变压器绝缘老化及局部放电的研究.docx
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变压器绝缘老化及局部放电的研究
论文
变压器绝缘老化及局部放电的研究
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学科（专业）：
电力系统及其自动化
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2013年1月
网络教育学院
毕业设计（论文）任务书
专业班级层次姓名学号
一、毕业设计（论文）题目
二、毕业设计（论文）工作自年月日起至年月日止
三、毕业设计（论文）基本要求：
指导教师：
网络教育学院
毕业设计（论文）考核评议书
指导教师评语：
建议成绩：
指导教师签名：
年月日
答辩小组意见：
负责人签名年月日
答辩小组成员
毕业设计（论文）答辩委员会意见：
负责人签名：
年月日
论文题目：
变压器绝缘老化及局部放电的研究
学科（专业）：
电力系统及其自动化
申请人：
屈斌
指导教师：
唐小军
摘要
变压器是电力系统中的关键设备，在整个电力系统当中处于非常重要的地位，保障大型电力变压器运行的可靠性对于整个电网的安全运营是具有重要意义的。
油纸绝缘老化决定变压器使用寿命的关键性因素，其在变压器运行过程当中逐渐的老化，承受短路电流电动力的能力逐步的降低，成为威胁设计及整个电网运行的重大隐患。
因此，通过老化试验并结合实际试验结果，对油纸绝缘老化机理进行了研究，另外通过对局部放电的特点的讲述，论述了局部放电与绝缘老化之间的关系，从而为变压器绝缘状态评估和寿命预测提供了参考依据，具有重要的学术和实际意义。
关键词:
变压器；油纸绝缘；老化机理
论文类型：
设计报告
Abstract
Powertransformeristhekeyequipmentinpowersystemandstandsanextremelyimportantposition.Itisofgreatsignificancetoguaranteetransformeroperationreliably.
Thelifeoftransformerislimitedtothelifeofitsoil-paperinsulation.Itdegradesasthetimegoesby,andeventuallyitscapacityofexposuretoshort-circuitcurrenthasbeensignificantlyloweredandbecomesahiddenthreatentosystemsecurityTherefore,studyingtheagingcharacteristicsandmechanismsofoil-paperinsulation,throughacceleratedagingexperimentsandonsiteexperiences,canprovideinformationandreferencesfortransformerinsulationcondition-basedassessmentandalsolifetimeforecasting.
Keywords:
Powertransformer;Oil-Paperinsulation;Agingmechanisms
声明
1绪论
1.1课题研究的目的和意义
变压器在电力系统的各种设备中属于比较昂贵而且重要设备之一，其安全运行对于整个电力系统的可靠性起到至关重要的作用。
变压器一旦发生故障，便会导致大面积的停电，给电力系统和国民经济造成了巨大的损失。
实践证明，大量的变压器损坏故障都是由于其绝缘系统出现的问题而引起的。
据电力公司的相关数据表明，由于变压器绝缘老化造成的事故约占变压器总事故的80%以上。
