影響天然酯油變壓器絕緣性能因素分析

郭獻(xiàn)清，孫文藝，賀銀濤

（廣東明陽(yáng)電氣股份有限公司，廣東中山 528451）

0 引言

作為電力系統(tǒng)的設(shè)備之一，變壓器在電網(wǎng)中的安全平穩(wěn)運(yùn)行至關(guān)重要。目前油浸式變壓器應(yīng)用廣泛，其所用的液體絕緣介質(zhì)主要來(lái)源于從石油中提煉出的礦物絕緣油，雖然礦物絕緣油有著優(yōu)異的電氣絕緣性能、低溫流動(dòng)性能和抗氧化性能，但其降解性差，發(fā)生泄漏時(shí)容易造成水體污染，另外，廢棄的變壓器油中含有硫、磷、氯及重金屬等有毒有害物質(zhì)，且石油為不可再生能源，大量的廢棄礦物質(zhì)絕緣油不但會(huì)造成資源浪費(fèi)，而且會(huì)進(jìn)一步加劇環(huán)境惡化。隨著人們的環(huán)保意識(shí)逐漸加強(qiáng)，可持續(xù)發(fā)展理念深入人心，尋找能夠替代礦物絕緣油的環(huán)保型液體絕緣介質(zhì)已成為當(dāng)前變壓器領(lǐng)域研究的一個(gè)熱點(diǎn)。天然酯絕緣油是由油菜籽、葵花籽、棕櫚果、大豆等天然植物油料經(jīng)壓榨、精煉和脫酸等工藝制作而成，不但具有燃點(diǎn)、閃點(diǎn)高，安全防火性能滿足電力系統(tǒng)變壓器用油要求等優(yōu)點(diǎn)，而且自然降解率均在90%以上，即使發(fā)生變壓器油泄漏等問(wèn)題也不會(huì)對(duì)水源、土壤等產(chǎn)生嚴(yán)重的污染。因此天然酯油成為了礦物質(zhì)絕緣油良好的替代品。但天然酯油的主要成分為甘油三酸酯，與由烷烴、環(huán)烷烴和芳香烴等組成的礦物質(zhì)絕緣油在分子結(jié)構(gòu)、親水性等方面存在著較大的差異，其中含水量、酸值、雜質(zhì)顆粒等因素對(duì)絕緣性能的影響尤為顯著，給天然酯油變壓器在設(shè)計(jì)、運(yùn)行、維護(hù)等方面極大程度上增加了難度。因此，開(kāi)展影響天然酯油變壓器絕緣性能因素的研究，掌握改善天然酯油變壓器絕緣性能措施，對(duì)天然酯油變壓器設(shè)計(jì)、運(yùn)維以及大力推進(jìn)綠色電網(wǎng)的建設(shè)、減少石油資源浪費(fèi)和礦物質(zhì)絕緣油對(duì)環(huán)境的污染等多方面都具有重要意義。在此背景下，本文從水分、酸值、雜質(zhì)顆粒3 個(gè)方面綜述了影響天然酯油變壓器介質(zhì)損耗因數(shù)、擊穿電壓等絕緣性能的因素，并總結(jié)了近幾年改善天然酯油變壓器絕緣性能的研究進(jìn)展。

1 影響天然酯油變壓器絕緣作用的因素分析

1.1 水分對(duì)天然酯油絕緣性能的影響

評(píng)估油浸式電力變壓器絕緣狀態(tài)主要以油中含水量及分布狀況作為依據(jù)。當(dāng)絕緣油中水分含量超過(guò)允許范圍，此時(shí)隨著含水量的繼續(xù)增加，則會(huì)導(dǎo)致局部放電起始電壓和擊穿強(qiáng)度急劇下降，從而威脅變壓器的正常運(yùn)行、降低絕緣油紙的機(jī)械強(qiáng)度，加速熱老化速率，縮短變壓器絕緣系統(tǒng)的壽命。因此國(guó)家能源局針對(duì)不同電壓等級(jí)下的天然酯變壓器油含水量進(jìn)行了明確規(guī)定，其中，對(duì)于220 kV電壓等級(jí)的變壓器在投入運(yùn)行前含水量應(yīng)小于等于100 mg／kg，運(yùn)行中含水量應(yīng)不大于150 mg／kg。

