不同烴組成變壓器油基礎(chǔ)油的直流電場擊穿性能研究

于會民，盧新玲，張培恒，王會娟

(1.中國石油蘭州潤滑油研究開發(fā)中心，新疆 克拉瑪依 834003；2.中國石油潤滑油重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

不同烴組成變壓器油基礎(chǔ)油的直流電場擊穿性能研究

于會民1，2，盧新玲1，張培恒1，2，王會娟1，2

(1.中國石油蘭州潤滑油研究開發(fā)中心，新疆 克拉瑪依 834003；2.中國石油潤滑油重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

簡要介紹國內(nèi)外評定變壓器油擊穿特性的試驗(yàn)方法。在高壓直流電場下，考察了電場均勻性與測量結(jié)果的相關(guān)性，以及不同烴組成變壓器油基礎(chǔ)油的擊穿特性；在極不均勻直流電場下，考察不同類型芳烴含量與油擊穿特性的相關(guān)性。研究結(jié)果表明：在極不均勻直流電場下，變壓器油的擊穿電壓與其烴組成有極大的相關(guān)性，變壓器油芳烴含量越高，正負(fù)極性擊穿電壓越低，在相同電極間隙下負(fù)極性擊穿電壓高于正極性擊穿電壓，電極間隙越大，這種差異越大；單環(huán)芳烴對變壓器油直流擊穿電壓沒有負(fù)面影響，雙環(huán)及多環(huán)芳烴對變壓器油直流擊穿電壓有明顯的負(fù)面影響。

變壓器油 換流變壓器 直流電場 烴組成 芳烴 擊穿電壓

變壓器油在換流變壓器中有著廣泛的應(yīng)用，其在直流電場下?lián)舸┨匦缘暮脡氖菦Q定換流變壓器安全運(yùn)行的主要因素之一。在“十一五”期間，我國電力設(shè)備制造商完成±800 kV電壓等級換流變壓器的研制，廣泛用于特高壓直流輸電項(xiàng)目，如云南楚雄至廣州和四川向家壩至上?！?00 kV特高壓直流輸電工程等[1-2]。在“十二五”期間，將開展±1 100 kV電壓等級換流變壓器的研制，以滿足特高壓直流輸電項(xiàng)目的建設(shè)需求，如±1 100 kV哈密-鄭州和新疆準(zhǔn)東-重慶等輸電項(xiàng)目[3]。換流變壓器是直流輸電系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，也是交、直流輸電系統(tǒng)聯(lián)接兩端換流站和逆變站的核心設(shè)備。換流變壓器的絕緣結(jié)構(gòu)由油、紙和紙板的復(fù)合絕緣材料構(gòu)成，與一般的電力變壓器相比，換流變壓器閥側(cè)在運(yùn)行時(shí)不但承受交流電壓和沖擊電壓作用，還要承受直流電壓作用[4]。因此，要求其絕緣用油不僅在交流電場和沖擊電壓下具有很好的絕緣性能，還要在直流電場具有很強(qiáng)的抗擊穿能力。

換流變壓器的絕緣用油都是礦物型變壓器油，礦物型變壓器油大多數(shù)都是由基礎(chǔ)油和添加劑組成，變壓器油中基礎(chǔ)油組分的差異是決定變壓器油擊穿特性的主要因素。變壓器油的基礎(chǔ)油由含量不同的鏈烷烴、環(huán)烷烴和芳烴組成[5]。研究不同烴組成變壓器油在直流電場下的擊穿特性對變壓器油質(zhì)量改進(jìn)具有重要的指導(dǎo)意義。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

由于環(huán)烷基油具有良好的氧化安定性和溶解性能，超高壓或特高壓換流變壓器中使用的變壓器油均為環(huán)烷基油。因此，重點(diǎn)選擇幾種烴組成不同的環(huán)烷基變壓器油基礎(chǔ)油和幾種不同類型的芳烴作為試驗(yàn)材料。試驗(yàn)材料及其性質(zhì)見表1和表2。