而油纸绝缘状况直接关系到变压器的使用寿命，在国内的电力系统运行过程当中，仍旧有相当数量的超龄变压器仍在运行当中，但是其绝缘系统的老化程度已相对严重，由于固体绝缘的降解，使得其承受短路电流的能力大幅度下降，这也是引起变压器故障的主要原因。
局部放电是指变压器绝缘系统当中部分被击穿的电气放电，绝缘系统损坏的先兆大部分都是局部放电，对变压器进行局部放电的研究和检测成为了检测变压器绝缘系统状况的重要手段，因此，本论文针对变压器绝缘老化及局部放电的研究对降低变压器故障率、提高电力系统运行的安全性和可靠性具有重要意义。
电力变压器是电力系统中重要的设备之一，其安全运行意义重大。
在现场运行中，局部放电是导致电力变压器绝缘劣化的重要原因之一。
从2O世纪中期开始，各个国家就对变压器中局部放电的机理做了很多研究，并取得了很大进展。
现有的检测方法可以通过对一些局放物理量的检测来发现变压器内部是否发生了局放。
对于局部放电源的准确定位是目前发展的一个方向。
根据局部放电过程中所产生的诸如电磁波、声波、光、热和化学变化等现象，其定位方法有电气定位、超声定位、光定位、热定位和DGA定位等。
目前，国内外研究较多也比较成熟的是超声定位和电气定位。
但一些新的定位方法的出现也为进一步研究局部放电的定位提供了新的思路，如基于辐射电磁波的超高频定位，基于相控阵理论的局部放电源定位等。
局部放电是指发生在电极之间但并未贯穿电极的放电，它是由于设备绝缘内部存在弱点或生产过程中造成的缺陷，在高电场强度作用下发生重复击穿和熄灭的现象。
它表现为绝缘内气体的击穿、小范围内固体或液体介质的局部击穿或属表面的边缘及尖角部位场强集中引起局部击穿放电等。
但若电器设备绝缘在运行电压下不断出现局部放电，这些微弱的放电将产生累积效应会使绝缘的介电性能逐渐劣化并使局部缺陷扩大，最后导致整个绝缘击穿。
电力变压器是电力系统中重要的设备之一，其安全运行意义重大。
在现场运行中，局部放电是导致电力变压器绝缘劣化的重要原因之一。
从2O世纪中期开始，各个国家就对变压器中局部放电的机理做了很多研究，并取得了很大进展。
现有的检测方法可以通过对一些局放物理量的检测来发现变压器内部是否发生了局放。
对于局部放电源的准确定位是目前发展的一个方向。
1.2国内外研究现状的简述
国外专家学者对于变压器老化程度的测定研究起步70年代，当时主要是采用气相色谱法来检测绝缘油中的一氧化碳和二氧化碳的含量来作为检测变压器绝缘系统老化程度的依据。
1984年，英国专家首先提出绝缘油中的糠醛是在变压器运行过程当中所产生的特有物质，可以通过检测糠醛在绝缘油中的含量来判断绝缘系统老化的程度。
近年随着对于变压器绝缘老化研究的不断深入，比较有代表性和说服力的有以纸绝缘老化生成的丙酮含量来作为检测的依据。
到目前为止，世界上针对变压器绝缘老化程度的检测有三种公认的方法：
第一种方法，就是一氧化碳和二氧化碳的总含量与绝缘纸平均聚合度残留率的比值。
当比值大于0.33或者比值少于0.19则表示此时的变压器绝缘系统存在分解故障。
国内的变压器由于其存在的特殊性，如年份长、生产工艺的多变性、型号不一、绝缘结构的多变等特点，使得很难去计算每台变压器的绝缘纸质量，因此，针对第一种方法检测的结果很难反映国内变压器的真实老化状态。
第二种方法，油中糠醛的含量，这种方法规定当糠醛的含量达到0.5mg/l时，变压器的绝缘水平处于使用寿命的中间段，当含量达到4mg/l以上，则说明此时运行的变压器老化程度已相当严重，使用寿命已快要结束。
这种方法也存在一定的缺陷，国内有学者指出，许多变压器内部都装有吸附剂，使得循环油中有部分糠醛被吸收，因此检测出来的糠醛含量是不准确的。
第三种方法，绝缘纸的聚合度。
通过绝缘纸的聚合度来判断变压器绝缘系统的老化程度非常直接，但是直到目前为止没有规范的判断指标。
因此，为了准确的获得变压器绝缘系统的老化程度和局部放电现象，有必要对变压器的老化机理和测定方法进行研究。
1.3课题主要研究内容
本论文首先从变压器油纸绝缘老化的现状入手，分析影响变压器油纸老化的主要因素，包括温度、空气所含水分、四周电场、酸性物质的作用。
