电力变压器绝缘性能的影响因素分析及对策

电力变压器绝缘性能的影响因素分析及对策
【摘要】分析影响电力变压器绝缘性能的各项因素，确定主要影响因素及合理控制方法，提高其绝缘性能和运行的可靠性。

【关键词】变压器;绝缘性能
1.引言
电力变压器绝缘是电力变压器，特别是超高压电力变压器的重要组成部分。

它不但对变压器的单台极限容量和长期运行可靠性具有决定意义，而且对变压器的经济指标也具有重要影响。

电力变压器绝缘性能的优劣直接决定了变压器产品质量的高低，无论是变压器的制造厂家，还是变压器的运行单位，都非常关注电力变压器绝缘性能的影响因素，并采取预防和控制措施。

本文从变压器制造厂的角度，对影响电力变压器绝缘性能的因素进行分析并给出对策。

2.变压器的绝缘结构形式
目前，我国绝大部分电力变压器均采用油浸式结构，即在变压器内部以变压器油为主要冷却介质，以变压器油和各种变压器纸（板）为绝缘介质。

通常将变压器油箱以外的空气（包括沿面）绝缘称为外绝缘，它直接受外界条件（气压、湿度、脏污等）的影响;而将油箱内的绝缘（内绝缘）分为主绝缘及纵绝缘，主绝缘为每一绕组对接地部分及对其它绕组间的绝缘，纵绝缘为绕组的线匝间、层间、线段间的绝缘。

变压器内部绝缘的组合方式有纯油间隙绝缘、全固体绝缘、油-固体复合绝缘等形式，所用固体绝缘材料为各种形式的纸或纸板，此结构统称为油-隔板绝缘系统，变压器油和纸（板）的绝缘性能可以说是变压器的生命线。

3.变压器对绝缘性能的基本要求
3.1电气性能
制造完成的变压器需耐受国家标准（GB 1094.3-2013）规定了各种试验电压的考核，以检验其结构的绝缘性能。

只有顺利通过例行试验、型式试验和特殊试验项目的变压器，才能交付用户使用。

这是变压器安全可靠运行的必要条件，也是变压器具备上网运行的基本条件。

设计出合理优化的绝缘结构，提高绝缘结构的可靠性是制造厂追求的目标之一。

变压器油既是冷却介质，也是绝缘介质。

国家标准（GB 2536-2011）对变压器油的各项指标均有详细的描述。

在油-隔板绝缘结构中，绝缘性能在很大程度上取决于油的耐电强度。

特别纯净的油的耐电强度高达4000kV/cm以上，工程变压器油耐电强度为200kV/cm～250kV/cm，而在标准油杯中油的击穿电压一般为40kV/2.5mm以上，这样大的差异主要原因是由于变压器油中含有杂质而引起
的。

气体和水分如果溶解于油中，则对耐压影响不大;如呈悬浮状态，将易形成“小桥”等而使击穿电压Ub明显下降，如图1所示。

当油中含水仅十万分之几，就会使耐压值显著下降;但含水继续增多，则只是增加几条击穿的并联路径，击穿电压不再继续下降。

当有纤维存在时，水分的影响特别明显，如图2所示。

电场越均匀，杂质对击穿电压的影响越大，击穿电压的分散性也越大。

在不均匀电场中，杂质对击穿电压的影响较小，因在场强高处先发生的局部放电使油发生扰动，杂质不易形成“小桥”。

对于冲击击穿电压，杂质的影响也较小，因为在冲击电压的短时作用下，它还来不及形成“小桥”。

油间隙的耐电强度与温度的关系是复杂的，在0°C～60°C范围内，油受潮后的击穿电压，往往随温度升高而明显上升，如图3曲线2，其原因是油中悬浮状态的水，随温度上升转化为溶解状态的缘故。

