新型抗老化混合油-紙板絕緣熱老化特性

廖瑞金　郭　沛,2　周年榮　夏桓桓　林元棣　柳海濱

新型抗老化混合油-紙板絕緣熱老化特性

廖瑞金1郭沛1,2周年榮3夏桓桓3林元棣1柳海濱1

（1. 輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（重慶大學(xué)） 重慶 400044 2. 國網(wǎng)寧波供電公司 寧波 315016 3. 云南電力實(shí)驗(yàn)研究院（集團(tuán)）有限公司電力研究院 昆明 650217）

為了促進(jìn)混合絕緣油向變壓器中推廣應(yīng)用，研究了可大規(guī)模批量化生產(chǎn)的新型抗老化混合絕緣油制備方法，并將該絕緣油與礦物油分別與絕緣紙板組成油紙絕緣進(jìn)行130℃加速熱老化實(shí)驗(yàn)，對比分析了其老化產(chǎn)物及介電、擊穿特性。結(jié)果表明：新型混合絕緣油性能基本滿足國標(biāo)GB 2536—2011要求，并能延緩油紙絕緣的老化；不同老化時間新型混合絕緣油及其浸絕緣紙板的擊穿電壓大部分高于相應(yīng)的礦物油及其浸絕緣紙板，老化初期兩種絕緣紙板擊穿電壓隨溫度的升高逐漸降低，老化后期兩種絕緣紙板擊穿電壓隨著溫度的升高先降低再升高；不同老化時間新型混合絕緣油及其浸絕緣紙板的介電常數(shù)和兩者介電常數(shù)比高于相應(yīng)的礦物油及其浸絕緣紙板，說明新型混合絕緣油提高了絕緣油和絕緣紙板電場分布均勻性，有利于變壓器制造的小型化。

新型混合絕緣油 絕緣紙板 熱老化 介電特性 擊穿電壓

0　引言

目前，電力系統(tǒng)中大部分電力變壓器都是用絕緣油來填充，絕緣油起到絕緣和散熱的作用[1]。變壓器油和絕緣紙一起成為變壓器內(nèi)絕緣的主要組成部分，二者在長期運(yùn)行過程中受到電、熱等因素影響逐漸老化，引起變壓器絕緣性能和機(jī)械性能的下降[2]。絕緣油的劣化會導(dǎo)致絕緣油吸濕性增加，含水量加大，絕緣性能下降，冷卻、散熱和滅弧性能大大降低。老化后產(chǎn)生的油泥會堵塞油道，影響散熱，同時也會加速變壓器內(nèi)部零件及絕緣元器件老化，從而縮短油和設(shè)備的壽命，嚴(yán)重時還會造成重大的設(shè)備事故[3]。因而，選用抗老化性能更好的絕緣油，從而有效提高油紙絕緣的絕緣性能以及延緩其老化，對變壓器長期安全穩(wěn)定運(yùn)行有著決定性影響。

電力變壓器中應(yīng)用最廣泛的絕緣油為礦物油，但礦物油屬于一次能源，其閃點(diǎn)和燃點(diǎn)低、水飽和度很低、生物降解性差。天然酯具有高閃點(diǎn)、高生物降解率以及良好的電氣性能等優(yōu)點(diǎn)，但存在凝點(diǎn)高、氧化安定性差、粘度和酸值大等問題[3]。兼顧礦物油和天然酯優(yōu)缺點(diǎn)，將礦物油與天然酯的優(yōu)勢互補(bǔ)，通過將兩種絕緣油按照一定工序混合起來組成混合絕緣油近年來受到了國內(nèi)外越來越多學(xué)者的關(guān)注。

文獻(xiàn)[1,3-5]對比分析了礦物油和酯按不同比例混合后的混合油的理化電氣性能，發(fā)現(xiàn)混合油中酯最佳添加比例為20%。但目前國內(nèi)外對混合絕緣油都是在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行少量研制，且國外所研制的混合油中的液體酯[4,5]并未進(jìn)行脫酸精煉處理，介質(zhì)損耗和酸值偏高；國內(nèi)所研制的混合油中天然酯采用是高成本的橄欖油，且未對其進(jìn)行脫色處理[1,3]。因此，如果研制出成本較低可批量化大規(guī)模生產(chǎn)且滿足國標(biāo)GB 2536—2011《電工流體 變壓器和開關(guān)用的未使用過的礦物絕緣油》要求的新型抗老化混合絕緣油，將對其推廣應(yīng)用具有深遠(yuǎn)意義。文獻(xiàn)[6,7]研究了混合油紙絕緣在熱老化過程中絕緣油和絕緣紙理化電氣參數(shù)特性，但不同老化時間混合油的擊穿電壓和介電特性、不同老化時間混合油浸絕緣紙板在不同溫度下的擊穿電壓和介電特性以及兩者之間相互關(guān)系的研究罕見報(bào)道。此外，目前國內(nèi)外在混合油紙絕緣熱老化實(shí)驗(yàn)中大多使用厚度在0.3mm及以下的用于纏繞繞組的絕緣紙，而實(shí)際變壓器油紙絕緣系統(tǒng)中1mm及以上厚的絕緣紙板占了較大比例。因此，抗老化混合油-紙板絕緣系統(tǒng)的熱老化特性將更具有重要的研究意義。