通过对变压器油纸绝缘老化的监测来对老化过程当中特征量，如油中糠醛、油中水分、绝缘子聚合度等发生改变做了原理性的分析。
其次，通过对油纸绝缘的单因子热老化试验，对比分析各老化特征量随老化时间的变化关系以及老化特征量之间的相互关系，并对油纸绝缘老化的动力学原理和老化机理进行研究。
另外，还对不同初始老化程度油纸绝缘的老化特性试验，分析老化过程中特征量如油中溶解气体、糠醛、水分随老化时间的变化关系，对处于老化中后期油纸绝缘特征生成物的生成速率进行研究。
最后，论述了局部放电的原理和特点，指出对于电力变压器而言，绝缘内部或者是表面发生局部放电而造成的放电电老化是不容忽视的，分析了局部放电与变压器油纸绝缘之间的关联性，并通过对局部放电的检测方法来得出变压器绝缘的薄弱地带，从而为检修与保养提供了参考依据。
2变压器油纸绝缘老化过程的现状研究
简述变压器绝缘系统老化之前，首先我们需要清楚整个变压器绝缘系统包括哪几个方面。
一般来说，变压器内绝缘系统主要包括绝缘油和绝缘纸两大部分，在变压器实际运行过程当中，不可避免的会受到四周环境因素的影响，比如常见的温度、水分、氧气、酸性物质、电场分布等因素的影响，随着时间的推移，这种影响程度越来越严重，油纸绝缘系统也逐步的呈现老化的状况，变压器整体机械性能和电气性能指数指标都逐步下降，从而在一定程度上给变压器的运行带来了隐患，也影响了整个电网运营的稳定性。
2.1简述变压器油纸绝缘系统老化的机理
分析变压器油纸绝缘系统老化的机理需要分为两大部分入手：
变压器绝缘油老化的机理
变压器绝缘油属于一种碳氢化合物构成的混合物，主要组成包括烷烃、环烷烃、芳香烃等。
在通常环境温度下，变压器绝缘油是不会发生化学分解反应的，因此绝缘油的老化主因在于空气的氧化导致的。
绝缘油在吸收了氧气之后，会在空气水分和温度的双重影响下加速老化的进程，从而分解出诸如醇、醛等氧化物和酸性物，最终形成油泥。
在绝缘油分解的过程当中会产生一定量的CO和CO2，随着变压器的不断运行，CO和CO2会不断的溶解在绝缘油当中，成为溶解气体中主要成分，另外还包括一些H2等低分子烃类气体。
绝缘油在非正常温度状态下会使的某些C-H和C-C键断裂，通过一些复杂的化学反应重新发生化合，形成一定量的H2等烃类气体，这些烃类气体加速了绝缘油的老化进程。
变压器绝缘纸老化的机理
变压器固体绝缘部分主要材料就是绝缘纸，也是通常操作人员所称的纸板，绝缘子的主要成分是纤维素，从纤维素的化学组成来看，主要是由单糖和长链的糖组成，也就是说变压器绝缘子的老化过程核心就是纤维素的降解过程。
纤维素的降解过程可以分为三种方式，第一种：
氧化降解，纤维素很容易被氧化，其化学物质中的碳原子成分会与氧接触发生化学反应，从而生产酸类、醛类化合物，其中醛基遇氧生成羧基，羧基本身化学组成结构不稳定，容易发生水解。
2.2变压器绝缘系统状态的检测方法
变压器油纸绝缘系统在运行过程中逐渐老化，其在电力系统中的重要性迫使在整个运行过程中都需要对其运行状态进行监视，变压器绝缘状态的监测方法主要可分为电方法、时域极化法、绝缘纸聚合度法、油中糠醛含量法。
1）电方法
传统的电测试方法主要有测量击穿强度、介质损耗、电容、局放信号、绝缘电阻、吸收比（极化系数）、直流电阻等。
2）时域极化法
时域极化法是在绝缘试品两端加上一个阶跃电压，通过测试极化/去极化电流的幅值和相位，从而获取介电常数的相关信息。
在过去的十年中，基于极化/去极化电流的以及恢复电压测量的时域方法得到了广泛的关注，其中又以基于恢复电压测试的变压器绝缘状态评估为代表。
3）绝缘纸聚合度法
变压器固体绝缘（纸、纸板）的主要成份是纤维素（线性聚合体），聚合体中葡萄糖单体的个数被称为聚合度。
纤维素的聚合度通常采用粘度法测得。
4）油中糠醛含量法
较之于关于绝缘纸的直接测量，糠醛分析提供了一种更为简单、可行的方法。
大量资料表明:
油中糠醛含量与绝缘纸聚合度之间存在近似的对数关系.
