随着特高压工程的不断投产，国家电网进入特高压交直流混联时代，且电网的安全运行在很大程度上取决于大型油浸式电力变压器的绝缘状况和健康水平^[1-2]。因变压器绝缘系统在各种应力(如电、热、机械等)的联合作用下将逐渐老化，并最终失效，甚至导致电气故障。目前，我国电网中部分变压器的运行时间已接近30年，临近其绝缘寿命的晚期^[3]，如果一次性将这些变压器全部更换，不仅需要大量人力物力，而且会造成巨大的浪费。另一方面，倘变压器出现绝缘故障，修复困难且费时较长。因此，如果能够在电力变压器运行过程中通过适当的监测手段和评估方法确定当前绝缘系统的老化状态，将对提高设备的运行可靠性、避免电气事故的发生具有重要意义。

本文首先分析了影响变压器油浸绝缘纸老化的因素，强调一直以来经常被忽略的机械振动对油浸绝缘纸老化的影响；然后分别探讨了以纤维素的降解产物、物理量以及电气量为特征量的老化判别方法，分析了各种判别方法的不足并提出有可能的解决方法；分析了数学模型和微观检测技术的运用对油浸绝缘纸老化研究的促进作用，最后总结了未来变压器油纸绝缘系统老化研究领域亟待解决的问题。

1 变压器油浸绝缘纸老化因素

油浸式变压器的油纸绝缘系统的寿命主要取决于固体绝缘材料的绝缘强度。实际运行数据表明，绝缘油在长期使用后，其总酸值和体积电阻系数会发生明显变化，但可通过滤化或油的再生处理甚至换新油来缓解或恢复，而固体绝缘的纤维素老化具有不可逆性，因此绝缘纸的老化情况是决定变压器能否安全可靠运行的关键^[4]。

目前大多数变压器中使用的普通牛皮纸是由未漂硫酸盐纤维素制成的，其主要成分是α纤维素。纤维为多孔状结构，其优点是具有透气性、吸水性和吸油性，但也存在抗击穿强度和耐热性均不高的缺点。影响绝缘纸老化的因素有温度、水分、电场、机械振动等诸多应力。

温度是影响油浸绝缘纸热老化的主要因素之一。变压器绝缘系统由过负载运行、线圈不正确换位以及附着在线圈上油泥等因素都可导致局部温度升高。而局部温度升高会导致油浸绝缘纸电气和机械性能的下降，加速绝缘老化进程，最终发生绝缘故障。绝缘纸中的纤维素长链会随着温度升高发生断裂，生成糠醛、CO、CO₂、水分和有机酸等^[5]。

导致油浸绝缘纸老化的另一重要因素是水分。水分在其降解过程中不会消耗，只会随着纤维素链的断裂而增加，而且水分能加速纤维素降解^[6]。文献[7]研究了水分子生成情况，主要包括仲醇羟基夺H、醚基O原子夺H和伯醇羟基夺H生成水分子。其中纤维素高温降解中水分的生成主要以第一种方式居多。由此可知绝缘纸中的水分含量比油中大得多。水分主要是通过增大绝缘纸的介质损耗因数来促使纤维素发生降解，使绝缘纸的绝缘性能下降，加快绝缘纸的老化。

绝缘纸长期处于电场中，老化过程复杂，很难形成公认的理论。一般认为是电场对绝缘纸长期的极化和机械应力的作用使绝缘失效^[8]。当电子从电场获得的能量与有机物的化学键能相等时，就会使分子结构发生变化，加速绝缘纸的老化。

机械振动对变压器老化的影响经常被忽略，但对于工程现场这个因素是不可避免的。文献[9]研究发现，机械振动能够加速绝缘纸机械性能劣化，导致大分子链发生断裂，加速纤维素降解。

纤维素(C₆H₁₀O₅)_n是由许多D-吡喃型葡萄糖彼此以1，4-β-苷键连接而成的线形高分子聚合物^[10]，其分子结构中有环状结构，其中约有70%的结晶部分和30%的无定型部分。如图 1所示。

两环之间由醚键连接，每一个六角环中都有一个氧原子，并连有3个羟基，其中有一个是伯醇，具有较强的反应能力。其中，羟基具有一定的极性和亲水性，醚键有一定的柔软性，导致纤维素大分子内部或分子间易发生反应生成氢键^[10]。在上述多种应力的作用下，分子链断裂，纤维素发生降解，生成糠醛等产物，导致绝缘性能下降。