為了促進(jìn)混合絕緣油在變壓器中安全應(yīng)用，本文首先利用精煉菜籽油和礦物油，研究了成本較低，可大規(guī)模批量化生產(chǎn)的新型抗老化混合絕緣油制備方法，然后將新型混合絕緣油和礦物油分別與普通絕緣紙板組成油紙絕緣進(jìn)行130℃加速熱老化實(shí)驗(yàn)，最后對比分析了兩種油紙絕緣的老化產(chǎn)物及介電、擊穿特性。

1　試驗(yàn)流程

1.1試驗(yàn)材料及樣品的制備

試驗(yàn)材料：重慶市涪陵變壓器廠提供的1mm絕緣紙板，通過堿煉脫酸、吸附脫色和減壓蒸餾3個步驟精煉得到的菜籽絕緣油[8]、新疆克拉瑪依產(chǎn)的礦物絕緣油（25#變壓器油）和重慶川潤石化集團(tuán)提供的99.7%純度的無水乙醇（萃取劑）。

1.1.1 新型抗老化混合絕緣油的制備

綜合考慮國標(biāo)GB 2536—2011對絕緣油粘度、酸值的要求以及萃取降酸[3]的成本，新型抗老化混合絕緣油大規(guī)模批量化制備流程如下：首先利用無水乙醇先對精煉后的菜籽絕緣油進(jìn)行萃取降酸：菜籽絕緣油和無水乙醇體積比為1∶3，萃取次數(shù)為2次，萃取溫度25℃，攪拌速度為700r/min，并且2次的攪拌時間和靜置時間分別為60min、40min，60min、40min。為了脫出無水乙醇和水分，將菜籽絕緣油放入密閉的烘干箱中在90℃/50Pa的條件下真空干燥12h；然后將菜籽絕緣油和礦物油按照1∶4體積比機(jī)械攪拌混合1h，并添加一定比例的抗氧化劑；最后放入密閉的烘干箱中在100℃/50Pa條件下真空干燥12h；制備的新型抗老化混合絕緣油性能參數(shù)見表1（酸值、閃點(diǎn)、擊穿電壓和水分由重慶市電力科學(xué)研究院提供）?？梢钥闯隹估匣旌嫌统閾p、粘度稍高外其他理化電氣參數(shù)都滿足國標(biāo)GB 2536—2011要求，并且閃點(diǎn)、擊穿電壓和起始氧化溫度都優(yōu)于礦物油。

表1　新型抗老化混合絕緣油理化性能和主要電氣參數(shù)Tab.1 Physical and chemical properties and Primary electrical properties of new anti-aging mixed insulation oil

1.1.2 加速熱老化試驗(yàn)

（1）將1mm厚的絕緣紙板加工成直徑為45mm和80mm兩種圓片并放入真空箱中，在溫度為90℃、真空度為50Pa的狀態(tài)下干燥48h。

（2）在真空的狀態(tài)下，將經(jīng)真空脫氣脫水后的新型混合絕緣油（或礦物油）加熱到40℃，然后注入到真空箱中，在50Pa真空度下以40℃浸漬絕緣紙板48h。

（3）將浸漬新型混合絕緣油（或礦物絕緣油）絕緣紙板樣品分別放入5個2.5L鋼罐中，每個鋼罐中放入20個直徑80mm樣品和5個直徑為45mm的樣品，然后按照油和紙20:1的質(zhì)量比注入新型混合絕緣油（或礦物絕緣油）。為使老化試驗(yàn)接近變壓器實(shí)際情況，在每個鋼罐中放入面積為45 mm2的銅片（厚度為1mm）。

