高壓交流、直流電場下變壓器油氧化安定性試驗臺架的建立

張 綺，馬書杰，于會民，張培恒

（中國石油蘭州潤滑油研究開發(fā)中心 中國石油潤滑油重點實驗室 （克拉瑪依），新疆 克拉瑪依834003）

在電網(wǎng)輸送技術(shù)與工程中，電力變壓器和換流變壓器是交流和直流輸電系統(tǒng)的核心設(shè)備，其運行狀態(tài)直接影響系統(tǒng)的安全穩(wěn)定。變壓器的安全可靠性主要取決于其絕緣性能，換流變壓器與電力變壓器都是采用油紙絕緣結(jié)構(gòu)，都要承受交流電壓、雷電沖擊電壓和操作過電壓的作用，且換流變壓器閥側(cè)繞組還承受直流、直流疊加交流和極性反轉(zhuǎn)電壓的作用［1］，因此作為電力變壓器和換流變壓器中主要絕緣材料的變壓器油，除了要求具備較好的電氣性能外，還應(yīng)具備較好的交流或直流電場下的氧化安定性。

由于變壓器油特有的性質(zhì)和組成結(jié)構(gòu)，在運行期間變壓器油受到高壓交流電場、直流電場、交直流疊加電場、高溫、空氣及鐵芯、銅、銀等金屬的催化作用會發(fā)生氧化，氧化產(chǎn)生的酸物質(zhì)腐蝕固體絕緣材料，繼而生成油泥沉積于鐵芯及線圈表面又造成固體絕緣層傳熱差、溫升高，使固體絕緣材料老化裂解，嚴重威脅電力設(shè)備的長周期運行。因此，要求變壓器油具有優(yōu)良的氧化安定性。目前，變壓器油氧化安定性評定方法很多（如NB/SH/T 0811，SH/T 0206，ASTM D2440，IEC61125方法等），采用相似的原理，即在規(guī)定的溫度、試驗周期下，在銅的催化作用下，通入氧氣或空氣進行氧化試驗，通過測定氧化后油的酸值和沉淀或介質(zhì)損耗因數(shù)的大小來判定變壓器油的氧化安定性。另外還可采用快速評定方法，如差示掃描量熱儀法（IEC62036）和旋轉(zhuǎn)氧彈法（SH/T 0193、ASTM D2112）。以上這些方法的最大缺陷是試驗條件與變壓器的運行工況相差較大，沒有考慮高壓電場對氧化的影響，其評定的結(jié)果很難反應(yīng)出變壓器油在實際設(shè)備中的氧化進程。

美國Doble公司提出一種變壓器油的無沉淀時間測試方法，在氧化過程中連續(xù)地周期測量和記錄樣品的介質(zhì)損耗因數(shù)變化趨勢，以介質(zhì)損耗因數(shù)的增加值作為判定值。該方法的氧化原理與NB/SH/T 0811和IEC61125的原理相近，主要不同點是外接了一個功率因數(shù)測量儀，能夠在線監(jiān)測試驗樣品的介質(zhì)損耗因數(shù)。日本三菱公司也采用類似的試驗方法，在氧化過程中連續(xù)地周期測量介質(zhì)損耗因數(shù)變化趨勢。這兩種方法與傳統(tǒng)的氧化安定性評定方法一樣，都不能反應(yīng)出在電場作用下變壓器油的氧化安定性能。

本課題在對國內(nèi)外變壓器油氧化臺架試驗裝置調(diào)查研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計并建立一套變壓器油帶電運行臺架，提供一種在高壓交流或直流電場下評定變壓器油氧化安定性的模擬試驗方法；在實驗室采用該裝置對幾種不加劑變壓器油進行交流、直流電場下的臺架氧化試驗。

1 高壓交流、直流電場下變壓器油氧化安定性試驗臺架的建立

我國早期為了考察國產(chǎn)變壓器油工業(yè)應(yīng)用的可行性，首次設(shè)計制造了變壓器油臺架試驗裝置，該試驗裝置由控制柜和試驗臺兩部分組成，其工作原理是：通過在變壓器油中設(shè)置裸露的、有載荷的特殊性能參數(shù)的變壓器，使變壓器油與變壓器充分接觸，在模擬變壓器油實際工作中存在的有氧、高溫、電場、金屬、絕緣材料的應(yīng)用環(huán)境基礎(chǔ)上，通過技術(shù)手段強化試驗備件，使變壓器油加速氧化反應(yīng)而快速劣化，來模擬現(xiàn)場變壓器設(shè)備的工作狀態(tài)［2］。該設(shè)備為交流電場條件下評定變壓器油氧化安定性的臺架試驗，在超高壓變壓器油研制過程中發(fā)揮了重要作用，但是，就目前發(fā)展狀況而言存在以下不足：①只能在交流電場下評定變壓器油的抗氧化性能，不能在直流電場下評定；②電場強度為固定值，不能調(diào)整，且電場強度較??；③通入的氧氣無分配管，導致氧氣在試驗油樣中分布不均勻，不能實現(xiàn)全部試驗油樣的均勻氧化；④將氧化后變壓器油的酸值達到規(guī)定指標時所需時間作為“氧化壽命”，與變壓器油作為絕緣用油的運行工況不符，不能直接體現(xiàn)變壓器油絕緣性能的下降趨勢和程度；⑤受當時技術(shù)水平限制，自控水平低，測量過程不能實現(xiàn)自動測量和數(shù)據(jù)自動采集。