2 基于降解生成物的老化判别方法

对于油浸绝缘纸老化阶段的判别方法，国内外学者进行了许多研究，最简单的方法是检测纤维素在化学降解中产生的各种生成物的变化情况，用降解生成物含量反映绝缘纸的老化状况。

2.1 油中溶解气体

变压器的绝缘系统发生电、热故障时会产生H₂、CO、CO₂、CH₄等7种溶于绝缘油的特征气体，其中纤维素中含有大量的无水左旋糖环和键能较弱的C-O键及葡萄糖苷键，而油中的碳氢键要比它们都强一点，所以通常认为溶解于变压器油的一氧化碳(CO)和二氧化碳(CO₂)是由绝缘纸老化裂解产生的。

文献[11]基于实验得到CO₂含量与聚合度(DP)近似线性关系，认为CO₂气体含量能够作为判定绝缘纸老化程度的特征量。纤维素热分解产生的CO和CO₂的生成总量及二者比值被认为是判别绝缘纸的老化状态的有效特征量。油中溶解气体的方法实质上是研究(CO+CO₂)及CO/CO₂比值与绝缘纸DP之间的关系，由此来判定油浸绝缘纸的老化状态。结合多年来国内外研究数据，一般认为CO/CO₂比值大于0.2时，绝缘纸可能处于晚期^[12]，IEC导则建议将CO/CO₂比值大于0.33或小于0.99时作为绝缘纸临界故障点。文献[13]进一步研究了CO₂/CO比值与热老化温度的关系，得到CO₂/CO比值随温度的升高而增大。由此可推断出：将不同老化程度的绝缘油中提取纤维素降解产生的气体作为特征量，据其变化可推断出油浸绝缘纸的老化程度。

虽然CO、CO₂主要是由固体绝缘裂解产生，但是由绝缘油氧化分解也能产生这两种气体。目前对这两种来源的比例还没有深入的研究，并且两者产生的气体最终都会溶解在油中，使其分开有一定技术困难。所以如果仅仅利用油中CO、CO₂的含量来判断固体绝缘材料的绝缘状态是不准确的。如果能够结合化学方法以及各种化学元素的键能以及裂解温度来判断气体的具体来源，或许能够使油中溶解气体的方法更为完善。

2.2 油中糠醛

变压器油中的糠醛是由纤维素的老化降解产生的，可用于绝缘纸老化的判定^[14]，比油中溶解气体的方法更准确，具有更高的研究价值。人们对此进行了一系列研究，并取得了一些很有意义的结论。我国DL/T596-1996《电力设备预防性试验》^[15]中规定了糠醛含量与变压器老化阶段的关系：当油中糠醛含量达到0.5 mg/L时，认为变压器的绝缘系统进入寿命中期；当糠醛含量大于4 mg/L时，变压器绝缘系统处于寿命晚期。文献[16]通过实验发现油中糠醛与绝缘纸聚合度负相关，并建立了糠醛-聚合度方程。由此推断出可通过糠醛-聚合度方程计算聚合度，从而判断变压器的绝缘寿命。

从理论上讲，糠醛含量诊断法比油中溶解气体法更加准确，因为在某一老化阶段油中糠醛含量为定值，但是由于水分、温度、酸值，尤其是机械振动，都会影响油中糠醛含量以及分布变化，进而影响判定油纸绝缘老化状态的准确性。近阶段研究人员对油中溶解糠醛的判别方法尚停留在温度、水分等影响因素上，如果对判断精度要求更高则需纳入机械振动的影响。

3 基于物理特征量的油浸绝缘纸老化状态判别方法

判断绝缘纸的老化状态最初采用的是测量绝缘纸在不同温度下的拉伸强度(Tensile Strength，TS)来确定其老化速率，该方法是由Montsinger最先使用的。一般认为油浸绝缘纸进入寿命晚期的标志是：TS下降至初始值的一半^[17]。TS法虽然非常直观，但存在取纸样困难及测试结果重复性欠佳等缺点。以Oomen为代表的研究人员随后对其进行改进，提出用粘度法测量平均聚合度(DP)作为绝缘纸老化状态的判别依据^[18]。这种方法克服了试验重复性不好的困难，现在大多研究都是将测量TS和DP配合使用作为基本的参数指标。