2.3判断变压器油纸老化的依据
变压器油纸老化是一非常复杂的过程，因为整个变压器绝缘系统受到温度、电气、物理、化学、机械等多因素的影响，因此对于普通的操作检修人员来说很难从变压器绝缘系统表面来分析其老化的程度。
上个世纪七十年代，国际上在诊断变压器老化程度的时候常用的方法就是采用气相色谱法来检测绝缘油中的CO和CO2含量，根据含量比来作为判断变压器绝缘系统老化的程度，从而为变压器检修故障和保养提供了参考依据。
直至八十年代中期，英国的一个学者首次提出了根据变压器绝缘油中分解的物质糠醛含量来作为评判运行变压器内部绝缘纸老化的优劣程度。
随着科技的发展，人们对于变压器绝缘纸老化机理也研究的越深，相继提出了以绝缘纸老化生成物中的丙酮含量作为判断绝缘材料的老化程度。
总的来说，目前国际上针对变压器绝缘纸老化程度评判依据主要有三种。
A.CO和CO2生成总量以及CO/CO2的比值规律
国家标准当中针对变压器绝缘油中溶解气体的分析和判断导则有明确规定对开放式变压器CO的含量，一般在300mg/L以下；对隔膜变压器绝缘油中CO含量一般要高于300mg/L。
开放式变压器中对于CO/CO2的比值大于0.33或者比值夏小于0.99时，表明此时变压器的绝缘系统出现了问题，很可能是绝缘纸中的纤维成分发生了降解作用。
而隔膜变压器，对于CO/CO2的比值会放宽松许多，当CO/CO2的比值大于0.5时，变压器绝缘纸才可能会出现老化故障。
日本专家总结出了CO与CO2的总量与绝缘纸聚合度残留率之间的关联，结论是当CO与CO2的总量超过1ml/g时，绝缘纸聚合度残留率大约为一半，当CO与CO2的总量超过3ml/g时，绝缘纸聚合度残留率只有三分之一。
针对这种以CO与CO2的总量来测定变压器老化程度的依据有一定的参考价值，但是考虑到我国变压器的国情，这种测定方法又有着很大的局限性，原因在于我国生产变压器的绝缘材料、绝缘系统结构、绝缘纸的比例等等都会随着不同的型号、年份、厂家而不同，因此很难确定的计算出每台变压器绝缘纸的总量，进而仅仅凭借运行中变压器绝缘子分解出现的CO与CO2的总量来判定老化程度是不够准确的。
B.绝缘油中糠醛含量作为判定依据
糠醛是变压器在运行过程当中绝缘纸生成的一种特征物，在正常温度内呈现是液态，而且这种特征物只来源于变压器绝缘纸的分解物，根据国家标准针对非正常老化和严重老化的糠醛含量有一个限定值，当绝缘油中糠醛的含量达到0.5mg/L时，表明此时变压器的绝缘系统处于中期水准，使用寿命还较长。
当绝缘油中的糠醛含量达到4mg/L以上，则表明绝缘纸老化程度严重，且整体变压器绝缘水平到了末期，变压器的使用寿命已接近终点。
国家电力科学研究院曾做过相关的模拟实验，实验表明绝缘油中的糠醛含量和绝缘纸绝合度有着很大的关联性，通过测定绝缘油中糠醛的含量能够很好的判断变压器绝缘系统的老化程度和使用寿命水平。
当然这种方法也存在一定的弊端：
许多国产的变压器中都装有吸附过滤器，吸附剂能够对油中的糠醛起到一定的吸附作用，从而降低了绝缘油中的糠醛含量，另外国内针对变压器检修导则中有采用压力滤油，这也会带走部分糠醛含量，从而给测定的糠醛含量造成了一定的偏差。
C.绝缘纸的聚合度
通过测定绝缘纸的聚合度来判定变压器绝缘系统的老化程度非常的直接，但是目前国内外针对这种测定方法尚未有明确、统一的标准和规定。
国内针对变压器绝缘纸聚合度基准有一个比较统一的共识：
以绝缘纸平均聚合度1000为基准，当绝缘纸平均聚合度降至500时，表明此时变压器性能和使用寿命达到中期水平；当绝缘纸平均聚合度降至250时，需要注意此时变压器使用寿命已经到达了晚期，不适宜继续在电网中正常运行，否则很可能会引起电网事故。
聚合度是目前最直接、最贴切的表达绝缘纸老化程度的参考指标，但是需要在多个绕组部位取样，原因在于绕组的部位不同，其温度也不同，带来的老化程度也不一样，因此绝缘纸的聚合度是一个呈现分布式规律的指标。