表1 變壓器油性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)設(shè)備及方法

目前，國內(nèi)外變壓器油規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)普遍采用的評價(jià)變壓器油擊穿特性的試驗(yàn)方法主要有兩類：一類是交流(工頻)電場下?lián)舸╇妷簻y定法；另一類是在脈沖沖擊電場下?lián)舸╇妷涸囼?yàn)法。在國內(nèi)外普遍采用的工頻下?lián)舸╇妷簻y定法有DL 429.9—1991，GB/T 507，IEC60156，ASTM D877，ASTM D1816等方法，其中DGB/T 507是等效采用IEC60156制訂的；脈沖沖擊擊穿電壓測定法有DL/T418—1991，GB/T 21222—2007，IEC60897—1987，ASTM D3300—2012，其中DL/T418—1991和GB/T 21222—2007都是等效采用IEC60897制訂的。

表2 試驗(yàn)所用芳烴類型

鑒于GB/T 507，ASTM D877，ASTM D1816是在稍均勻電場下建立變壓器油的擊穿電壓測試方法；GB/T 21222—2007和ASTM D3300—2012是在極不均勻電場下建立變壓器油的雷電沖擊擊穿電壓測試方法，本課題將在高壓直流電壓下考察電場均勻性與油擊穿電壓的相關(guān)性，并進(jìn)行試驗(yàn)方法的建立和應(yīng)用研究。

試驗(yàn)系統(tǒng)由試驗(yàn)電源和電極杯組成，如圖1所示。其原理是：利用不同曲率半徑的針對球電極將逐級增加的正負(fù)極性直流電壓加到油樣上直到發(fā)生擊穿，共進(jìn)行6次試驗(yàn)，將測得的擊穿電壓平均值作為待測樣品的擊穿電壓。為了提高測試的重復(fù)性，減少對試樣的破壞性，保護(hù)電阻選取1 MΩ，過流保護(hù)設(shè)置為100 μA。試驗(yàn)電源由直流高壓發(fā)生器和控制系統(tǒng)組成，采用中頻倍壓電路、PWM脈寬調(diào)制技術(shù)和大功率IGBT器件，使輸出的直流高壓穩(wěn)定性高、紋波小，采用故障采樣專用的傳感器，納秒級光隔離元件，一般在10 μs可完全關(guān)斷直流主回路，保證在發(fā)生擊穿或放電短路的情況下，不損壞功率器件；采用D1～D6組成的自動反轉(zhuǎn)硅堆技術(shù)實(shí)現(xiàn)電壓極性的自動切換功能。設(shè)計(jì)了絕緣水平達(dá)到250 kV，用于盛放試驗(yàn)樣品的試驗(yàn)電極杯。電極采用不銹鋼或銅材料，組成針對球電極結(jié)構(gòu)，并分別固定于試驗(yàn)電極杯的兩端，電極可水平方向調(diào)節(jié)以改變電極間隙距離。根據(jù)電源的穩(wěn)定輸出范圍，針-球間隙距離可調(diào)節(jié)范圍為1～20 mm，測試樣品要充滿電極杯且浸沒電極杯，如圖2所示。

圖1 試驗(yàn)電路圖

圖2 250 kV試驗(yàn)電極杯

2 結(jié)果與討論

采用上述直流擊穿電壓試驗(yàn)設(shè)備研究變壓器油的烴組成及不同類型芳烴含量與其直流擊穿電壓的關(guān)聯(lián)性。

2.1 樣品的烴組成對比分析

礦物型變壓器油的烴組成分析采用兩種方法。一是碳型分析，采用n-d-v法；另一個(gè)是族組成分析，采用氣質(zhì)聯(lián)用色譜法(GC-MS)。碳型分析是將復(fù)雜的礦物型變壓器油簡單地看成是由鏈烷烴、環(huán)烷烴和芳烴組成的單一分子，其中CA指芳香碳原子占總碳原子的百分?jǐn)?shù)，CN指環(huán)烷碳原子占總碳原子的百分?jǐn)?shù)，CP指鏈烷烴碳原子占總碳原子的百分?jǐn)?shù)。本課題所用變壓器油的基礎(chǔ)油烴組成分析結(jié)果見表3。