（4）將聚四氟乙烯的密封圈填充在與頂部蓋子相接觸的罐體環(huán)形槽內(nèi)，裝配時用螺桿和螺母固定。將密封好的鋼罐放入真空箱中，打開鋼罐閥門抽真空再充入氮?dú)庵?標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，如此抽真空充氮?dú)夥磸?fù)3次。

（5）關(guān)閉鋼罐閥門并將鋼罐放入130℃老化箱中開展加速熱老化試驗(yàn)，在老化0d、10d、25d、50d和80d取出鋼罐測量絕緣紙板和絕緣油樣品的理化和電氣參量。

1.2聚合度、水分含量和酸值的測量

絕緣紙板聚合度（Degree of Polymerization，DP）根據(jù)GB/T 1548—2004《紙漿粘度的測定》和ASTM D4243—1999(2009)《測量新的和老化的電絕緣紙和紙板聚合作用的平均粘滯程度的試驗(yàn)方法》進(jìn)行測定。

采用DL32卡爾菲休庫侖滴定儀測量絕緣油樣品中的水分含量，采用DL32卡爾菲休庫侖滴定儀和梅特勒-托利多DO308干燥爐測量絕緣紙板中水分含量。

礦物油的酸值采用GB 7599—1987《運(yùn)行中變壓器油、汽輪機(jī)油酸值測定法（BTB法）》進(jìn)行測量，新型混合絕緣油酸值依據(jù)GB/T 5530—2005《動植物油脂酸值和酸度測定》進(jìn)行測量。

1.3介電譜的測量

采用Concept80寬頻介電譜儀測量絕緣油和絕緣紙板樣品相對介電常數(shù)的溫度介電譜和介質(zhì)損耗的頻域介電譜。溫度介電譜測量頻率為50Hz，測量溫度為30～90℃（接近變壓器正常運(yùn)行溫度范圍）。頻域介電譜測量溫度為30℃，頻率范圍為10-2～107Hz。

1.4擊穿電壓的測量

變壓器油的工頻擊穿電壓依據(jù)GB/T 507—1986《絕緣油介電強(qiáng)度測定法》，使用IJJD—80絕緣油介電強(qiáng)度自動測試儀，其電極為平板圓形電極，直徑25mm，厚度6mm，間距為2.5mm。每個油樣進(jìn)行6次擊穿電壓試驗(yàn)，以5次的算術(shù)平均值作為該油樣的擊穿電壓。

絕緣紙板工頻擊穿場強(qiáng)按照GB/T 1408—2006進(jìn)行，采用25#礦物油作為周圍媒質(zhì)，測量銅電極直徑為40mm，試驗(yàn)變壓器容量為50kV·A/50kV，升壓速度為500V/s。紙板樣品厚度為1mm，每次測量5個樣品，最后求取平均值。在測量不同溫度下絕緣紙板的擊穿電壓時，先將裝好測量電極和媒質(zhì)的油杯以及裝油紙絕緣的鋼罐放入恒溫箱中，在設(shè)定的測量溫度（30℃、50℃、70℃和90℃）下加熱1h，使得油杯和鋼罐達(dá)到設(shè)定的溫度值，然后從鋼罐中取出絕緣紙板樣品放入油杯中測量其擊穿電壓。

圖1　不同老化時間絕緣油顏色Fig.1　Color of insulation oil at different aging time

2　試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1絕緣油顏色

GB 2536—2011規(guī)定油的目測外觀顏色要透明、無懸浮物和機(jī)械雜質(zhì)。油顏色越深表明油老化越嚴(yán)重，老化過程中油顏色變化速度的快慢也反映了油老化速度的快慢。從圖1可以看出在老化初期，混合油的顏色要比礦物油的顏色略深一些，這主要是由于精煉后菜籽絕緣油仍還有少量色素。在老化末期，礦物油的顏色要深于混合絕緣油，說明新型混合絕緣油的抗老化特性確實(shí)優(yōu)于礦物油。

2.2絕緣紙板聚合度

聚合度是最能表征絕緣紙老化程度的指標(biāo)，是非常準(zhǔn)確、可靠、有效的判據(jù)：若以新紙聚合度1 000為基準(zhǔn)，當(dāng)聚合度下降到500時，變壓器整體絕緣壽命已進(jìn)入中期；當(dāng)聚合度下降到250時，變壓器整體絕緣壽命已達(dá)到晚期[9]。聚合度隨時間的變化情況通常采用式（1）所示的動力學(xué)模型[10]來描述。