由于天然酯油在分子組成、親水性等與礦物油存在著明顯差別，因此含水量對(duì)天然酯油的影響也與礦物絕緣油截然不同，從分子結(jié)構(gòu)上看，礦物質(zhì)油是由各種碳?xì)浠衔锼M成的混合物，主要包括烷烴、環(huán)烷烴、芳香烴和烯烴等，屬于憎水基團(tuán)；而天然酯油是由含羥基和羰基的甘油三酸酯分子構(gòu)成，屬于親水基團(tuán)。大量親水基團(tuán)的存在會(huì)顯著天然酯油的吸水性，從而使局部放電起始電壓和擊穿強(qiáng)度顯著降低。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)含水量在一定范圍內(nèi)，水分對(duì)擊穿強(qiáng)度及天然酯油浸紙板的電氣強(qiáng)度影響并不明顯，但當(dāng)含水量超過(guò)一定值時(shí)，天然酯油中水分達(dá)到相對(duì)飽和后，此時(shí)溶解水從油中析出轉(zhuǎn)變?yōu)榉稚⑺?，使油及油浸紙板的電?dǎo)率和介質(zhì)損耗因數(shù)不斷下降，進(jìn)而使得天然酯油變壓器的電氣強(qiáng)度迅速下降［1-2］。

變壓器油中溫度與水含量之間存在相互的耦合作用，即油溫的變化會(huì)影響油中水含量發(fā)生變化，導(dǎo)致變壓器油的絕緣強(qiáng)度變化。研究表明，溫度可以改變水分子的狀態(tài)，當(dāng)溫度下降到一定程度時(shí)，水分會(huì)逐漸以微小冰晶的形態(tài)存在于變壓器油中，隨著溫度進(jìn)一步降低，天然酯油的黏度、凝點(diǎn)等也會(huì)增大，不但影響變壓器的絕緣性能，其散熱性能也會(huì)大幅降低，甚至導(dǎo)致變壓器發(fā)生故障。當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)，油中水分含量也會(huì)隨之增大，天然酯油黏度過(guò)小便不能再對(duì)水分子產(chǎn)生束縛作用，進(jìn)而增加變壓器油中導(dǎo)電小橋形成的可能性，導(dǎo)致天然酯油變壓器的擊穿電壓不斷下降［3-4］。

天然酯油含水量上升會(huì)對(duì)變壓器的漏電流及損耗產(chǎn)生影響，損耗和漏電流的增加會(huì)導(dǎo)致變壓器運(yùn)行溫度升高，進(jìn)而使絕緣材料的老化加快，降低變壓器的使用壽命。油浸式電力變壓器的內(nèi)部絕緣材料多以含纖維素分子的纖維性材料為主，而纖維素是一種線性高分子聚合物，在高溫下，纖維素易發(fā)生水解，其水解增加的水分會(huì)對(duì)天然酯油的水解反應(yīng)產(chǎn)生促進(jìn)作用。宋浩永等［4］研究了天然酯油老化過(guò)程中的水分含量。結(jié)果表明，在老化期間，絕緣紙和絕緣油因老化速率的上升致使老化程度進(jìn)一步加深，過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量水分，油中含水量的提高會(huì)加快甘油三酸酯的水解反應(yīng)，從而降低絕緣材料的使用壽命。

當(dāng)油中含水量增加時(shí)，可通過(guò)氣相色譜檢測(cè)法觀察油中氣體含量，證實(shí)因天然酯油分解使天然酯油的電氣性能下降［5］?！短烊货ソ^緣油電力變壓器選用導(dǎo)則》明確指出，新設(shè)備投運(yùn)前天然酯絕緣油中C2H2含量應(yīng)不大于0.1 μL／L，且投運(yùn)前后兩次DGA檢測(cè)不應(yīng)有明顯的區(qū)別。研究表明，在放電條件下，天然酯油中初始含水量的增加會(huì)促進(jìn)天然酯油的分解，增加油內(nèi)C2H2、C2H6等氣體的含量，從而使得天然酯油的電氣強(qiáng)度和理化性能下降［6］。

從上述分析中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)天然酯油中的含水量達(dá)到相對(duì)飽和后，油溫升高會(huì)造成油中水分的體積分?jǐn)?shù)不斷增加，油及油浸紙板的電導(dǎo)率和介質(zhì)損耗因數(shù)不斷下降，致使變壓器的絕緣強(qiáng)度迅速下降，另外，變壓器中的纖維性絕緣材料發(fā)生水解會(huì)促使天然酯油的水解反應(yīng)，加速絕緣材料的老化，進(jìn)而延長(zhǎng)變壓器的使用壽命。因此，嚴(yán)格控制天然酯油中的含水量，可以保持天然酯絕緣油的穩(wěn)定性，確保變壓器可靠安全運(yùn)行。