对于通过聚合度来确定变压器油浸绝缘纸的老化状况，较一致的看法是：新纸的平均聚合度在1 000~1 300左右，当聚合度下降到500时，认为变压器的绝缘系统进入寿命中期；当聚合度下降到250时，认为变压器的绝缘系统已到寿命晚期。Ekamstam基于纤维素分子随机断链假设推导出用于预测油浸绝缘纸剩余寿命的一阶动力学模型^[19]。随后Emsley等^[20]推导出二阶动力学模型，解决了一阶动力方程在聚合度过低时不适用的问题。文献[21]通过研究温度和水分对绝缘纸聚合度的影响发现，油浸绝缘纸老化速度随着温度和含水量的升高而加快，并且油浸绝缘纸在老化后期，聚合度下降速率会减缓，符合动力模型。

但是，取样时需要变压器停止运行，采取吊芯取样方法，这些因素使该方法不适用于实际运行中的变压器。对于动力方程的改进，研究人员付出了很大的努力，也取得了不少成果。如果能在动力方程中叠加进机械振动因素，是否能更加准确地模拟在线变压器绝缘系统聚合度的变化趋势，是研究者们可以进一步关注的问题。

4 基于电特征量的油浸绝缘纸老化状态判别方法

除上述已经发展并应用于现场的诊断技术外，近几年基于电特征量的诊断技术日渐成熟。其中最具代表性的电特征量判别技术有：局部放电测量和介质响应诊断技术。介质响应诊断技术又包括基于时域介电响应技术的回复电压法(Recovery Voltoge Method, RVM)、极化/去极化电流法(Polarisation and Depolarisation Current，PDC)和基于频域介电响应的频域谱法(Frequency Domain Spectroscopy，FDS)^[22]。

4.1 局部放电

局部放电是指由于电场分布不均匀、局部电场强度过高，导致绝缘介质中局部范围内的电气放电或者击穿现象，容易发生在绝缘油与绝缘纸板交界面处。随着变压器电压等级越来越高，油浸绝缘纸长期的局部放电导致绝缘结构破坏，最终有可能导致变压器内部整个绝缘系统的失效^[23-24]。

最早，用最大视在放电量Q_max作为局部放电的基本参量评定绝缘的老化状态，而Stone^[25]的研究表明，仅仅用Q_max来评定绝缘的老化状态是远远不够的。目前，脉冲相位分布(PRPD)是使用最为广泛、发展最为成熟的一种局部放电谱图。油浸绝缘纸的沿面放电发展阶段可分为：放电起始阶段、放电发展阶段、放电危险阶段。在放电起始阶段，油浸绝缘纸放电总量随老化程度的加剧缓慢上升，最大放电量增长缓慢与老化程度基本无关，各个老化阶段的碳化情况不明显；在放电发展阶段，放电总量随老化程度的加剧而直线上升，Q_max随老化程度的加剧线性增大，碳化面积随老化程度的加剧增大；在放电危险区，放电总量随老化程度的加剧直线上升，Q_max随老化程度的加剧平缓增加，碳化面积随老化程度的加剧快速增大^[26-27]。由此可以通过发电总量、Q_max、碳化情况推断出油浸绝缘纸的老化程度。

一般用于研究电力变压器局部放电的模型有间隙放电模型、沿面放电模型、针板放电模型、悬浮电极放电模型等^[24]。经过多年研究，这几种模型在模拟绝缘内部局部放电方面已经取得可观成效，但是对于模拟交直流变压器内部电场环境还需要进一步改进，以区分不同放电位置以及不同放电类型，还应考虑油浸绝缘纸初始状态，从根本上提高局部放电法的实用性；其次，局部放电法的应用需要解决现场检测时抑制复杂的噪声信号的问题；最后，在能说明老化程度的局部放电统计特征量的选择上，是否能提取更具代表性的特征量同样是研究人员们在未来研究过程中可以关注的。

4.2 介电响应诊断技术

根据电特征量来判别油浸绝缘纸老化阶段方法中的介电响应有望成为未来诊断技术的主流。介电响应技术开始于20世纪90年代，是一种可以得到变压器绝缘材料老化状态的无损测试方法。

回复电压法(RVM)是最早出现的介电响应测试方法。电介质在外加电场的作用下，可以得到两种介电现象电导和极化，它们会随着介质的老化、受潮情况发生变化^[28]，因此可利用这两种介电象来判定油纸绝缘的老化状态。RVM是通过外加电压测量绝缘介质的回复电压曲线，进而提取有效特征量，然后综合分析获取的特征量关系，以判断变压器绝缘系统的实际绝缘情况^[29]。可以从回复电压曲线得到回复电压峰(U_rmax)、回复电压初始斜率(S)、最大峰值时间(t_max)、主时间常数(τ_cd)等基本参数。其中，文献[30]对不同温度下的绝缘试品进行RVM测试，发现U_rmax和S随着绝缘系统温度升高呈指数规律增大，τ_cd随温度升高呈指数规律下降，这与Hassanl等^[31]的测试结果一致。文献[32]指出，同一老化程度，油浸绝缘纸U_rmax与含水量呈负指数关系。可以由拟合结果指数项系数对油浸绝缘纸老化状态进行判断：老化程度越严重其指数项系数越大。由此可以通过测量不同含水量的试品的RVM特征量变化规律进一步评估介质的绝缘状态。