专家建议在测算聚合度时，可以先通过测定绝缘油中的CO与CO2的总量与糠醛的含量来做类比，从而推导出聚合度值。
上述的三种判断变压器绝缘系统老化程度的依据对于变压器整体绝缘老化的鉴定上是有着很大的参考价值的，但由于国产变压器在绝缘结构及个体上存在着较大的差异性，这也使得三种依据判断变压器绝缘系统老化的准确性有所下降，因此针对变压器进行加速老化实验，通过研究油纸老化产生的特征物之间的关联性来加深对变压器绝缘老化机理的认识是非常有必要的。
3变压器油纸绝缘系统老化的影响因素及其特征
变压器在实际运行过程当中，由于受到诸如温度、水分、氧化、酸性等因素的影响，使得绝缘纸聚合度下降，绝缘系统老化程度显著降低，这也给变压器的机械和电气性能带来了影响，通过对绝缘系统内部绝缘材料组成的了解，对影响变压器绝缘纸老化的因素进行研究可以为日后变压器老化实验判定提供有益的参考。
3.1变压器内部绝缘材料
电网中使用较多的油浸式变压器一般采用的是油纸绝缘结构，纸板具有良好的绝缘性能，相对介电系数约为3.72，变压器绝缘油所起的主要作用是绝缘和冷却的作用，绝缘油可以带走变压器运行过程当中产生的多余热量。
由绝缘纸和绝缘油构成的绝缘系统具有非常优秀的电气性能，在短时间的电压作用下，其耐压程度可达到50-120kV/mm，并且制造工艺非常便捷。
变压器绝缘油
最初的绝缘油是由石蜡构成的，不过在变压器老化发生之后，其形成了难以溶解的油泥，增加了绝缘油的粘度，并且吸热和传热性能也降低了许多，相对于石蜡来说，环烷烃油非常容易被氧化，但是其生成物易溶于绝缘油中，因此在电力系统当中运用的比较广。
原油的选择是绝缘油在制造过程当中非常重要的一环，原油精炼的程度、炼制过程、炼制工都会对最终产品中各成分的含量造成非常大的影响。
成品绝缘油是环烷烃、烷烃和芳香烃按照一定比例的构成的混合物，具有良好的电气特性、吸气性、化学稳定性。
变压器绝缘油中的环烷烃具有较好的化学稳定性和介电稳定性，周围温度的变化对其粘度影响很小，分子为封闭的环状链、结构严密、不易破坏，并且凝固点低、使用温度范围广、介质损耗因数小、介电强度高，但抗氧化性能稍差。
绝缘纸
绝缘纸的主要材料就是纤维素，这在之前章节已经讨论过，纤维素主要成分是由长链的糖和单糖组成，这种纤维素的含量并不纯，因为在木材和其他草本植物上很难找到百分百纯净的纤维素，一般来说，绝缘纸取材的源木料当中还包含约15%左右的木质素，纤维素的含量一般在55%左右，还有大约30%的为半纤维素。
在绝缘纸的制造过程当中，源木材首先要进行前化学处理，主要是除去其中广大木质素和半纤维素，常用的化学制剂为硫酸盐，经过化学处理之后，成品绝缘纸中纤维素含量达到80%-90%之间。
3.2影响变压器油纸绝缘老化的因素
变压器绝缘纸老化主要就是由于绝缘纸中的纤维素发生降解作用，通过X-射线对纤维素的研究，发现纤维素分子内部有一部分区域分子排列很有规律性，分子间排布很整齐，称之为结晶区，还有部分区域是呈现的无规则排布，分子间距不一，称之为无结晶区。
通常来说，降解作用一般发生在无结晶区，因为结晶区分子键比较稳定，分子间的作用力很大，因此所受的影响也比较小；而非结晶区分子之间的作用力薄弱，在环境、化学等多方面因素的影响下，降解作用也就越发的明显。
1）温度
温度是影响变压器绝缘系统老化的主要因素，绝缘纸的热稳定性比较差，在变压器运行过程当中，温度超过一XX以后，纤维素便会自动分解，分解出水分还有少量的CO与CO2，随着运行的时间加长，绝缘纸的老化程度也就越来越严重，变压器的大部分机械性能和电气性能都失效了，而纤维素自身抗老化性和稳定性都比较低，这也是绝缘纸最大的缺陷所在。