表3 變壓器油的基礎(chǔ)油烴組成分析結(jié)果

由表2可知，變壓器油1的CA值為16.2%，總芳烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)為34.6%，屬于典型的淺度精制的高芳烴變壓器油；變壓器油2的CA值為5.5%，總芳烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)為13.1%，屬于典型的適度精制的中等芳烴變壓器油；變壓器油3的CA值為0，總芳烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0，屬于典型的深度精制的無芳烴變壓器油。3種變壓器油飽和烴中鏈烷烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)均小于15%、環(huán)烷烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)均超過50%，是典型的環(huán)烷基油。

2.2 試驗(yàn)方法的重復(fù)性考察

在直流電場下變壓器油擊穿電壓測量方法需要采用兩種電場類型進(jìn)行性能比較。電場按均勻性可分為均勻電場、稍均勻電場和極不均勻電場，實(shí)際工程應(yīng)用中主要存在的是稍均勻電場和偶爾出現(xiàn)的極不均勻電場。球?qū)η蛐碗姌O結(jié)構(gòu)通常構(gòu)成稍均勻電場，本試驗(yàn)選擇小球電極半徑r=5 mm，大球電極半徑R=6 mm，簡化為r∶R=5∶6。針對球型電極結(jié)構(gòu)通常構(gòu)成極不均勻電場，選擇針電極曲率半徑r=0.1 mm，大球電極半徑R=6 mm，簡化為r∶R=0.1∶6。以3種變壓器油作為測試樣品，進(jìn)行直流擊穿電壓測試，升壓速率為3.0 kVs，間隔靜置時(shí)間為2 min，電極間隙為10 mm，一個(gè)樣品連續(xù)檢測6次，考察兩種形式下所建立方法的重復(fù)性，結(jié)果見表4和表5。

由表4可知：在極不均勻電場下，電極間隙在10 mm時(shí)，3種變壓器油正極性擊穿電壓范圍為55.0～65.0 kV，6次測量結(jié)果的相對偏差范圍為6.1%～10.0%；負(fù)極性擊穿電壓范圍為-104.6～-164.2 kV，6次測量結(jié)果的相對偏差范圍為6.2%～9.3%。由表5可知：稍均勻電場下，電極間隙在10 mm時(shí)，3種變壓器油正極性擊穿電壓范圍為133.1～199.0 kV，6次測量結(jié)果的相對偏差范圍為7.3%～8.8%；負(fù)極性擊穿電壓范圍為-169.9～-243.2 kV，6次測量結(jié)果的相對偏差范圍為2.5%～3.7%。整體上看，在兩種電場類型下試驗(yàn)結(jié)果的重復(fù)性好，平均相對標(biāo)準(zhǔn)偏差在10%以下。

表4 極不均勻電場下變壓器油樣品的正負(fù)極性擊穿電壓

表5 稍均勻電場下變壓器油樣品正負(fù)極性擊穿電壓

2.3 電場均勻性與不同烴組成變壓器油擊穿特性的相關(guān)性

以3種變壓器油樣品為試驗(yàn)材料，考察電場均勻性與不同烴組成變壓器油擊穿特性的相關(guān)性。低壓電極(接地線電極)采用半徑R為6.0 mm球電極，高壓電極分別采用曲率半徑r分別為0.1，0.5，1.0，1.5，2.5，5.0 mm的針電極，組成不同均勻性的電場。在電極間隙為5 mm和10 mm的條件下，3種不同烴組成的變壓器油基礎(chǔ)油的正負(fù)極性直流擊穿電壓，試驗(yàn)結(jié)果見圖3和圖4。