在60°C～80°C范围内，受潮后的油的击穿电压可能出现最大值; 温度更高时，油中所含的水分汽化增多，又使击穿电压下降。

这是因为温度超过80°C时，油中水分气化增多，而温度低于60°C 时，油中处于悬浮状态的水分较多的缘故。

未受潮时，油的击穿电压受温度影响很小。

电压作用时间对变压器油的击穿电压也有影响。

由于加上电压后，油中的杂质聚集到电极间或介质的发热等都需要一定的时间，所以油间隙击穿电压会随加电压时间的增加而下降，如图4所示。

当油的净度及温度提高时，电压作用时间对击穿电压的影响减小。

经长时间工作后，油的击穿电压会缓慢下降，这常常是由于油劣化、变脏等因素造成的结果。

在油不太脏时，1min下的介电强度和较长时间的介电强度相差不大，因而耐压试验通常只加电压1min 。

电场均匀程度对变压器油的击穿电压的影响。

油的纯净程度较高时，改善电场的均匀程度能使工频或直流电压下的击穿电压明显提高。

但在品质较差的油中，因杂质的聚集和排列已使电场畸变，电场均匀的好处并不明显。

含杂质的油受冲击电压作用时，因为杂质来不及形成“小桥”，则改善电场均匀程度能提高其击穿电压。

所以，如在运行中能保持油的清洁，或绝缘结构主要承受冲击电压的作用，更应尽可能使电场均匀。

反之，绝缘结构如果长期承受工频电压的作用，或油在运行中容易变脏和劣化，则设计时油中绝缘距离基本上应按极不均匀电场来考虑。

压力对变压器油的击穿电压的影响。

油中含有气体时，其工频击穿电压随油的压力增大而升高。

因为压力增加时，气体在油中的溶解量增大，并且气泡的局部放电起始电压也提高。

但是油经过脱气之后，则压力对击穿电压的影响减小。

油浸式电力变压器中所用的绝缘纸均为植物纤维纸，它的电气性能是指在电场作用下发生的极化、电导、介质损耗和击穿特性。

绝缘纸中纤维素大分子含有羟基，具有一定的极性，在电压作用下会发生极化，通常用介电常数εr来表征其极化程度，绝缘纸的介电常数是指油浸纸复合体的εr值，它与绝缘纸的吸油率有关，它的εr=4.4，变压器油的εr=2.2。

绝缘材料电导过程中所流过的电导电
流非常小，一般以μA计，此电流称为泄漏电流，泄漏电流在直流电压下对应的电阻称为绝缘电阻。

绝缘电阻、泄漏电流等绝缘的特征参数是用来判断绝缘材料绝缘性能好坏的主要参数。

当绝缘纸中杂质和水分含量高时，其导电性能会增大，导致泄漏电流值增大（绝缘电阻值减小），因此需严格控制绝缘纸成品中的杂质和水分含量。

极化和电导过程均有能量损耗，此即为介质损耗，表示介质损耗特性的参数是介质损失角正切tgδ，它与电压、频率、材料尺寸无关。

对介质损耗影响最大的是电导损耗，而金属离子的存在会增加电导损耗，因此减少纸中金属离子的含量可以降低绝缘纸的介质损耗。

绝缘纸的工频击穿强度可达8.0kV/mm，但纸为宏观多孔结构，极易吸收水分，而且纸和水的亲和力较油和水的亲和力大，纸会从油中吸收水分;如果纸不能被油所完全浸透，则纸中会有空气或其它气体的空隙。

这无疑将降低纸的耐电强度。

空隙的击穿并不意味着绝缘的损坏，但这种局部放电会慢慢腐蚀绝缘，最终可导致绝缘损坏。

因此，变压器绝缘的浸渍处理方式及其工艺具有重要意义。

3.2 机械性能
变压器在正常运行的情况下绕组间的电磁力不大，但在发生短路的瞬间有可能到达正常时的上千倍。

绝缘结构需能承受变压器外部短路时绕组中的过电流引起的辐向力和轴向力的作用。

国家标准GB1094.5-2003详细描述了电力变压器应承受的能力。

一般而言，绕组的轴向固定比径向困难得多，为减小轴向力，要使高、低压绕组安匝数平衡，并避免高度不齐等情况。

为了防止短路时绕组变形引起绝缘破裂，特别是匝绝缘的破裂，在绕制线圈应加大绕紧力，充分利用应力均衡的作用使线饼的内外导线受力均匀。

变压器中使用的纤维类绝缘材料对它的抗张强度和延伸率等机械特性有明确的要求，目前变压器中主要使用的绝缘纸有电缆纸、电话纸、皱纹纸、金属皱纹纸、点胶绝缘纸、绝缘纸板、层压纸板、成型绝缘件等，如厚度为75μmm的电缆纸的纵、横向抗张强度分别为6.0kN/m和2.60kN/m，纵、横向延伸率分别大于2.2%和6.5%。

相关标准参见GB7969-2003、QB/T2692-2005、QB/T3521-1999。

依据绝缘纸使用的不同部位，其要求也有所不同。

3.3 热性能
变压器油、浸渍的纸及纸板都属A级绝缘材料，我国油浸式电力变压器是按下列条件设计的：基准环境温度为20°C;在额定负荷长时间作用下，绕组的平均温升为65K，绕组最热点的温升通常比平均温升高出约20%，则绕组最热点的温升为78K，这样一来，绕组最热点的温度为98°C。

