引言

变压器作为电力系统中至关重要的设备，其运行的可靠性和安全性直接关系到整个电网的稳定。在变压器的制造、运输、安装和运行过程中，真空处理是一个关键环节。真空耐受能力，通常指变压器在真空状态下（如真空干燥、真空注油或真空密封试验）保持其绝缘性能和机械结构完整性的能力。然而，在实际应用中，变压器真空耐受能力下降的现象时有发生，这可能导致绝缘老化加速、局部放电增加，甚至引发故障。本文将深入分析导致变压器真空耐受能力下降的主要原因，并探讨相应的应对策略，以期为变压器的设计、制造、维护和故障诊断提供参考。

一、变压器真空耐受能力下降的主要原因

变压器真空耐受能力下降是一个多因素综合作用的结果，涉及材料、工艺、环境和运行等多个方面。以下从几个关键维度进行详细分析。

1.1 绝缘材料老化与劣化

绝缘材料是变压器真空耐受能力的核心。变压器内部的绝缘材料主要包括绝缘纸（板）、绝缘漆、绝缘油等。这些材料在长期运行或不当处理下会发生老化和劣化，从而降低其真空耐受能力。

  • 绝缘纸老化：绝缘纸的主要成分是纤维素，在高温、高湿和氧气的作用下，纤维素分子链会发生水解和氧化，导致机械强度和电气强度下降。例如，在真空干燥过程中，如果温度控制不当（如超过120°C），会加速纤维素的热降解，使绝缘纸变脆、易碎。在真空状态下，老化的绝缘纸更容易产生微裂纹，这些裂纹在后续注油或运行时可能成为局部放电的起始点。
  • 绝缘油劣化：变压器油在真空状态下如果含有水分或气体，其击穿电压会显著降低。水分在真空下会蒸发，但若油中水分含量过高（如超过50ppm），在真空注油过程中，水分可能无法完全脱除，残留在绝缘纸中，导致绝缘性能下降。此外，油中的氧化产物（如酸、醛）会腐蚀绝缘纸，进一步削弱其机械强度。
  • 绝缘漆脱落：绕组表面的绝缘漆在真空干燥过程中，如果漆膜与绕组基材的附着力不足，或在真空抽吸力作用下，漆膜可能起泡、脱落。脱落的漆膜碎片会悬浮在油中，影响油的纯净度，并可能堵塞油道，导致局部过热。

举例说明：某110kV变压器在真空干燥过程中，由于烘箱温度均匀性差，局部温度达到130°C，导致该区域绝缘纸的聚合度（DP值）从初始的1000以上下降至800以下。在后续真空注油后，该区域在运行中发生局部放电，最终导致绝缘击穿。

1.2 制造工艺缺陷

制造过程中的工艺控制不当是导致真空耐受能力下降的常见原因。

  • 真空干燥不彻底：真空干燥的目的是去除绝缘材料中的水分和气体。如果真空度不足（如低于10Pa）、干燥时间不够或温度控制不当，会导致绝缘材料中残留水分。残留水分在真空状态下可能以气泡形式存在，这些气泡在电场作用下容易发生局部放电，加速绝缘老化。
  • 真空注油工艺问题：真空注油是确保变压器内部无气泡的关键步骤。如果注油速度过快、油温过低或真空度不稳定，油中可能混入气泡。气泡在真空状态下会膨胀，导致绝缘纸受力不均，产生微裂纹。此外，注油过程中如果油路设计不合理，可能形成死角，残留空气。
  • 密封结构缺陷：变压器的密封结构（如法兰、密封圈）在真空状态下承受负压。如果密封圈材质选择不当（如耐油性差）、安装不规范或老化，会导致真空泄漏。泄漏不仅影响真空度，还可能引入水分和空气，污染内部绝缘。

举例说明：某变压器在制造过程中，由于真空注油时油温仅为40°C（低于推荐的50-60°C），油的粘度较高，导致注油速度慢，且油中溶解的气体未能充分析出。在后续真空密封试验中，发现局部真空度下降，解体检查发现绕组表面有气泡附着，绝缘纸出现轻微分层。