1.2 酸值對(duì)天然酯油絕緣性能的影響

在變壓器運(yùn)行過(guò)程中，天然酯油易與空氣發(fā)生氧化反應(yīng)進(jìn)而產(chǎn)生大量脂肪酸。油中氫離子大量存在會(huì)促使天然酯油更不穩(wěn)定，還會(huì)對(duì)變壓器中的金屬結(jié)構(gòu)產(chǎn)生腐蝕作用，如銅、鐵、鋁等，腐蝕后產(chǎn)生的金屬離子可以進(jìn)一步促進(jìn)天然酯油發(fā)生降解，這一系列的反應(yīng)又會(huì)加速天然酯油的氧化過(guò)程，導(dǎo)致絕緣油的介質(zhì)損耗因素增大，降低變壓器的絕緣強(qiáng)度。張過(guò)有等［7］測(cè)試了在不同酸值下的天然酯油的溫度介電譜。其結(jié)果如圖1所示，對(duì)于不同酸值下的天然酯油，其相對(duì)介電常數(shù)都隨溫度升高而降低；當(dāng)絕緣油中的溫度不變時(shí)，酸值越高，天然酯油的相對(duì)介電常數(shù)越大。此外，天然酯油的老化和絕緣紙纖維素的水解均會(huì)產(chǎn)生酸性物質(zhì)。酸值升高不但會(huì)腐蝕變壓器中的金屬構(gòu)件，還會(huì)極大程度上增加天然酯油的導(dǎo)電性，從而使油的絕緣水平下降。當(dāng)纖維性絕緣材料長(zhǎng)期處于高溫環(huán)境中時(shí)會(huì)加劇材料的熱老化程度，進(jìn)一步降低變壓器的絕緣水平。實(shí)驗(yàn)表明，隨著熱老化時(shí)間的增加，天然酯油酸值的增加遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于礦物質(zhì)絕緣油，且老化溫度越高，酸值增加越快［8］。

圖1 不同酸值的天然酯絕緣油的相對(duì)介電常數(shù)與溫度的關(guān)系

因此，在天然酯油運(yùn)輸、貯藏和使用的過(guò)程中，應(yīng)盡量避免天然酯油與空氣的接觸，減緩設(shè)備中金屬構(gòu)件與空氣的氧化反應(yīng)，改善變壓器的絕緣特性，從而延長(zhǎng)變壓器的使用壽命［9］。

1.3 雜質(zhì)顆粒對(duì)天然酯油絕緣性能的影響

擊穿電壓、介質(zhì)損耗因數(shù)、體積電阻率均是表示變壓器油絕緣特性的重要參數(shù)。其中擊穿電壓可以直接反應(yīng)絕緣油中是否含有雜質(zhì)顆粒。實(shí)際應(yīng)用中，天然酯油在運(yùn)輸、貯藏、運(yùn)行的過(guò)程中會(huì)不可避免地混入含金屬、碳、纖維素等顆粒物雜質(zhì)。研究表明，天然酯油中纖維素顆粒雜質(zhì)的含量可達(dá)到總雜質(zhì)顆粒含量的90%以上。

天然酯油變壓器的絕緣性能會(huì)受到雜質(zhì)顆粒的影響發(fā)生明顯降低。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，天然酯油中雜質(zhì)含量增加會(huì)導(dǎo)致變壓器油的擊穿電壓下降，且在沖擊電壓下的作用下，變壓器油間隙沖擊擊穿電壓下降會(huì)越明顯。文獻(xiàn)［10-12］研究了含Cu、Fe、Ni、Zn、SiO2等雜質(zhì)顆粒對(duì)絕緣油擊穿電壓的影響。結(jié)果表明，雜質(zhì)顆粒含量與油液的擊穿電壓成反比關(guān)系，雜質(zhì)含量越高，其絕緣油的擊穿電壓值越小。且Cu、Ni 元素相比于其他雜質(zhì)顆粒對(duì)天然酯油的電氣性能、產(chǎn)氣量等影響更明顯。