圖3 3種油在5 mm間隙下正負(fù)擊穿電壓對比■—正電壓變壓器油1； ●—正電壓變壓器油2；▲—正電壓變壓器油3； —負(fù)電壓變壓器油1；—負(fù)電壓變壓器油2； —負(fù)電壓變壓器油3。 圖4同

圖4 3種油在10 mm間隙下正負(fù)擊穿電壓對比

由圖3和圖4可知，隨著電極半徑比值減小，電場從稍均勻電場向極不均勻電場轉(zhuǎn)變，3種變壓器油的正極性和負(fù)極性擊穿電壓值均減小，變壓器油1和變壓器油2的負(fù)極性擊穿電壓逐漸高于正極性擊穿電壓，且3種油的負(fù)極性擊穿電壓的差異越來越明顯。說明在極不均勻電場下反映出了變壓器油直流擊穿電壓的極性效果，隨著電極間隙的增加，這種效果表現(xiàn)得更明顯。

結(jié)合表2的烴組成分析結(jié)果可知：變壓器油1、變壓器油2和變壓器油3的CA值從高到低，在極不均勻電場下，相同電極間隙時(shí)的負(fù)極性擊穿電壓則是從低到高，電極間隙越大，這種差異也越大；在相同電極間隙下，負(fù)極性擊穿電壓都高于正極性擊穿電壓，負(fù)極性擊穿電壓隨著電極間隙增加而增加的幅度大于正極性擊穿電壓的增加幅度，這種現(xiàn)象被稱為極性效應(yīng)。CA值越低的樣品，芳烴含量越低，這種現(xiàn)象越明顯，由此說明，隨著變壓器油中芳烴含量的降低，其極性效應(yīng)增大，在負(fù)極性直流電場下抗擊穿的能力增強(qiáng)。在極不均勻電場下(r∶R=0.1∶6)，能夠很好地區(qū)分不同組成變壓器油擊穿電壓的差異性。

2.4 不同類型的芳烴對油直流擊穿電壓的影響

以變壓器油3為基礎(chǔ)油，考察不同類型的芳烴與變壓器油直流擊穿電壓的關(guān)聯(lián)性。

低壓電極(接地線電極)采用半徑R為6.0 mm的球電極，高壓電極采用曲率半徑r為0.1 mm的針電極，組成極不均勻性的電場。在電極間隙為5 mm和10 mm的條件下，考察不同類型芳烴調(diào)合方案的變壓器油基礎(chǔ)油的正負(fù)極性直流擊穿電壓，試驗(yàn)結(jié)果見圖5～圖10。

圖5 單環(huán)芳烴烷基苯對不同間隙下正負(fù)擊穿電壓的影響■—正電壓，間隙5 mm； ●—正電壓，間隙10 mm；▲—負(fù)電壓，間隙5 mm； 負(fù)電壓，間隙10 mm。 圖6～圖10同

圖6 雙環(huán)芳烴甲基萘對不同間隙下正負(fù)擊穿電壓的影響

圖7 雙環(huán)芳烴苊對不同間隙下正負(fù)擊穿電壓的影響

圖8 雙環(huán)芳烴芴對不同間隙下正負(fù)擊穿電壓的影響

圖9 三環(huán)芳烴菲對不同間隙下正負(fù)擊穿電壓的影響

圖10 二苯并噻吩對不同間隙下正負(fù)擊穿電壓的影響

由圖5～圖10可知：單環(huán)芳烴烷基苯對變壓器油正負(fù)極性的直流擊穿電壓都沒有明顯的負(fù)面影響；在正極性直流電場下，隨著苊、芴和二苯并噻吩加入量的增加，變壓器油的擊穿電壓降低，10 mm間隙下表現(xiàn)得比較明顯，甲基萘和菲的加入對變壓器油正極性擊穿電壓沒有明顯的負(fù)面影響；在負(fù)極性直流電場下，隨著甲基萘、苊、芴、菲和二苯并噻吩加入量的增加，變壓器油的擊穿電壓降低，10 mm間隙下表現(xiàn)得更加明顯，說明雙環(huán)芳烴、三環(huán)芳烴和苯并噻吩對變壓器油的擊穿電壓有明顯的負(fù)面影響。