1.3 运行环境与负载因素

变压器在运行过程中，环境条件和负载特性会对其真空耐受能力产生持续影响。

  • 环境湿度与污染：高湿度环境会加速绝缘材料的吸湿。即使变压器密封良好，长期在高湿度环境中运行，密封材料也可能老化，导致微量水分渗入。此外，环境中的污染物（如灰尘、盐雾）可能附着在变压器表面，影响散热，导致局部温度升高，加速绝缘老化。
  • 过载与热点温度：变压器长期过载运行会导致绕组和铁芯温度升高，热点温度可能超过绝缘材料的耐受极限。例如，绝缘纸的长期工作温度通常不超过105°C，如果热点温度持续高于此值，绝缘纸的热老化速度会成倍增加。在真空状态下，老化的绝缘纸更容易发生机械变形。
  • 短路冲击：变压器在遭受短路电流冲击时，绕组会承受巨大的电动力，可能导致绝缘结构松动或产生微裂纹。这些损伤在真空状态下可能被放大，影响其耐受能力。

举例说明：某配电变压器在夏季高温季节长期过载运行，负载率持续超过120%，导致绕组热点温度达到120°C。在随后的预防性试验中，发现其真空耐受能力下降，绝缘电阻值较出厂时下降了30%。解体检查发现绝缘纸明显变脆，聚合度降至600以下。

1.4 设计与选材问题

设计阶段的不合理或选材不当也会导致真空耐受能力不足。

  • 绝缘结构设计不合理：如果变压器的绝缘结构设计过于紧凑，绝缘距离不足，在真空状态下，电场分布可能不均匀，导致局部电场强度过高，容易引发局部放电。例如，在绕组端部，如果绝缘距离设计过小，真空状态下电场集中，可能击穿绝缘。
  • 材料选型不当：不同等级的变压器对绝缘材料的要求不同。如果选用了低等级的绝缘纸或绝缘油，其真空耐受能力可能无法满足实际需求。例如，对于高压变压器，应选用高纯度、高聚合度的绝缘纸，如果选用普通绝缘纸，在真空干燥过程中容易断裂。
  • 机械结构设计缺陷：变压器的机械结构（如绕组压紧装置）在真空状态下可能因负压而变形，导致绝缘受力不均。例如，如果压紧力设计不足，在真空状态下绕组可能松动，绝缘纸之间产生间隙，影响绝缘性能。

举例说明：某220kV变压器在设计时，为了降低成本，选用了较低等级的绝缘纸。在真空干燥过程中，由于绝缘纸的机械强度不足，在真空吸力作用下，绕组绝缘层发生局部塌陷，导致绝缘距离减小。在后续的局部放电试验中，放电量超标。

二、应对策略探讨

针对上述原因，可以从设计、制造、运行和维护等多个环节采取综合措施，提升变压器的真空耐受能力。

2.1 优化设计与选材

  • 合理设计绝缘结构：采用先进的电场仿真软件（如ANSYS、COMSOL）对变压器的电场分布进行优化设计，确保在真空和运行状态下电场分布均匀，避免局部电场强度过高。例如，对于绕组端部，可以采用静电环或角环来改善电场分布。
  • 选用高性能绝缘材料：根据变压器的电压等级和运行环境，选用高纯度、高聚合度的绝缘纸（如聚合度DP≥1000）和低含水量的绝缘油（含水量≤20ppm）。对于特殊环境（如高湿度地区），可考虑使用耐湿性更好的绝缘材料，如改性绝缘纸或合成酯绝缘油。
  • 加强机械结构设计：在设计阶段考虑真空状态下的机械应力，确保压紧装置有足够的强度和刚度。例如，采用弹簧压紧结构，可以在真空状态下自动补偿绝缘材料的收缩，保持绝缘层的紧密性。

2.2 严格控制制造工艺

  • 优化真空干燥工艺：采用多级真空干燥技术，结合温度梯度控制，确保绝缘材料均匀受热和脱水。例如，可以设置三个干燥阶段：第一阶段在较低温度（如80°C）下进行初步脱水；第二阶段在中等温度（如100°C）下进行深度脱水；第三阶段在较高温度（如110°C）下进行绝缘固化。同时，实时监测真空度和绝缘电阻，确保干燥彻底。
  • 改进真空注油工艺：采用“真空注油-热油循环”联合工艺。首先在高真空度（如≤10Pa）下注油，注油速度控制在50-100L/min，油温保持在50-60°C。注油完成后，进行热油循环，进一步脱除残留气体和水分。例如，某变压器制造厂通过引入在线油质监测系统，实时监测油中的水分和气体含量，确保注油质量。
  • 加强密封质量控制：选用耐油、耐老化、高弹性的密封材料（如氟橡胶），并采用双道密封结构。在安装密封圈时，使用专用工具确保安装到位，避免扭曲。在真空试验前，进行氦质谱检漏，确保泄漏率低于1×10⁻⁹ Pa·m³/s。