式中，t為老化時間；dDP0、dDPt分別為絕緣紙板初始和老化t時聚合度；k為絕緣紙板熱老化的平均降解速度。

圖2為不同老化時間下兩種絕緣油浸紙板的聚合度，將老化過程中兩種絕緣油浸紙板的聚合度與老化時間按式（1）進(jìn)行擬合，結(jié)果見表2?？梢钥闯?，兩種絕緣油浸紙板聚合度具有相同的下降規(guī)律，并且混合油浸絕緣紙板聚合度平均下降速率為礦物油浸絕緣紙板聚合度平均下降速率73.8%。同時在相同老化時間下，混合油浸絕緣紙板的聚合度相對較高，因此混合油對絕緣紙的老化起到了較好的抑制作用。

圖2　熱老化過程中絕緣紙板聚合度Fig.2 DP of insulation pressboards during the thermal aging process

表2　熱老化過程中絕緣紙板聚合度平均降解速度Tab.2　Degradation velocity constants of DP of insulation pressboards during the thermal aging process

2.3絕緣油中水分含量

從圖3可以看出隨著老化時間的增加，混合油和礦物油中水分含量都是波動的，即都有一個先略微增加然后降低一段時間后再逐漸增加的趨勢，且在整個老化時間范圍內(nèi)，混合油水分都高于礦物油。這是因?yàn)樗衷谟?紙絕緣系統(tǒng)中的平衡是一個動態(tài)平衡過程[11]，混合油中含有20%的天然酯，天然酯的水飽和度遠(yuǎn)大于礦物油，在熱老化過程中絕緣紙板產(chǎn)生的水分會迅速被混合油吸收，而礦物油只能緩慢地溶解吸收較少的水分，故混合油中水分含量高于礦物油。

圖3　熱老化過程中絕緣油中水分含量Fig.3　Water content of insulation oil during the thermal aging process

2.4絕緣紙板中水分含量

從圖4可以看出混合油浸紙板和礦物油浸紙板初始水分幾乎相同，都在0.5%以下。在老化過程中兩種絕緣紙板中的水分含量是波動變化的，但都具有相同的變化趨勢。在整個老化時間范圍內(nèi)，混合油浸絕緣紙板的水分含量略高于礦物油浸絕緣紙板。

圖4　熱老化過程中絕緣紙板中水分含量Fig.4　Water content of insulation pressboards during the thermal aging process

2.5絕緣油中酸值

從圖5可知，混合油初始酸值略高于礦物油，隨著老化時間的增加，混合油和礦物油的酸值都呈遞增趨勢，且混合油酸值的增加速度明顯大于礦物油。這是因?yàn)榛旌嫌椭械孽タ梢晕绽匣傻乃职l(fā)生水解反應(yīng)，生成大分子酸所導(dǎo)致[3]。此外，在老化50d時出現(xiàn)快速變化的拐點(diǎn)，拐點(diǎn)之前兩種油中酸值的增加速度較低，拐點(diǎn)之后兩種油中酸值迅速增大。根據(jù)圖4老化末期混合油浸紙板中水分迅速降低及圖3中老化末期混合油中水分突然增大可知，老化末期混合絕緣油更容易吸收混合油浸絕緣紙板中的水分，加速自身的水解反應(yīng)生成更多大分子酸，從而導(dǎo)致混合油中酸值在老化末期迅速上升。而礦物油酸值突然增大可能是因?yàn)槔匣笃诘V物油中的抗氧化劑消耗殆盡從而導(dǎo)致礦物油老化加快生成更多的酸類產(chǎn)物，這和圖1中老化末期礦物油的顏色嚴(yán)重變深相一致。

圖5　熱老化過程中絕緣油中酸值Fig.5　Acid of insulation oil during the thermal aging process

2.6絕緣油和絕緣紙板介電譜

根據(jù)圖2中老化時間和聚合度的關(guān)系，本文選擇老化0d、25d和50d分別代表未老化、老化中期和老化后期對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行討論分析。