針對目前變壓器油氧化安定性評定臺架方法的不足，以及我國高壓交流變壓器和換流變壓器的發(fā)展狀況，中國石油蘭州潤滑油研究開發(fā)中心新開發(fā)了一套在高壓交流或直流電場下評定變壓器油抗氧化性能的模擬試驗臺架裝置，臺架裝置控制系統(tǒng)示意見圖1，該裝置主要包括計算機控制系統(tǒng)、控制柜和試驗臺。該裝置的試驗原理是：變壓器油在高溫和高壓交流或直流電場下，與380V/220V降壓變壓器充分接觸，同時通入一定量的空氣，使變壓器油加速氧化，并利用在線監(jiān)測變壓器油的介質(zhì)損耗因數(shù)的技術(shù)，監(jiān)測介質(zhì)損耗因數(shù)達到規(guī)定值時所需要的時間，考察變壓器油的氧化安定性能。

圖1 臺架裝置控制系統(tǒng)示意

2 試 驗

2.1 變壓器油帶電運行臺架試驗條件

為了與實際運行工況更為接近，確定了變壓器油帶電運行臺架的關(guān)鍵試驗條件：①試驗溫度為90℃，與目前GB 2536—2011變壓器油標準［3］和GB/T 7595—2008運行油質(zhì)量標準［4］中介質(zhì)損耗因數(shù)檢測溫度相同；②通空氣量為100mL/min，通空氣是為了與變壓器實際運行環(huán)境更為接近；③運行油質(zhì)量標準GB/T 7595中規(guī)定500kV以上電壓等級的變壓器油介質(zhì)損耗因數(shù)達到0．02時就需要換油，因此，以氧化油的介質(zhì)損耗因數(shù)達到0．02時所需的時間來表示其“使用壽命”；④在無局部放電的條件下，在中部出線超高壓變壓器的主絕緣結(jié)構(gòu)中，長期最高工作電壓時的許用場強一般要求小于4kV/mm，電壓等級越高，此值越小。對端部出線的絕緣結(jié)構(gòu)，此值要求小于2kV/mm［5］，因此，試驗電壓確定為20kV交流電壓或20kV直流電壓（即電場強度為2kV/mm），與設(shè)計的實際變壓器許用場強相接近。

確定的變壓器油帶電運行臺架試驗條件與早期臺架的試驗條件對比見表1。

表1 變壓器油帶電運行臺架與早期臺架試驗條件對比

2.2 試驗方案

分別在交流電場、直流電場和不加電場的條件下，考察幾種不加劑變壓器油（A，B，C）的氧化安定性，具體試驗方案見表2。

表2 變壓器油帶電運行臺架試驗方案

2.3 試驗樣品

幾種不加劑變壓器油試驗樣品的性質(zhì)見表3。從表3可以看出：3種樣品為同一黏度級別、芳烴含量不同的變壓器油，其中A為深精制石蠟基油，芳烴含量為0；B、C均為環(huán)烷基變壓器油，C的密度較大，芳烴含量最高。從旋轉(zhuǎn)氧彈試驗結(jié)果看，3種樣品的氧化安定性從好到壞的順序為A＞B＞C。但從NB/SH/T 0811氧化試驗結(jié)果看，B的氧化安定性最好，其次是A和C。這兩種氧化試驗結(jié)果均顯示芳烴含量高的C氧化安定性最差。

表3 試驗樣品性質(zhì)分析

3 結(jié)果與討論

3.1 不同樣品在交流、直流電場下的試驗結(jié)果

采用高壓交流、直流電場下變壓器油氧化安定性試驗臺架對變壓器油A，B，C進行氧化安定性試驗和重復試驗，以考察其氧化安定性，其中重復性試驗采用的試樣用下角標1、2區(qū)分。20kV交流電壓下變壓器油介質(zhì)損耗因數(shù)隨氧化時間的變化曲線見圖2；20kV直流電壓下變壓器油介質(zhì)損耗因數(shù)隨氧化時間的變化曲線見圖3；氧化油酸值見表4。

