繞組對地絕緣電阻測量是變壓器的例行試驗項目，絕緣電阻的大小直接關系著變壓器的穩定運行和壽命。由于在變壓器的制造過程中影響繞組絕緣性能的因素較多，因此繞組對地絕緣電阻偏小的原因往往難以排查并確認，這成為變壓器制造企業經常遇到且較難處理的產品質量問題。
在某變壓器廠進行廠內例行試驗時，一臺500kV變壓器繞組對地絕緣電阻與同批次、同型號變壓器繞組對地絕緣電阻對比相差較大，本文從變壓器生產工藝、器身受潮、絕緣油性能等方面進行排查，以確認導致此問題的原因并給出解決方法。
1 故障變壓器介紹
某變壓器廠家生產的同一批次500kV變壓器共計7臺，型號為ODFSZ—500000/500，進行廠內例行試驗時，其中一臺變壓器（以下簡稱異常變壓器）的繞組對地絕緣電阻相對于同批次其他變壓器（以下簡稱正常變壓器）的繞組對地絕緣電阻出現大幅度下降。
2 導致絕緣電阻降低的可能原因
根據相關文獻報道，可能導致變壓器絕緣電阻下降的原因主要有器身絕緣受潮、油中滋生微生物和油中存在雜質（包括金屬或其他非金屬極性物質）。
2.1 器身絕緣受潮
變壓器在生產過程中，器身絕緣會暴露在大氣中并吸收一定的潮氣。因水是強極性物質，在電場的作用下會與油中的纖維類物質在電極間聚集成橋，增加油的電導，從而引起變壓器絕緣電阻減小。
2.2 絕緣油中滋生微生物
在絕緣油儲存及變壓器制造過程中，空氣中的水分、灰塵、微生物會擴散到油中。這些物質的比重較大，隨著時間的增加及環境的不斷變化，這些物質會沉積到油罐底部，形成污水層，導致球菌、桿菌、放線菌等微生物在此大量繁殖。微生物的滋生導致油的介質損耗因數值逐漸上升，當每毫升油中的純菌含量達到約105～107個時，會對油的電氣絕緣性能造成較大影響，且油的電氣性能會隨油中微生物的增長而逐步劣化。
當變壓器油中水分足夠（≥140mL/L）且溫度適宜（35～40℃）時，微生物極易大量繁殖擴散；當油中pH＞5或者環境溫度≥50℃時，微生物會停止繁殖；當溫度≥85℃時，大量微生物的蛋白質凝固，在油中不能存活，只有少量的微生物能繼續存活；當溫度上升到120℃以上時，絕緣油中的微生物基本死亡。
2.3 變壓器油中存在雜質
目前，國內外研究人員普遍認為變壓器絕緣油中雜質顆粒的來源包括以下兩方面：一是在變壓器生產、運輸、檢修過程中產生的雜質；二是采用活性氧化鋁和硅酸凈化處理變壓器油時，其中的金屬雜質污染油品。在電場的作用下，變壓器油中雜質被極化，被吸引到電場強度大的地方，即電極的附近，并按電場線排列，因此在電極附近形成導電的“小橋”。當雜質較少時，只能形成斷續的“小橋”，絕緣性能下降不明顯；當雜質較多時，在兩極之間形成連通的“小橋”，使絕緣油的絕緣性能快速下降。
目前，變壓器產業使用的絕緣油為環烷基油，環烷基油的溶解性較好，會使變壓器內部的極性材料溶解在變壓器油中，隨著極性物質溶解量的增加，變壓器油的電氣性能會快速下降。有研究及相關文獻表明，油中銅離子含量≥0.1mL/L就會導致變壓器油絕緣電阻明顯下降。
3 絕緣電阻降低原因排查
3.1 器身絕緣受潮排查
對異常變壓器生產工藝流程中易造成受潮的工序進行排查。
同時，對正常變壓器和異常變壓器使用的絕緣油進行微水含量和耐壓測試。
由表1和表2可以看到，異常變壓器的極化指數及吸收比均滿足國標要求；根據表3排查結果可知，異常變壓器生產過程符合工藝要求；根據表4對比結果可知，異常變壓器用油中含水量滿足國家標準要求。綜上所述，可以判斷異常變壓器絕緣電阻大幅度減小并非由器身絕緣受潮導致。
3.2 油中微生物排查
該批次同型號變壓器共7臺產品進行試驗，全部使用中石油潤滑油有限公司生產的25#變壓器油，在產品注油及油處理過程中，使用的注油設備、管道全部一致，且該批次變壓器用油全部經過熱油循環工藝處理，熱油循環過程中，油溫≥70℃，持續時間48h，長時間高油溫可殺死油中可能存在的微生物，因此可以排除因油中微生物含量過高而造成絕緣電阻偏小。
3.3 變壓器油中雜質排查
經排查，該廠廠內存有一批用于變壓器出廠試驗的工藝用油，該批工藝用油在變壓器油系統內循環使用，可能存在老化或摻入金屬雜質的情況。如果變壓器使用該批工藝用油，就可能導致絕緣電阻減小。
