征量相关的间接参数来实现评估。直接评估法评估结果可靠，但需要对变压器进行吊心/吊罩，取样过程可能对绝缘造成二次破坏或污染，因此，间接评估法成为目前的研究热点。变压器油浸纸老化和受潮状态评估方法如图1.2所示。
1.2.1 变压器油浸纸老化状态评估研究现状
1. 油浸纸聚合度检测法
聚合度是油浸纸中构成纤维素的葡萄糖单体数目，与机械性能有关，老化会导致
图1.2 变压器油浸纸老化和受潮状态评估方法
油浸纸聚合度下降，因此，聚合度是判断油浸纸老化状态*可靠的指标，很多评估方法及剩余寿命模型都是基于聚合度建立起来的[48-52]。未老化的油浸纸聚合度约为1000，一般认为，当油浸纸的聚合度下降至500 ，其整体绝缘寿命已到达中期，当油浸纸的聚合度下降至250左右时，绝缘寿命已接近晚期。我国 电力行业标准《油浸式变压器绝缘老化判断导则》（DL/T 984—2018）中明确指出：当油浸纸的聚合度降低至250时，应引起注意；当油浸纸的聚合度降低至150时，油浸纸已完全丧失机械强度，此时变压器应退出运行[53]。
20世纪80年代Oommen和Arnold[54]提出了变压器油浸纸平均聚合度的黏度法测量方法，具体过程是将纸样撕碎并溶于铜乙二胺溶液，然后通过乌氏黏度计测量溶液的黏度，继而计算得到聚合度[55]。该方法所需样品量少，但实施时需要对变压器进行吊心/吊罩，操作十分复杂，经济成本高。为了能够无损地测量聚合度，英国学者Ali等[56]研究了油纸绝缘老化产物的光谱特性，Baird等[57]建立了油浸纸聚合度与其光谱特征之间的关系。重庆大学廖瑞金等[58]基于红外光谱特性研究了油纸绝缘热老化过程。西安交通大学李元等[59]将近红外光谱应用于聚合度定量评估。华中科技大学蔡德华[60]和付强[49]分别利用了漫反射光谱法和油中游离纤维颗粒光学特性测量了油浸纸试品的聚合度。
虽然聚合度可以直接表征纸绝缘的寿命，但需要进行吊心/吊罩、取样过程破坏绝缘、经济性差等问题限制了它的应用。此外，变压器老化
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