一般认为A级绝缘每升高6°C，其寿命将缩短一半左右。

因此，要避免变压器内部金属结构件出现局部过热，同时，变压器在运行中要限制过负荷时间，以免加速绝缘老化，降低绝缘寿命。

变压器绝缘除了能通过温升试验外，还应有承受2秒或3秒因短路而产生的瞬时大热量的耐热能力。

3.4 其他性能
变压器油和纤维绝缘材料在受到水分、氧气、热量、机械力、电以及铜、铁、绝缘漆等触媒材料催化作用下，发生化学物理变化，导致机械和电气性能逐渐降低，这个过程称为绝缘老化。

变压器油老化的中间产物-活性的多元过氧化氢对固体绝缘有很大的破坏作用。

多元过氧化氢分解后，生成低分子酸，同时低分子酸与金属作用，生成加速油氧化和使油的介电性能恶化的皂化物。

油中水溶性酸（低分子酸）含量增加，固体绝缘机械强度损失的百分数也随之增加。

变压器油老化最终会不断地析出油泥和水分。

纤维素绝缘材料在老化时会产生CO、CO2、糠醛等。

老化的中间产物和最终形成物又会相互作用、相互影响，加速了老化进程。

因此需要消除或削弱引起老化的因素，提高绝缘性能。

变压器油的成分是环烷烃、烷烃和芳香烃，以及其它一些组分。

环烷烃具有较好的化学稳定性和介电稳定性，黏度随温度变化小。

芳香烃为含苯环的烃类，它的含量高，则油的吸气性强，反之则油的吸气性差。

芳香烃介电稳定性较好，在电场作用下不析出气体，而且能吸气，但它在电弧作用下生成碳粒较多，降低油的电气性能，它易燃，且随其含量增加，油的密度和粒度增大，凝固点升高。

环烷烃中的石蜡烃具有较好的化学性质和易使油凝固，在电场作用下易发生电离，析出气体，并形成树枝状的X-蜡，影响油的导热性。

在工程使用中常添加一定量的抗氧化剂来抑制油的氧化，添加1，2，3-苯并三唑（BTA）来抑制油流带电。

4.提高绝缘性能的措施
从上面的分析可知，电力变压器的绝缘结构及其所用绝缘材料构成了电力变压器绝缘两个主要方面，电力变压器绝缘性能的影响因素来自绝缘结构及其所用的绝缘材料的电气和机械强度、耐热性和化学稳定性等方面的因素，任何外在或内在的原因导致绝缘结构及其绝缘材料性能的改变均会影响变压器的绝缘性能。

对于变压器制造厂来说，可以从以下三方面对影响因素进行控制。

4.1 设计方面
设计是源头、是根本，可靠的绝缘性能来自合理的绝缘结构设计。

在进行变压器设计时，遵循如下原则：
a）无局部放电的绝缘设计原则，即使绝缘结构中的起始局部放电电压大于局部放电试验时该处承受的电压值，在经历高电压试验后，绝缘结构中不得出现不可恢复的局部放电，固体绝缘不得受到损伤。

计算场强按长期最高工作电压下无局部放电来选取，然后再核算各种过电压下的绝缘裕度，包括一分钟工频试验电压、雷电冲击全波与截波试验电压、操作波冲击试验电压下的绝缘裕度，使绝缘设计的可靠性提高。

在无局部放电的条件下，中部出线的超高压变压器的主绝缘结构中，长期最高工作电压时的许用场强一般要小于4kV/mm。

在端部出线的
主绝缘结构中，此值要小于2kV/mm。

b）按场强的概念来设计绝缘结构。

在变压器内不但在高电位上可能出现局部放电，在低电位甚至地电位上也可能出现局部放电，因此应尽量避免电场集中。

在所有绝缘结构中，包括带电的电极与接地的电极都应避免尖角。

避免用介电系数相差悬殊的绝缘材料，以免介电系数小的介质中电场集中，要消除介电系数较大的材料的尖角等。

电极表面增加绝缘层可使与之相邻的油中电场得到改善，以提高局部放电的起始电压，并保持在工作电压下不产生局部放电。

c）对端部绝缘结构应利用专门的电场计算软件进行电场分析计算，合理布置绕组端部的角环，优化绝缘结构。

d）充分利用变压器油的体积效应，沿电场方向尽可能采用小油隙，尽量布置与电场方向垂直的隔板，将油隙分割得小些，隔板的数量与厚度应适当选择，提高油隙的耐电强度。