由于纖維性材料的分子結(jié)構(gòu)中含有大量的糖醛酸和羥基，屬于多孔性結(jié)構(gòu)。因此纖維素雜質(zhì)顆粒會(huì)吸附大量水分。由于天然酯油與礦物質(zhì)絕緣油在分子結(jié)構(gòu)上的差異，在變壓器運(yùn)行過(guò)程中，天然酯油中的水分含量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于礦物絕緣油，因此可能導(dǎo)致更多的水分被變壓器內(nèi)纖維素雜質(zhì)顆粒吸附，在水分和纖維素雜質(zhì)顆粒的綜合作用下，天然酯油變壓器的絕緣性能會(huì)出現(xiàn)較大變化。張重遠(yuǎn)等［13］探究了纖維素雜質(zhì)與水含量綜合作用對(duì)天然酯油絕緣性能的影響，結(jié)果表明，天然酯油的相對(duì)介電常數(shù)會(huì)隨纖維素雜質(zhì)顆粒含量的增加而增加，直流電阻率隨雜質(zhì)顆粒含量的增加而降低，此外，水分含量對(duì)相對(duì)介電常數(shù)及直流電阻率的影響也與纖維素雜質(zhì)顆粒的影響相同，顯然，當(dāng)纖維素顆粒和水分含量綜合作用時(shí)會(huì)明顯加劇上述影響。

因此，在天然酯油灌裝、使用和運(yùn)行過(guò)程中，應(yīng)盡量避免雜質(zhì)顆粒進(jìn)入變壓器油中，尤其避免摻入含Cu和Zn元素的雜質(zhì)顆粒，另外，變壓器油紙絕緣系統(tǒng)中的纖維素材料老化后產(chǎn)生的纖維素顆粒會(huì)和水分共同作用對(duì)天然酯油的絕緣性能產(chǎn)生影響，適量的納米粒子的加入可以吸附天然酯油中的雜質(zhì)顆粒以及水分子，提升天然酯油的絕緣性能。

2 改善天然酯油變壓器絕緣作用的措施

2.1 降低天然酯油中水分、雜質(zhì)顆粒及酸值的措施

天然酯油變壓器由于擊穿導(dǎo)致的絕緣性能大幅下降與油中的雜質(zhì)小橋的形成密切相關(guān)。當(dāng)在天然酯油中加入適量亞微觀尺度的納米粒子時(shí)，納米粒子可以有效吸附水分、雜質(zhì)顆粒，并與天然酯油形成穩(wěn)定的溶膠體系，在外加電場(chǎng)的作用下，納米粒子的加入會(huì)降低油中形成導(dǎo)電小橋的可能性，從而提升變壓器的絕緣性能［14-17］。

研究發(fā)現(xiàn)，納米粒子可以降低油紙之間介電常數(shù)的差異，均化油紙之間電場(chǎng)強(qiáng)度的分布，并抑制了界面感應(yīng)電荷的產(chǎn)生，降低界面電荷對(duì)流注的吸引作用，從而緩解由于沿面流注體壓縮導(dǎo)致前端的電場(chǎng)畸變，提高沿面閃絡(luò)電壓。文獻(xiàn)［18-19］均通過(guò)添加TiO2納米粒子來(lái)改善變壓器油及其油紙絕緣結(jié)構(gòu)的絕緣性能。結(jié)果表明，TiO2納米粒子能夠提高變壓器油浸紙板的正、負(fù)極性沿面閃絡(luò)電壓，延長(zhǎng)閃絡(luò)時(shí)間，且隨著間隙沿面距離的增加，改性效果更加明顯。胡婷等［20］研究了SiO2納米粒子改性前后天然酯油的電氣性能，結(jié)果表明，SiO2納米粒子的加入可以明顯提高變壓器油的擊穿電壓和熱導(dǎo)率，降低介質(zhì)損耗因素。

當(dāng)天然酯油中的水含量超過(guò)一定范圍時(shí)，天然酯油的水解反應(yīng)會(huì)加劇油中酸值升高，反過(guò)來(lái)，油中酸值增加也會(huì)對(duì)天然酯油的水解反應(yīng)產(chǎn)生促進(jìn)作用，從而形成惡性循環(huán)。除了采用添加納米粒子來(lái)提升天然酯油的絕緣性能外，還需要對(duì)變壓器油中的含水量進(jìn)行嚴(yán)格控制，由于天然酯油在運(yùn)輸及貯藏過(guò)程中容易摻入水分，因此應(yīng)要求運(yùn)輸天然酯油的罐裝車能夠真空密封；在儲(chǔ)藏天然酯油的油罐中應(yīng)設(shè)置用于吸收水分的干燥劑和監(jiān)測(cè)含水量的儀器，如濕度檢測(cè)器等；當(dāng)天然酯油中水分含量超標(biāo)時(shí)，應(yīng)進(jìn)行真空加熱處理以去除水分，保證天然酯絕緣油在變壓器內(nèi)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2.2 優(yōu)化變壓器絕緣結(jié)構(gòu)