3 結(jié) 論

(1) 在稍均勻電場和極不均勻電場下，變壓器油在直流電場下?lián)舸╇妷簻y試結(jié)果的重復(fù)性好，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差在10%以下。

(2) 在稍均勻電場和極不均勻電場下，變壓器油的正負(fù)極性直流擊穿電壓隨著電極間隙的增大而增加，相同電極間隙下，負(fù)極性擊穿電壓高于正極性擊穿電壓。

(3) 在極不均勻電場下，變壓器油表現(xiàn)出明顯的極性效應(yīng)。變壓器油的正負(fù)極性直流擊穿電壓與其烴組成具有相關(guān)性，變壓器油芳烴含量越高，正負(fù)極性直流擊穿電壓越低。

(4) 單環(huán)芳烴對變壓器油直流擊穿電壓沒有負(fù)面影響；雙環(huán)芳烴、三環(huán)芳烴和苯并噻吩對變壓

器油的擊穿電壓有明顯的負(fù)面影響。

[1] 傅鐵軍，王健，鐘俊濤，等.直流輸電±800 kV換流變壓器的絕緣結(jié)構(gòu)分析[J].變壓器，2009，46(3)：1-5

[2] 羅青林.關(guān)于800 kV換流變壓器主絕緣研究[J].變壓器，2009，46(11)：7-9

[3] 孫優(yōu)良，李文平.±1 100 kV特高壓換流變壓器的主絕緣結(jié)構(gòu)[J].電力建設(shè)，2012，33(12)：87-90

[4] 李軍浩，顧朝敏，孫振權(quán)，等.換流變壓器閥側(cè)絕緣承受電壓類型及含量分析[J].陜西電力，2011(10)：1-3

[5] 于會民，王會娟，馬書杰，等.變壓器油基礎(chǔ)油烴組成與其脈沖擊穿電壓和電阻率的關(guān)聯(lián)性研究[J].絕緣材料，2012(4)：49-52

STUDY ON PERFORMANCE OF ELECTRIC BREAKDOWN OF TRANSFORMER OIL WITH DIFFERENT COMPOSITIONS IN DC FIELD

Yu Huimin1，2， Lu Xinling1， Zhang Peiheng1，2， Wang Huijuan1，2

(1.LanzhouLubricatingOilR&DInstitute，CNPC，Karamay，Xinjiang834003； 2.LubricatingOilKeyLaboratory，CNPC)

The breakdown characteristics of transformer oils in DC electric field are one of the key factors to decide the safe operation of equipment. In this paper， the breakdown voltages test methods of transformer oils at home and abroad are briefly introduced. In HVDC electric field， the relevance of electric field uniformity and breakdown voltage， and the performance of electric breakdown of transformer oils with different hydrocarbon compositions as well as the relations between types of aromatics and their content and breakdown characteristics in uneven DC field are investigated. The results show that in uneven electric field， breakdown voltage of transformer oils has a great correlation with their hydrocarbon composition. The higher the aromatic hydrocarbon content in transformer oil， the lower the breakdown voltages in positive and negative polarity. Under the same electrode gap， the negative polarity breakdown voltage is higher than the positive polarity breakdown voltage of transformer oils. The breakdown voltage of transformer oils increases in direct ratio with the increase of electrode gap. The content of polycyclic aromatic hydrocarbons is the key factor affecting DC breakdown voltage of transformer oil； while monocyclic aromatics do not negatively affect the DC breakdown voltage.

transformer oil； converter transformer； DC electric field； hydrocarbon composition； aromatics； breakdown voltage

2014-02-17； 修改稿收到日期： 2014-04-10。

于會民，碩士，高級工程師，主要從事變壓器油的產(chǎn)品研制和性能檢測工作，發(fā)表論文數(shù)篇。

于會民，E-mail：yuhuimin_rhy@petrochina.com.cn。