2.6.1 絕緣油介電譜

從圖6可以看出在整個測量溫度范圍內(nèi)，混合絕緣油的相對介電常數(shù)都是高于礦物油，同時隨著老化時間的增加，兩種絕緣油的相對介電常數(shù)在四種測量溫度下都是變大的。礦物油主要成分是由烷烴、環(huán)烷烴和芳香烴組成的碳?xì)浠衔铮瑢儆谌鯓O性電介質(zhì)，而混合油里面包含20%體積比的由甘油三酯組成的天然酯，該天然酯不僅含有碳、氫兩種原子，還含有氧原子，屬于強(qiáng)極性電介質(zhì)，并且混合絕緣油的密度略高于礦物油，即單位體積中的極化粒子數(shù)要比礦物油多，所以相對介電常數(shù)比礦物油大[3]。隨著老化時間的增大，混合油和礦物油中的老化產(chǎn)物（比如水分、酸等）增多，等效于偶極子數(shù)目增多，所以兩種絕緣油的相對介電常數(shù)變大。從圖6還可看出隨著測量溫度的升高，未老化的兩種絕緣油的相對介電常數(shù)都是下降的，而老化后的兩種絕緣油的相對介電常數(shù)在高溫時反而升高。對于未老化的兩種絕緣油，隨著溫度升高，體積膨脹，密度減小，單位體積中分子數(shù)減小，故工頻相對介電常數(shù)減小。在測量溫度范圍內(nèi)，隨著溫度的升高，松弛時間τ 減小，偶極子極化逐漸跟上電場變化，極化強(qiáng)度增大[12]。老化末期兩種絕緣油中老化產(chǎn)物較多，即偶極子數(shù)目較多，當(dāng)溫度比較高（高于70℃），偶極子極化強(qiáng)度的增大量大于由于溫度升高體積變大而導(dǎo)致的極化強(qiáng)度減小量時，相對介電常數(shù)就反而升高了。

圖6　絕緣油相對介電常數(shù)溫度介電譜（50Hz）Fig.6　Temperature domain spectroscopy of relative permittivity of insulation oil at 50Hz

從圖7還可以看出，隨著老化時間的增大，在低頻部分兩種絕緣油介質(zhì)損耗都逐漸上升，同時在老化初期混合絕緣油介質(zhì)損耗曲線要高于礦物油，然而在老化后期混合絕緣油的介質(zhì)損耗曲線要低于礦物油。這是因?yàn)樵谟图埥^緣老化過程中，油中老化產(chǎn)物如水分、酸和糠醛等強(qiáng)極性物質(zhì)的增多，導(dǎo)致油的電導(dǎo)率和偶極松弛損耗增大，從而介質(zhì)損耗逐漸上升[13]。從圖3和圖5可以看出，在老化初期混合絕緣油的水分和酸值要大于礦物油，并且混合絕緣油中含有20%的天然酯。一方面天然酯電導(dǎo)率要高于礦物油[8]；另一方面，天然酯屬于極性電介質(zhì)，而礦物油為弱極性電介質(zhì)，故老化初期混合絕緣油介質(zhì)損耗要略大于礦物油。但在老化后期，絕緣油因抗氧化劑消耗殆盡加速了其老化過程，氧化生成了具有強(qiáng)電導(dǎo)率和強(qiáng)極性產(chǎn)物，比如油泥等，顏色會變深，介質(zhì)損耗迅速上升。圖1表明老化后期混合絕緣油的顏色要淺于礦物油，使得混合絕緣油介質(zhì)損耗在老化后期低于礦物油，這也說明了新型混合絕緣油抗老化性能優(yōu)于礦物油。

圖7　絕緣油介質(zhì)損耗頻域介電譜(30℃)Fig.7　Frequency domain spectroscopy of dissipation factor of insulation oil at 30℃

2.6.2 絕緣紙板介電譜

從圖8可以看出在整個測量溫度范圍內(nèi)，混合油浸紙板相對介電常數(shù)都高于礦物油浸紙板。在較低的溫度下，隨著溫度升高，兩種油浸絕緣紙板介電常數(shù)逐漸增大，當(dāng)溫度較高（高于70℃）時，隨著溫度的升高，未老化兩種絕緣紙板介電常數(shù)逐漸升高，老化25天兩種絕緣紙板介電常數(shù)幾乎不變，老化50天兩種絕緣紙板介電常數(shù)反而下降。這是因?yàn)榻^緣紙板是由含有OH極性基團(tuán)的纖維素組成的，屬于極性電介質(zhì)，混合油紙絕緣和礦物油紙絕緣（纖維素含量較大，浸油率約20%）極化形式主要以偶極式極化和夾層極化為主。由于混合油相對介電常數(shù)大于礦物油，并且絕緣紙板更容易浸漬混合油，所以混合油浸絕緣紙板相對介電常數(shù)大于礦物油浸絕緣紙板。在溫度較低時，隨著溫度的升高，松弛時間τ 減小，松弛極化逐漸跟上電場變化，從而增大了極化強(qiáng)度，所以絕緣紙板相對介電常數(shù)逐漸增大[12]。但在溫度較高時，纖維素中的水分和小分子酸等向油（填充纖維素間隙）中擴(kuò)散能力加強(qiáng)[14]，使得纖維素中水分和小分子酸減少。根據(jù)圖4和圖5，老化0d油浸絕緣紙板水分和絕緣油酸值很低，隨溫度升高纖維素中水分和小分子酸降低較少，對絕緣紙板的介電常數(shù)影響微弱，故未老化的兩種絕緣紙板介電常數(shù)逐漸增大，但增大速度略有降低。然而，老化25d和老化50d絕緣紙板水分以及絕緣油中酸值較大，隨溫度升高纖維素中水分和小分子酸降低較多，故兩種絕緣紙板的相對介電常數(shù)在溫度較高時變化微弱甚至降低。