无法将油和绝缘纸的绝缘状况分开讨论一直是RVM最大的缺点，它只能评估绝缘系统的整体状况；其次变压器老化和受潮都会影响极化谱的变化，无法区分老化和受潮时参数的变化规律，并且残余电荷等因素还可能致使不规范图谱的出现，这给总结各种因素对油浸绝缘纸老化状态的影响规律带来很大困难^[33]。

与RVM类似，极化/去极化电流法(PDC)是另一种时域介电响应测试技术。PDC是对变压器绝缘施加直流电压U₀，进行充电且维持一段时间t_p，得到极化电流i_p，然后对试品进行短接放电，并维持一段时间t_d，得到去极化电流i_d。PDC曲线的起始部分主要与绝缘油的老化状态有关，PDC曲线的末端形状主要反映绝缘纸的老化程度、含水量等情况，而绝缘几何结构则决定PDC曲线中间部分的形状^[34-36]。因此，通过PDC曲线的末端可以判定油浸绝缘纸的老化状态。文献[37]等对不同水分含量的油浸绝缘纸进行PDC测量，得出PDC曲线的末端部分随水分含量的升高明显上翘，电流值变大。温度的升高、老化程度的加剧能够提高极化去极化的响应速率，在这个过程中去极化电流呈上升趋势，去极化电流呈衰减趋势^[38-39]。大量研究发现，对于同一种结构的电气变压器，处于老化初期的油浸绝缘纸的极化电流幅值处于最小值，处于老化中后期的绝缘纸的极化电流大小近似为初期的两倍^[40-42]。因此，通过极化电流和去极化电流的大小，尤其是极化电流的大小，可以判断绝缘纸的绝缘老化状态。PDC是一种理想的快速评估绝缘油和绝缘纸老化状态的方法，具有无损耗、离线测试、操作简单等优点。PDC的缺点是易受现场因素干扰，且初始极化/去极化电流往往不易准确测量。

频域介电谱法(FDS)是利用在交变电场下随频率变化的介质的复电容、复介电常数及介质损耗因数的数值来判别绝缘材料的老化状态。FDS可以测量在特定频率和电压下的介质阻抗，绝缘材料的电容和损耗因数可以由测量得到的数据计算得出。可将复电容实虚部和损耗因数与其对应的频率值绘制成频率特性曲线，再进行分析对比或者进行曲线拟合，从而得出测试样品的相关参数。FDS将常规的频带测量扩展到1×10^-4~10⁶ Hz^[43]。

Jadav等^[44]基于FDS研究油浸绝缘纸介电特性与含水量的关系，发现在低频段油浸绝缘纸的相对介质损耗会随含水量的增加而增大。廖瑞金等^[45]发现复相对介电常数的实部会随着油浸绝缘纸老化加剧逐渐增大，虚部只在低频段随老化加剧而增大，高频段基本重合；水分和老化程度在复相对介电常数的虚部影响频域范围不同。因此，可以通过相对介电常数虚部变化分别对油浸绝缘纸水分含量与老化程度做出判定。

与RVM和PDC相比，FDS可以对不同的刺激频率进行逐点或扫频测量，能够在更宽的频域范围测量绝缘介质的复电容和损耗。与传统的介质损耗测量相比，FDS更能反映出油纸绝缘的含水量和几何结构的变化，且受噪音干扰程度小，所需实验电源电压低^{[28, 46]}。然而目前国内外学者对于FDS的研究尚没有形成统一的数据体系，无法对油浸绝缘纸老化阶段进行判定；其次，FDS评估绝缘状态时需要测量较低频率下的复介电常数，需要耗费大量时间，构成运用于现场检测的巨大障碍。所以对于将FDS应用于现场判别变压器老化状态，需要解决的关键问题是如何提取出绝缘系统FDS测试结果的有效信息，及如何解决测量低频特征量所需时间过长、实现在线检测，进而有效评估油纸绝缘的老化状态。