根據上述排查結果，初步懷疑異常變壓器使用了長期使用的工藝用油，該批工藝用油可能存在金屬雜質或絕緣油老化裂解產生了極性小分子的情況，進而導致變壓器絕緣電阻異常減小。為了進一步確認原因，進行相關測試及試驗驗證。
4 油樣測試及試驗驗證
4.1 介質損耗因數及體積電阻率測試
取與異常變壓器所用絕緣油同牌號的未使用油樣（以下稱原油樣）與異常變壓器所用絕緣油（以下稱產品油樣）進行對比測試。
從表5可以看出：相比于原油樣，產品油樣介質損耗因數及體積電阻率雖仍滿足國標要求，但其介質損耗因數值大幅度提高，約為原油樣的7倍，體積電阻率大幅度下降，比原油樣下降了約65%，說明變壓器油在使用及試驗過程中已劣化或污染。
4.2 電感耦合等離子體發射光譜儀測試
使用電感耦合等離子體發射光譜儀（inductively coupled plasma optical emission spectrometer, ICP- OES）對油中可能存在的金屬元素進行定量檢測，并將原油樣與產品油樣進行對比。
從表6數據可以看到，原油樣及產品油樣中均未檢測出金屬元素，因此可以排除由于油中溶解金屬元素導致其絕緣電阻減小。
4.3 頻域介電譜測試
使用寬介電頻譜對原油樣和產品油樣在不同頻率、溫度下的相對介電常數及介質損耗因數進行檢測對比，測試結果如圖1所示。由于變壓器油主要由烷烴、環烷烴等中性和弱極性組分構成，其分子偶極矩較小，屬于中性或弱極性液體，極化能力非常弱，因此在
10-1～106Hz范圍內，其相對介電常數較小；而在10-2～10-1Hz頻段內，原油樣和產品油樣開始出現極化現象，根據不同種類電介質極化特性（見表7），判斷油中極化類型為偶極子極化，即在此低頻段交流電壓作用下，油中極性電介質的偶極子得以充分極化。
隨著變壓器油的不斷老化，油中的鏈烷烴斷裂，不斷產生非對稱結構的極性分子，這類極性分子在低頻電壓下更容易且更充分地被極化，進而導致絕緣油的相對介電常數隨之提升。因此，絕緣油的相對介電常數越高，意味著電介質在電場作用下的極化能力越強，其中的極性分子含量越多，老化程度越深。
根據圖1中不同溫度下，原油樣與產品油樣的相對介電常數隨測試頻率的變化可以看到，產品油樣比原油樣更早出現相對介電常數快速變化的現象，說明產品油樣比原油樣更易被極化，油中極性分子含量更多，老化程度更深。此外，電介質極化時會產生極化電場，而極化電場與外加電場方向相反，因此會抵消一部分外加電場的作用，從而降低電流通過電介質的能量損耗，使絕緣電阻減小。
根據排查和后續測試驗證結果，可確認本案例中的異常變壓器使用了廠內長期使用的工藝用油，該批工藝用油因老化產生的極性小分子是導致變壓器絕緣電阻異常減小的原因。
5 處理措施
根據上述結論，對異常變壓器使用的絕緣油進行更換，更換工藝流程如下：
1）準備未使用過的合格絕緣油。
2）異常變壓器充干燥空氣排油。
3）用4000m3/h的抽真空機組對變壓器抽真空，抽真空至30Pa后再持續抽真空48h，用以脫出器身絕緣吸收的絕緣油。
4）變壓器充干燥空氣破空，打開變壓器上的人孔蓋板，操作人員從人孔進入變壓器，用蘸酒精白布擦拭油箱內壁殘油。
5）用油泵將下節油箱底部殘油抽凈，并密封油箱。按原工藝重新抽真空，并注入已準備好的未經使用的合格絕緣油。
6）按原工藝進行熱油循環處理，并靜置48h。
7）復測各繞組絕緣電阻。
由表9測試結果可以看到，異常變壓器更換絕緣油后，其絕緣電阻恢復正常。
6 結論
本文對同一批次變壓器絕緣電阻進行測量對比，排查生產過程，并進行試驗驗證，通過總結各項試驗數據及對各油樣試驗結果的對比分析，主要得到以下結論：
1）絕緣油試驗次數過多，試驗過程中的高電場強度導致變壓器油老化裂解，油中產生極性分子，這類極性分子會導致變壓器繞組對地絕緣電阻偏小。
2）絕緣油的常規檢測方法及合格標準，不能準確反映絕緣油老化程度，可通過增加ICP-OES、頻域介電譜等檢測方法實現對變壓器油老化程度的進一步判斷。
3）將絕緣電阻偏小的變壓器內絕緣油更換為新油，并經過熱油循環處理后可使絕緣電阻恢復正常。
4）變壓器廠內用于出廠試驗用的工藝絕緣油，應規定其用于高壓試驗的次數，并定期更換。
本工作成果發表在2024年第9期《電氣技術》，論文標題為“ 一起絕緣油老化導致變壓器絕緣電阻降低案例分析 ”，作者為陳鈉、徐浩、丁嘉樂、賈倩倩、李璋成。