圖8 絕緣紙板相對介電常數(shù)溫度介電譜(50Hz)Fig.8　Temperature domain spectroscopy of relative permittivity of insulation pressboard at 50Hz

圖9表明在低頻部分（0.01～100Hz），隨著老化時間的增大，絕緣紙板介質(zhì)損耗逐漸增大，老化0d混合油浸紙板的介質(zhì)損耗略高于礦物油浸紙板，而老化50d的混合油浸絕緣紙板的介質(zhì)損耗要低于礦物油浸絕緣紙板。對于未老化的兩種油浸絕緣紙板，前面已經(jīng)分析未老化混合油的介質(zhì)損耗要略高于礦物油，所以老化0d的混合絕緣油浸絕緣紙板的介質(zhì)損耗略大于礦物油浸絕緣紙板。隨著老化的進(jìn)行，絕緣紙板中會產(chǎn)生水分、小分子酸和糠醛等老化產(chǎn)物，從而導(dǎo)致偶極子分子增多，松弛極化損耗增強(qiáng)[2]，同時聚合度的降低，即長纖維素鏈生成兩條以上的短鏈，也會導(dǎo)致松弛極化損耗增強(qiáng)，從而在低頻部分絕緣紙板介質(zhì)損耗隨著老化時間增大而升高。在老化后期相對于礦物油浸絕緣紙板，混合油浸絕緣紙板雖然水分稍高但其酸值較低[3]、聚合度較高，所以其介質(zhì)損耗低于礦物油浸絕緣紙板，這說明了新型混合絕緣油延緩了絕緣紙板的老化。

圖9　絕緣紙板介質(zhì)損耗頻域介電譜（30℃）Fig.9　Frequency domain spectroscopy of dissipation factor of insulation pressboard at 30℃

2.7絕緣油和絕緣紙板擊穿電壓

2.7.1 絕緣油擊穿電壓

從圖10中可以看出，混合絕緣油和礦物油擊穿電壓都具有隨著老化時間逐漸降低的趨勢，并且混合絕緣油的擊穿電壓除在老化10d有點(diǎn)降低的波動外，其他老化時間下都是略高于礦物油擊穿電壓。這可能是由于在老化過程中一方面絕緣油會氧化降解導(dǎo)致性能降低；另一方面絕緣油中水分、酸和氣體等老化產(chǎn)物都有一定的增加，相當(dāng)于雜質(zhì)增多導(dǎo)致絕緣油擊穿電壓的降低。尤其是在老化后期，一方面老化生成的氣體較多，在外施電壓下，絕緣油中有可能會生成“氣體小橋”，使得擊穿電壓大大降低；另一方面絕緣油生成的油泥等強(qiáng)電導(dǎo)性老化產(chǎn)物加快了絕緣油擊穿電壓的降低?；旌辖^緣油中含有20%的天然酯，文獻(xiàn)[15]研究表明在熱老化過程中天然酯的擊穿電壓是優(yōu)于礦物油，并且絕緣油相對水分含量（即水分含量與飽和含水量比值）越低，擊穿電壓越高。植物油脂分子具有雙親型結(jié)構(gòu)，親水性能比較強(qiáng)，Suwarno[16]發(fā)現(xiàn)室溫下未老化天然酯的飽和含水量（0.003%）大約是未老化礦物油的50倍（6×10-5%）。所以20%天然酯的加入導(dǎo)致混合油的飽和含水量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于礦物油，而在整個老化過程中混合油中水分含量在礦物油的2～3倍之間，故混合油的相對含水量是低于礦物油的，這可能是混合絕緣油的擊穿電壓略高于礦物油的原因。此外，從圖1和圖7可以看出，混合絕緣油的抗老化特性優(yōu)于礦物油，這也可能是混合絕緣油的擊穿電壓略高于礦物油的原因。