從變壓器設(shè)計(jì)角度看，由于天然酯油與礦物絕緣油在黏度、親水性、介電常數(shù)、tanδ等參數(shù)上存在明顯差異，因此也必將影響天然酯油變壓器的在絕緣結(jié)構(gòu)上的變化。

宋浩永等［21］以110 kV電壓等級(jí)天然酯油變壓器為研究對(duì)象，對(duì)變壓器在雷電沖擊電壓下的絕緣進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上對(duì)變壓器的絕緣結(jié)構(gòu)進(jìn)行了進(jìn)一步優(yōu)化，通過(guò)在油道上增加具有一定厚度軟紙筒、調(diào)整調(diào)壓繞組內(nèi)紙筒的高度等措施增大高壓繞組上端部與調(diào)壓繞組之間的絕緣距離，有效降低變壓器內(nèi)部的最大場(chǎng)強(qiáng)，提升絕緣強(qiáng)度，同時(shí)也可以避免發(fā)生沿面放電現(xiàn)象。改進(jìn)前后的絕緣結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 調(diào)整前后高壓與調(diào)壓繞組間結(jié)構(gòu)

韓金華等［22］針對(duì)容量的變壓器采取了不同的設(shè)計(jì)方案。315 kVA及以下小容量天然酯油配電變壓器的繞組結(jié)構(gòu)應(yīng)采用高低壓均為線繞層式結(jié)構(gòu)；315 kVA及以上大容量天然酯油配電變壓器的繞組結(jié)構(gòu)高壓應(yīng)采用層式結(jié)構(gòu)，低壓應(yīng)采用銅箔繞制結(jié)構(gòu)。

2.3 改進(jìn)變壓器絕緣材料

為保證天然酯油變壓器的整體性能，變壓器中所有除絕緣油以外的其他絕緣材料性能特別是高耐熱性能必須與天然酯油匹配，這些絕緣材料包括絕緣紙、絕緣板及墊板等，如表1所示。

表1 絕緣材料選擇

3 結(jié)束語(yǔ)

天然酯油相比礦物質(zhì)絕緣油具有更高的燃點(diǎn)及閃點(diǎn)、安全防火性好，同時(shí)擁有優(yōu)異的生物降解能力，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的污染，具有良好的發(fā)展前景，但天然酯油與礦物絕緣油的分子結(jié)構(gòu)、親水性等方面存在著較大的差異，造成水含量、酸值、雜質(zhì)顆粒等因素對(duì)天然酯油變壓器絕緣性能與礦物絕緣油也產(chǎn)生不同的影響，給天然酯油變壓器在設(shè)計(jì)、運(yùn)行及維護(hù)方面極大程度上增加了難度。因此，本文在分析影響天然酯油絕緣能力因素的基礎(chǔ)上，從改善天然酯油理化、電氣性能和變壓器絕緣結(jié)構(gòu)以及絕緣材料選擇上提高天然酯油變壓器的絕緣性能。主要結(jié)論如下。

（1）水含量、酸值、雜質(zhì)顆粒以及酯類油均會(huì)對(duì)變壓器的介質(zhì)損耗因數(shù)和擊穿電壓等絕緣性能產(chǎn)生一定的影響，但目前針對(duì)更高電壓等級(jí)的天然酯油變壓器絕緣性能改進(jìn)的研究相對(duì)較少，其含水量、酸值等指標(biāo)均是針對(duì)220 kV 及以下的天然酯油變壓器設(shè)立的。因此，未來(lái)隨著我國(guó)科研人員和企業(yè)等對(duì)天然酯油變壓器的進(jìn)一步研究，其用油標(biāo)準(zhǔn)等也會(huì)更加完善。

（2）實(shí)際變壓器運(yùn)行過(guò)程中，可以通過(guò)優(yōu)化變壓器絕緣結(jié)構(gòu)或采用更高耐壓、耐熱等級(jí)的固體絕緣材料來(lái)提高變壓器的絕緣性能。