從圖2可以看出：在20kV的交流電壓下，隨氧化時間的增加，C的介質(zhì)損耗因數(shù)增長最快，說明其氧化速率最快；A與B的介質(zhì)損耗因數(shù)增加緩慢，在530h以前兩種樣品的氧化速率相近，而在接近試驗終點時A的介質(zhì)損耗因數(shù)增長較快，氧化速率變快，說明B的氧化安定性好于A。從圖3可以看出，在20kV直流電壓下，C的氧化速率也是最快，其次是A，而B的氧化速率最慢。以上直流和交流兩組臺架試驗結(jié)果均反映試驗樣品的氧化安定性從好到壞的順序是B＞A＞C，說明變壓器油帶電運行臺架能夠在不同電場類型下很好地區(qū)分變壓器油氧化安定性的優(yōu)劣，并且重復性較好。

從表4可以看出，無論是臺架氧化試驗還是NB/SH/T 0811氧化試驗，均表現(xiàn)為A的酸值最大，C次之，B的酸值最小。這是因為A屬于石蠟基油，直鏈烷烴含量高，在加速氧化的條件下更容易形成酸，因而其氧化后酸值很大。

圖2 20kV交流電壓變壓器油的介質(zhì)損耗因數(shù)隨氧化時間的變化—A1； —A2； —B1； —B2；—C1； —C2； —終點值。圖3同

圖3 20kV直流電壓變壓器油的介質(zhì)損耗因數(shù)隨氧化時間的變化

通過以上試驗可知：采用高壓交流、直流電場下變壓器油氧化安定性試驗臺架對不加劑變壓器油（芳烴含量不同）進行氧化安定性評價，CA值為3．7%的B氧化安定性最好，其次是CA值為0的A，而芳烴含量最高的C氧化安定性最差。

表4 變壓器油臺架氧化試驗酸值與NB/SH/T 0811氧化酸值對比

3.2 同一樣品在不同電場下氧化安定性臺架試驗

選用樣品C，考察變壓器油在交流電場、直流電場以及不加任何電場情況下的氧化安定性，不同電場下的介質(zhì)損耗因數(shù)和氧化酸值分別見圖4和表5。從圖4可以看出，變壓器油C在20kV交流電壓、20kV直流電壓、不加電壓的介質(zhì)損耗因數(shù)曲線有明顯區(qū)別，其中交流電場下的介質(zhì)損耗因數(shù)隨氧化時間的增加增長最快，即氧化速率最快；其次是直流電場，而不加電場下的氧化速率最慢。從表5可以看出，不同類型電場下氧化后酸值基本在同一水平。以上試驗結(jié)果表明，芳烴含量較高的變壓器油在不同類型的電場下的氧化安定性有所不同，在交流電場下的抗氧化性能要比在直流電場下差，而不加任何電場時的氧化安定性最好，高壓電場對變壓器油氧化具有較強的加速作用。

圖4 樣品C在不同電場下的介質(zhì)損耗因數(shù)—交流電場； —直流電場； —不加電場； —終點值

表5 樣品C在不同電場下的氧化酸值

4 結(jié) 論

（1）在對國內(nèi)外變壓器油氧化臺架試驗裝置調(diào)查研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計并建立了一套變壓器油帶電運行臺架，提供一種在高壓交流或直流電場下評定變壓器油氧化安定性的模擬試驗方法。

（2）采用所建立的臺架裝置對幾種不加劑變壓器油進行交流、直流電場下的臺架氧化試驗，結(jié)果表明，無論是在交流電場還是直流電場，變壓器油帶電運行臺架均能夠很好地區(qū)分變壓器油氧化安定性的優(yōu)劣。

（3）對于同一種變壓器油，在不同類型電場下所表現(xiàn)出的氧化安定性有所不同，通常在交流電場下的抗氧化性能要比在直流電場下差，而不加電場的變壓器油氧化安定性最好。

［1］ 聶德鑫．UHVDC換流變壓器油紙絕緣缺陷直流局部放電發(fā)展過程［J］．高電壓技術(shù)，2012，38（12）：3249-3260

［2］ 傅繼瑜．臺架評定技術(shù)在變壓器油抗氧化性能評價中的應(yīng)用［J］．石油商技，2010，（6）：21-23

［3］ GB 2536，電工流體變壓器和開關(guān)用的未使用過的礦物絕緣油［S］．2011

［4］ GB/T 7595，運行中變壓器油質(zhì)量［S］．2008

［5］ 路長柏．電力變壓器絕緣技術(shù)［M］．哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社，1997：236