2.3 加强运行维护与监测

  • 定期进行真空耐受能力测试：在变压器投运前和定期检修时，进行真空耐受能力测试。例如，采用真空度保持试验：将变压器抽至一定真空度（如10Pa），保持24小时，监测真空度变化。如果真空度下降超过10%，则需检查密封和绝缘状况。
  • 实施状态监测与预警：安装在线监测装置，如局部放电监测、油中溶解气体分析（DGA）和温度监测。通过数据分析，及时发现绝缘劣化趋势。例如，当油中乙炔含量超过1ppm时，可能表明存在局部放电，需进一步检查。
  • 优化运行条件：避免长期过载运行，控制负载率在额定值的80%以内。在高湿度环境中，可加装除湿装置，保持变压器室湿度在60%以下。定期清理变压器表面灰尘，确保散热良好。

2.4 故障诊断与修复

  • 故障诊断技术：当发现真空耐受能力下降时，可采用多种诊断方法。例如，通过局部放电试验定位放电点；通过绝缘电阻和介损测试评估绝缘整体状况；通过解体检查（如绕组变形测试）评估机械损伤。
  • 修复措施：对于轻微的绝缘老化，可采用真空干燥和重新注油进行处理。对于严重的绝缘损伤，需更换绝缘材料或绕组。例如，某变压器因局部放电导致绝缘纸碳化，修复时更换了受损绕组，并重新进行真空干燥和注油。

三、案例分析

为了更具体地说明原因和策略，以下结合一个实际案例进行分析。

案例背景

某110kV变电站的一台主变压器（型号：S11-M-50000/110）在运行5年后，预防性试验发现其真空耐受能力下降，具体表现为：真空度保持试验中，24小时内真空度从10Pa上升至50Pa；绝缘电阻从初始的10000MΩ下降至3000MΩ；局部放电量从5pC上升至50pC。

原因分析

  1. 环境因素：该变电站位于沿海地区，环境湿度高（年平均湿度85%），且空气中盐雾含量较高，加速了密封材料的老化。
  2. 运行因素：该变压器长期承担重载，负载率平均为90%，热点温度经常超过105°C，导致绝缘纸热老化加速。
  3. 制造因素：解体检查发现，密封圈材质为普通丁腈橡胶，耐油性和耐老化性较差，已出现硬化开裂；部分绝缘纸的聚合度降至700以下，机械强度明显下降。

应对策略实施

  1. 材料更换：将密封圈更换为氟橡胶材质，并采用双道密封结构；更换所有老化绝缘纸，选用聚合度DP≥1000的高纯度绝缘纸。
  2. 工艺改进：重新进行真空干燥，采用多级温度控制（80°C/100°C/110°C），干燥时间延长至72小时，确保真空度≤5Pa；注油时油温控制在55°C，注油后进行热油循环48小时。
  3. 运行优化：调整运行方式，避免过载，负载率控制在80%以下；在变压器室加装除湿机，将湿度控制在60%以下。
  4. 监测加强：安装局部放电在线监测装置和油中溶解气体在线分析仪，实时监控绝缘状态。

效果评估

修复后，变压器真空度保持试验24小时真空度上升至12Pa（符合要求）；绝缘电阻恢复至8000MΩ；局部放电量降至10pC以下。运行一年后，各项指标稳定，未再出现真空耐受能力下降问题。

四、结论

变压器真空耐受能力下降是一个涉及材料、工艺、环境和运行的多因素问题。通过优化设计与选材、严格控制制造工艺、加强运行维护与监测，以及及时进行故障诊断与修复，可以有效提升变压器的真空耐受能力，延长其使用寿命，保障电力系统的安全稳定运行。未来，随着新材料和新技术的应用，如纳米改性绝缘材料、智能监测系统等，变压器的真空耐受能力将进一步提升，为电力行业的发展提供更可靠的支撑。

参考文献

  1. GB/T 6451-2015《油浸式电力变压器技术参数和要求》
  2. IEC 60076-11:2018《电力变压器 第11部分：干式变压器》
  3. IEEE Std C57.12.90-2015《IEEE Guide for Dry-Type Distribution and Power Transformers》
  4. 《电力变压器绝缘技术》（中国电力出版社，2018）
  5. 《变压器真空处理技术》（机械工业出版社，2020）