变压器纸绝缘材料的性能与应用

摘要：变压器纸绝缘材料是变压器绝缘系统的重要组成部分，本文论述了纸绝缘材料的特点、纸绝缘材料纤维的性能、机械强度及纸纤维材料的劣化特性，提出重视变压器运行与维护管理的重要性和防止变压器纸绝缘故障的措施，必须从源头上加强对变压器绝缘系统的合理维护，控制变压器事故的发生，提高变压器的使用寿命和安全运行水平。
　　关键词：变压器，绝缘纸，性能，应用
　　变压器绝缘材料组成的绝缘系统是变压器正常工作和运行的基本条件，变压器的使用寿命是由绝缘材料的寿命所决定的，所谓变压器绝缘的老化，就是这些材料受环境因素的影响发生分解，降低或丧失了绝缘强度。据统计，因各种类型的绝缘故障形成的事故约占全部变压器事故的85%以上。实践证明，大多变压器的损坏都与绝缘系统的损坏有关。由于纸绝缘材料是变压器绝缘系统的重要组成部分，因此也是引发变压器事故的主要原因之一。
　　1．纸绝缘材料的特点
　　纸绝缘是油浸变压器的主要绝缘材料之一，包括：绝缘纸、绝缘板、绝缘垫、绝缘卷、绝缘绑扎带等，其主要成分是纤维素，化学表达式为(C6H10O6)n，式中n为聚合度。一般新纸的聚合度为1300左右，当下降至250左右，其机械强度已下降了一半以上，极度老化致使寿命终止的聚合度约为150～200。绝缘纸老化后，其聚合度和抗张强度将逐渐降低，并生成水、CO、CO2，其次还有糠醛(呋喃甲醛)。这些老化产物大都对电气设备有害，会使绝缘纸的击穿电压和体积电阻率降低、介损增大、抗拉强度下降，甚致腐蚀设备中的金属材料。温度升高时，使纤维素解环、断链并伴随气体产生的程度有所不同。在一定温度下，CO和CO2的产生速度恒定，即油中CO和C02气体含量随时间呈线性关系。在温度不断升高时，CO和CO2的产生速率往往呈指数规律增大。因此，油中CO和CO2的含量与绝缘纸热老化有着直接的关系，并可将含量变化作为密封变压器中纸层有无异常的判据之一。而且固体绝缘具有不可逆转的老化特性，其机械和电气强度的降低都不能恢复。由于电力变压器在运行中要承受时断时续的机械应力、张力、压力、扭力及大气过电压和内部过电压的冲击作用，对绝缘材料要求很高。因此，要根据纸绝缘材料的特点，加强对油浸变压器的运行控制和维护。
　　2．纸绝缘纤维材料的性能
　　绝缘纸纤维材料是油浸变压器中最主要的绝缘组件材料，纸纤维是植物的基本固体组织成分，组成物质分子的原子中有带正电的原子核和围绕原子核运行的带负电的电子，与金属导体不同的是绝缘材料中几乎没有自由电子，绝缘体中极小的电导电流主要来自离子电导。纤维素由碳、氢和氧组成，这样由于纤维素分子结构中存在氢氧根，便存在形成水的潜在可能，使纸纤维有含水的特性。此外，这些氢氧根可认为是被各种极性分子(如酸和水)包围着的中心，它们以氢键相结合，使得纤维易受破坏：同时纤维中往往含有一定比例(约7%左右)的杂质，这些杂质中包括一定量的水分，因纤维呈胶体性质，使这些水分尚不能完全除去。这样也就影响了纸纤维的性能。有认为纸被漆密封后，可减少纸对水分的吸收，阻止材料氧化，可取得较好的效果。但实践中当含有极性物质的醇酸树脂绝缘漆溶解在油中。在电场的作用下，极性物质会发生偶极松弛极化，在交流极化过程中要消耗能量，所以使油的介质损耗上升。虽然绝缘漆在出厂前经过固化处理，但仍可能存在处理不彻底的情况。主变压器运行一段时间后，处理不彻底的绝缘漆逐渐溶解在油中，使之绝缘性能逐渐下降。该类缺陷发生的时间与绝缘漆处理的彻底程度有关，通过一两次吸附处理可取得一定的效果。但也可能有些牌号漆会慢慢溶人油内，影响油的性能，对这类油漆的应用应充分予以注意。
　　3．纸绝缘材料的机械强度
　　油浸变压器选择纸绝缘材料最重要的因素除纸的纤维成分、密度、渗透性和均匀性以外，还包括机械强度的要求，通常用耐张强度、冲压强度、撕裂强度和坚韧性来表征。判断纸绝缘性能可设法取样测量纸或纸板的聚合度，或利用高效液相色谱分析技测量油中糠醛含量，以便于分析变压器内部存在故障时，是否涉及固体绝缘或是否存在引起线圈绝缘局部老化的低温过热，或判断固体绝缘的老化程度。对纸纤维绝缘材料在运行及维护中，应注意控制变压器额定负荷，要求运行环境空气流通、散热条件好，防止变压器温升超标。这是基于油浸变压器在额定负载下，绕组平均温升为65℃，最热点温升为78℃，若平均环境温度为20C，则最热点温度为98℃;在这个温度下，变压器可运行20—30年，若变压器超载运行，温度升高，促使寿命缩短。国际电工委员会(1EC)认为A级绝缘的变压器在80～140C温度范围内，温度每增加6℃，变压器绝缘有效寿命降低的速度就会增加一倍，这就是6℃法则，说明对热的限制已比过去认可的8℃法则更为严格。同时还要防止油质污染、劣化等造成纤维的加速老化，而损害变压器的绝缘性能、使用寿命和安全运行。
　　4．纸纤维材料的劣化
　　纸纤维的劣化主要包括三个方面：其一，纤维脆裂。当过度受热使水分从纤维材料中脱离，更会加速纤维材料脆化。由于纸材脆化剥落，在机械振动、电动应力、操作波等冲击力的影响下可能产生绝缘故障而形成电气事故。其二，纤维材料机械强度下降。纤维材料的机械强度随受热时间的延长而下降，当变压器发热造成绝缘材料水分再次排出时，虽然绝缘电阻的数值可能会变高，但其机械强度将会大大下降，绝缘纸材将不能抵御短路电流或冲击负荷等机械力的影响。其三，纤维材料本身的收缩。纤维材料在脆化后收缩，使夹紧力降低，可能造成收缩移动，使变压器绕组在电磁振动或冲击电压下移位摩擦而损伤绝缘。
　　5．纸绝缘材料设备的运行维护
　　综上所述，掌握电力变压器纸绝缘材料的性能及对变压器进行合理的运行维护，直接影响到变压器的安全运行、使用寿命和供电可靠性，而预防性和预知性维护是提高变压器使用寿命和提高安全运行水平的关键。电力变压器是电力系统中重要而关键的主设备，作为变压器的运行维护人员和管理者必须了解和掌握电力变压器的绝缘结构、材料性能、工艺质量、维护方法及科学的诊断技术，并进行优化的运行管理，加强对变压器绝缘系统的合理维护，才能保证电力变压器的使用效率、寿命和供电可靠性。