圖10　熱老化過程中絕緣油擊穿電壓Fig.10　Breakdown voltage of insulation oil during the thermal aging process

2.7.2 不同老化時間絕緣紙板在不同溫度下?lián)舸╇妷?/p>

不同老化時間的絕緣紙板在不同溫度下?lián)舸╇妷涸囼?yàn)結(jié)果見表3。

表3　不同老化時間絕緣紙板（1mm）不同溫度下?lián)舸╇妷篢ab.3 Breakdown voltage of insulation pressboards with the thickness of 1mm at different aging time and different temperature（單位：kV）

從表3看出不同老化時間混合油浸絕緣紙板在不同測量溫度下的擊穿電壓大多略高于礦物油浸絕緣紙板，并且在30℃和50℃下，兩種絕緣紙板擊穿電壓隨老化時間的增加具有逐漸下降的趨勢，在70℃下兩種絕緣紙板擊穿電壓隨老化時間增加先下降后上升，在90℃下兩種絕緣紙板擊穿電壓隨老化時間增加具有逐漸上升的趨勢。此外，在老化初期，兩種絕緣紙板擊穿電壓隨著溫度升高逐漸降低，但在老化后期，兩種絕緣紙板擊穿電壓隨著溫度升高先降低再升高。

3　老化參量之間關(guān)系

3.1絕緣紙板聚合度與絕緣油擊穿電壓的關(guān)系

從圖11可以看出，隨著絕緣紙板聚合度的降低，在老化中期以前，兩種絕緣油擊穿電壓降低較慢，而在老化中期以后，兩種絕緣油的擊穿電壓顯著下降。這主要是因?yàn)閮煞N絕緣油中都含有一定比例具有抑制絕緣油老化的抗氧化劑（T501），所以在老化初期絕緣油擊穿電壓降低較少。隨著老化進(jìn)行，絕緣油中的抗氧化劑逐漸減少，到老化中期時幾乎消耗殆盡，從而導(dǎo)致在老化后期絕緣油老化速度加快，絕緣油擊穿電壓迅速降低，這和圖1中絕緣油顏色變化相一致。

圖11　絕緣油擊穿電壓與絕緣紙板聚合度的關(guān)系Fig.11　The relationship between breakdown voltage of insulation oil and DP of insulation pressboard

3.2擊穿電壓與介電譜的關(guān)系

圖12為將圖6中絕緣油的介電常數(shù)相應(yīng)的除以圖8中絕緣紙板的介電常數(shù)得到的比值結(jié)果。由于油浸絕緣紙板中絕緣油和紙板承受的電場強(qiáng)度與介電常數(shù)成反比，且絕緣油介電常數(shù)小于紙板，說明絕緣油需要承受的電場較大，所以絕緣油對油紙絕緣電氣強(qiáng)度起主要作用[17]。當(dāng)在不同的油浸絕緣紙板上施加上相同電壓時，絕緣油和紙板介電常數(shù)比值越小，說明兩者介電常數(shù)差值越大，電場分布越不均勻，絕緣油中承受的電場越大，故介電常數(shù)比值越小的油浸絕緣紙板越容易最先發(fā)生擊穿。所以，從圖12可以看出老化0d、25d和50d的介電常數(shù)比值在溫度低于70℃時隨溫度的升高都逐漸降低，而在溫度高于70℃時分別逐漸降低、趨于不變和逐漸升高，這與表3中老化0d、25d和50d絕緣紙板擊穿電壓分別隨溫度的升高逐漸降低、先降低再趨于不變或先降低再升高的規(guī)律基本相一致。此外，在測量溫度范圍內(nèi)，混合油浸絕緣紙板的介電常數(shù)比值要比礦物油的高一點(diǎn)，說明混合油浸絕緣紙板中絕緣油與絕緣紙的場強(qiáng)分布更均勻一些，況且混合絕緣油的擊穿電壓要高于礦物油，所以混合油浸絕緣紙板的擊穿電壓要高于礦物油浸絕緣紙板，這與表3中混合油浸絕緣紙板的擊穿電壓大部分略高于礦物油浸絕緣紙板的擊穿電壓的測量結(jié)果基本相一致。以上研究表明相對于礦物油，混合絕緣油提高了絕緣油和絕緣紙板擊穿電壓及電場分布均勻性，有利于變壓器制造的小型化。