5 相关技术的应用

由于根据化学特征量来判别绝缘材料的老化状态仍局限于阈值诊断的范畴^[1]，难以确切地反映出故障与特征量的客观规律。这无疑会成为诊断变压器的潜伏性故障的严重障碍。随着计算机技术的飞速发展，越来越多的智能技术被应用到变压器故障诊断中来，如人工神经网络^[47]、遗传算法^[48]、模糊推理^[49]等。电力变压器是一个复杂系统，不确定因素及不确定信息充斥其间。为解决不确定性产生的随机性和模糊性，各种诊断方法，如概率推理、贝叶斯网络、信息融合等，被引入进来以辅助基本判别方法^[50-51]。

同样，运用电特征量来判别绝缘材料的老化状况也结合了更多的数学模型来直观地反映出特征量与老化状况的关系。在油纸绝缘介电响应函数理论模型的发展过程中，数学模型分为时域和频域的介电响应数值模型。时域模型又分为数幂模型^[52]、扩展指数模型^[53]以及目前广泛使用的扩展Debye模型^[54]等; 频域模型有Cole-Cole公式、Cole-Davidson公式和Havriliak-Negami公式等^[55]。

其中，扩展Debye模型通常用来解释变压器主绝缘的极化行为，通常用于RVM和PDC时域方面的研究。大量实验数据发现，扩展Debye模型不仅能很好地吻合实际测量数据曲线，而且有很好的去噪功能，能够拟合出光滑的曲线，对后期相关参数的准确计算有很大帮助^[56-58]。

目前国内外学者对介质响应诊断技术的研究较多，但是大多只运用一种时域或频域方法判别绝缘纸与各影响因素的关系，很少有研究人员进行时频域测量技术的研究，这方面的实例也比较少见。将FDS技术与RVM或PDC两种时域介电响应测量方法相融合，研究两者测量技术的相同性，不但可以为研究油浸绝缘纸老化状态提供更多特征参量，如文中提到的低频时FDS测量时间过长的问题也会得到优化，减少变压器长时间停运带来的经济损失，而且可以解决在交变电场的激励条件下时域响应法抗干扰能力差的问题。

但是扩展Debye模型忽略了油纸绝缘系统内部的几何结构。而绝缘系统是一个结构复杂的复合结构，如果考虑老化产物，如酸、气隙、糠醛等的互相作用，Debye模型将无法真实反映油纸绝缘系统的界面极化。如果能够对扩展Debye模型进行修正，测量结果也会得到进一步的优化，使结果更加贴合系统真实老化过程。

同时，为了能更直观地看到绝缘材料内部的微观老化机理，国内外采用扫描电镜(Scanning Electron Microscope，SEM)^[59]、原子力显微镜(Atomic Force Microscope，AFM)以及X射线衍射(X-Ray Diffraction，X-RD)技术^[59]等来观察绝缘材料的微观形态。我们通过SEM、AFM来直接观察绝缘纸的表面形貌的微观变化；由X射线衍射可以进一步对绝缘纸的老化状态做出化学分析。这些技术使研究人员能够从微观角度研究绝缘纸纤维素的降解过程。比如水分对绝缘纸内部纤维链运动的影响以及氢键增减的具体过程、纤维素在高温晶格相具体的转化温度等问题。这些技术的应用对进一步探索绝缘纸纤维素的断链机理有着重要的推动作用。

6 结论

电力变压器能否安全可靠运行取决于绝缘系统的绝缘性能。故准确掌握绝缘纸的老化状态，对于预防由绝缘故障引发大面积停电事故具有重要意义。本文回顾了近几十年来国内外变压器油纸绝缘老化的诊断技术发展，同时介绍了近几年来新兴的老化诊断技术。通过以上综述分析，得出的结论如下：

1) 机械振动是影响变压器绝缘纸老化的重要因素，为实现老化阶段判别方法真正应用于现场，需进一步研究机械振动的影响机理。

2) 以理化特征量为研究手段的诊断方法比较传统，其固有缺陷是阻碍进一步研究油纸绝缘的障碍，而电力系统的快速发展则迫切需要研究能够克服这些传统判别技术不足的方法，实现电力变压器油纸绝缘老化状态的在线评估。

3) 以电气特征参量为研究手段是近年来油纸绝缘老化的研究热点，学者们需要进一步完善介电响应技术，融合时频域介电响应信息以获得更具代表性的特征量，建立能够应用于现场诊断变压器老化状态的介电响应技术。

4) 不断发展的计算机模拟技术和微观检测技术为更好地判别油浸绝缘纸老化阶段提供了有力的技术支持，与各种检测技术相结合能够进一步研究油浸绝缘纸老化状况。