水分在油浸式电力变压器内的生活轨迹

水分在油浸式电力变压器内的生活轨迹

  油浸式电力变压器常用的油纸绝缘，由变压器油和绝缘纸（固体绝缘材料）构成。

变压器用绝缘纸和绝缘纸板一般含有约90％的纤维素，6－7％的半纤维素和大约3－4％的木质素。纤维素是由葡萄糖基组成的聚合度很高的链状高聚合碳氢化合物，结构方程式如下图所示，分子式为(C6H10O5)n，C6H10O5就是葡萄糖分子。

油纸绝缘电力变压器里面的水分是一个非常重要的存在。纤维素在老化的过程中水分是产物之一，而同时水分又是纤维素氧化反应的催化剂，参与各种纤维素的老化反应。这将是一个正反馈模式，因此水分对纤维素老化的影响不可忽视。同时，由于水分的存在，绝缘纸含水量的增加会使其电气强度迅速下降，介质损耗因数（tanδ）增大，局部放电和围屏放电的起始电压将降低，使围屏放电更易于发展，从而加速绝缘纸的电老化过程。

下图是不同含水量的纤维素老化速度的一组试验数据，显示试验环境温度确定的情况下，纤维素的老化速率与含水量基本上成正比关系。

电力变压器内部水分的来源主要有，生产过程中因工艺控制的问题造成变压器油和绝缘纸中含有的水分，运输、安装、运行过程中变压器油和绝缘纸中吸收的水分，变压器运行中变压器油和绝缘纸老化产生的水分等等。我们通过各个环节的管理措施，可以把水分含量控制在一个很低的水平。下表数据为某电网运行中的变压器油中水分含量占比分析，由数据可见运行中变压器内部水分正常时含量很低。

油纸绝缘的电力变压器中，水分的分布涉及到很多方面的问题。

第一，由于水分子为极性分子，因此很难溶解在变压器油中。但是这又不是绝对的，随着变压器的老化，作为分解产物的有机酸会增大水在变压器油中的溶解度。而温度的影响也非常明显，下图为不同温度下水分在变压器油中的溶解度曲线。从图中可以看出，随着温度的增高，水分在变压器油中的溶解度成指数形式迅速增大。

第二，由于纤维素为多孔结构，且为极性分子。因此，油纸绝缘结构中绝缘纸比变压器油的吸水性要强很多。从而，运行中的变压器中，水分将主要存在于固体绝缘材料中。

第三，水分在变压器油和固体绝缘材料中的分布不是一成不变的，而是处在动态平衡的过程当中。水分含量、压力、温度在不同的情况下作为主要因素影响着水分的运动过程和分布情况。比如对变压器油进行过滤处理后，绝缘纸中和变压器油中水分含量的不平衡性驱使水分由固体绝缘中向变压器油中运动；在真空脱水的过程中，压力成为水分脱离固体绝缘的动力；而在变压器的运行过程中，温度的变化则是水分在变压器油和固体绝缘中运动的主要决定因素。下面的几个图片是比较经典水分在油纸绝缘间分布的平衡曲线，能够描述在某一恒定温度下水分在油纸间的稳定分布情况。

分析这些曲线，我们可以得到一个简单的结论。

随着温度增加，水分从固体绝缘中脱离，进入变压器油中，绝缘纸中水分减少；随着温度降低，变压器油中水分的溶解度降低，水分从变压器油中向绝缘纸中移动，绝缘纸含水率增加。温度越高，水分动态分布的过程越短，达到稳态平衡的速度越快。

根据这个结论，变压器运行中有两个问题就可以得到理解。

一是当变压器油中水分超标的时候，运维人员一般会采用滤油的方法降低水分含量。但经常会遇到过滤完的变压器油数据合格，但运行一段时间后水分含量又超标的情况。这就是因为水分正常时主要集中在绝缘纸中，变压器油中的水分虽然滤除了，但运行后绝缘纸中的水分又会进入到变压器油里面。所以说，这种滤油操作一般需要多次和比较长的时间，特别是温度高些，效果会更好。

二是恍惚记得有变压器运行规范讲变压器跳闸后要尽快停用冷却设备。我觉得主要的原因是防止变压器的油温降低过快，水分在变压器油中溶解度迅速降低，可能会出现水分析出呈液态水的情况，会造成变压器绝缘的降低。