圖12　不同溫度不同老化時間絕緣油與絕緣紙板介電常數(shù)比Fig.12　The relative permittivity’s ratio of insulation oil and insulation pressboards at different temperature and different aging time

4　結(jié)論

（1）新型抗老化混合絕緣油除介質(zhì)損耗、粘度稍高外，其他理化電氣參數(shù)都滿足國標(biāo)GB 2536—2011要求，并且閃點(diǎn)、擊穿電壓和起始氧化溫度都優(yōu)于礦物油。

（2）在老化過程中新型混合油浸絕緣紙板聚合度高于礦物油浸絕緣紙板，老化后期混合油顏色比礦物油淺，說明其具有延緩油紙絕緣老化的能力。

（3）在老化初期混合油及其浸絕緣紙板的介質(zhì)損耗曲線略高于礦物油及其浸絕緣紙板，然而在老化后期混合絕緣油及其浸絕緣紙板的介質(zhì)損耗曲線要低于礦物油及其浸絕緣紙板，說明了混合絕緣油具有一定的延緩油紙絕緣老化的能力。

（4）混合絕緣油和礦物油擊穿電壓都具有隨著老化時間增大逐漸降低的趨勢，并且混合絕緣油及其浸絕緣紙板擊穿電壓大部分略高于礦物油擊穿電壓。在老化初期，兩種絕緣紙板的擊穿電壓隨著溫度升高逐漸降低，但在老化后期，兩種絕緣紙板的擊穿電壓隨著溫度的升高先降低再升高。

（5）隨著絕緣紙板聚合度的降低，在老化中期以前，兩種絕緣油擊穿電壓降低較慢，在老化中期以后，兩種絕緣油的擊穿電壓顯著下降。不同老化時間新型混合絕緣油及其浸絕緣紙板在不同測量溫度下的介電常數(shù)和兩者介電常數(shù)比高于相應(yīng)的礦物油及其浸絕緣紙板，說明新型混合絕緣油提高了絕緣油和絕緣紙板電場分布均勻性，有利于變壓器制造的小型化。

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廖瑞金 男，1963年生，教授，博士生導(dǎo)師，從事電氣設(shè)備絕緣在線監(jiān)測與故障診斷研究和高電壓測試技術(shù)工作。

郭 沛 男，1988年生，碩士研究生，從事電氣設(shè)備在線監(jiān)測與故障診斷研究。

The Thermal Aging Characteristics of the New Anti-Aging Mixed Oil-Pressboard Insulation

Liao Ruijin1Guo Pei1,2Zhou Nianrong3Xia Huanhuan3Lin Yuandi1Liu Haibin1
（1. State Key Laboratory of Power Transmission Equipment & System Security and New Technology Chongqing University Chongqing 400044 China 2. State Grid Ningbo Power Supply Company Ningbo 315016 China 3. Yunnan Electric Power Research Institute (Group) Co. Ltd. Kunming 650217 China）

In order to promote the application of mixed insulation oil in transformers, the preparation method of a new anti-aging mixed insulation oil with mass production has been developed. Then two kinds of oil-paper insulation samples were prepared with common insulation pressboard and insulation oil, namely new mixed insulation oil and mineral oil respectively. Accelerated aging experiments were performed under the 130℃ to analysis their dielectric properties, breakdown voltage and the general characteristics of aging products. The results show that: the properties of new mixed insulation oil meet the requirements of GB 2536—2011 and it can delay the aging process of oil-paper insulation system. The breakdown voltages of new mixed insulation oil and its impregnated insulation pressboard at different aging time are mostly higher than that of relevant mineral oil and its impregnated insulation pressboard respectively. With the increase of temperature，the breakdown voltages of two kinds of insulation pressboard at early aging time decrease while at later aging time decrease firstly and then increase. The relative dielectric constant and the ratio of relative dielectric constants of new mixed insulation oil and its impregnated insulation pressboard at different aging time are higher than that of relevant mineral oil and its impregnated insulation pressboard. This indicates that new mixed insulation oil improves the distribution uniformity of electric field in insulation oil and insulation pressboard, which is helpful to the miniaturization of transformer manufacturing.

New mixed insulation oil, insulation pressboard, thermal aging, dielectric property, breakdown voltage

TM835

國家自然科學(xué)基金（51277187）和中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)（CDJZR12110018）資助項(xiàng)目。

2013-10-14 改稿日期 2014-03-21