变压器运行过程当中热量也会随之上升，热降解使得纤维素分子键发生断裂，C-O键的热稳定性相对于绝缘油中的C-H键要弱许多，即使处于正常的温度环境下，C-O键也很容易断裂。
变压器运行产生的热量会引起绝缘纸的温度上升，在上个世纪三十年代，国外专家曾经提出过十度法则，他们经过试验研究发现，变压器的运行温度每增加十度，则其使用寿命就会降低一半。
变压器在运行时，铁芯及绕组中有能量损耗，这些能量损耗一方面影响变压器运行时的效率;另一方面，损耗转变为热能，引起变压器的发热。
当变压器内部有热量产生时，变压器的温度将升高。
当变压器的温度高于冷却介质的温度时，就开始向冷却介质散发出热量。
散热的快慢取决于变压器温度与冷却介质的温度之差和变压器的散热能力。
在一定条件下，温度差愈大，散热愈快。
因此，在一定的负载下，变压器的温度将逐渐升高，直到散出去的热量等于产生的热量时，温度就不再升高，并保持一定的对冷却介质的温升值。
变压器的温升对它的运行有很重要的影响，最主要的是对绝缘材料的影响。
过高的温度将使绝缘材料破坏而失去绝缘能力，或缩短它的有效使用寿命，另外，温度升高将增大绕组的电阻，因而使铜耗增加。
因此，必须使变压器在额定负载时各部分的温度不超过绝缘材料所允许的数值。
要降低温升，可以从两方面着手:
一方面在设计制造时努力设法提高变压器的效率，减少损耗;另一方面是提高变压器的散热能力，使它更有效地冷却。
而散热能力与变压器的结构布置和所采用的冷却方式有关，因此，如何加强冷却，使热量能更好地散发出来，是一个有重要意义的问题。
应该指出，对于温升和冷却的问题，必须全面来考虑。
一方面，不能认为温升越低越好。
这是因为一定的绝缘材料可以运行在一定的温升，温升过低说明有效材料没有被充分利
用，或者说明采用了不必要的太强的冷却措施，而这些都是不经济的。
此外，如果采用能耐较高温度的绝缘材料，则可以使变压器运行在较高的温度，更多地节约有效材料，但绝缘材料的成本可能较高。
另一方面，决定可以允许的总损耗的因素，有时不是温升的限制，而是对变压器效率的要求，后者是由动力经济的观点来决定的，这时温升已不是关键问题，因此，温升和冷却的问题必须从节约关键材料和全面的经济观点来统一加以考虑。
2）电场
在电场的作用下，变压器绝缘纸会发生老化，这是影响变压器绝缘系统老化的主要因素之一。
一般来说，变压器油纸绝缘结构的老化程度取决于其局部放电的累积程度。
变压器在生产制造的过程当中采取了压力浸油的工艺，但是在变压器内部绝缘结构或者一些死角处仍旧会存在一些褶皱和气泡，在局部放电的作用下，这些气泡会发生崩溃，从而出现了游离在外的许多电子，这些电子在电场的作用下以一定的动能去冲击C-H，C=C等稳定的化合物分子键，从而破坏了有机物的结构。
另外，电场会加速绝缘油降解，从而形成酸性特征物，这些特征物会沉积在绝缘纸的表层，加速了变压器绝缘系统老化的速度。
3）水分
水分是决定着变压器绝缘系统老化的关键性因素，主要原因在于变压器绝缘油容易吸收空气的水分，而水分在绝缘油中的溶解度是与温度相关的。
绝缘纸中的纤维素降解产生的羧基对溶液具有极强的亲和力，很容易发生水解反应，另外纸板的吸湿能力要比绝缘油大很多。
研究表明，油纸绝缘中初始所含的水分越多，对降解的促进作用也就越强。
油纸绝缘老化的过程是伴随着水分的生成的，随着变压器绝缘系统老化程度的加剧，水分也越来越多，当水分量积累到一定程度以后，油纸绝缘的使用寿命也就到了终点了。
由于水是一种极性很强的化合物，容易向高电场区聚集，因此在变压器最危险的高场强地带聚集了许多的水分，这很容易形成极性通路，导致了变压器的故障率大大提高。
4）氧气
氧气对油纸绝缘老化的影响与水分是类似的，都起着关键性的作用，绝缘纸中的纤
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