在交直流電場(chǎng)下不同烴組成變壓器油的析氣性研究

于會(huì)民，張培恒，范興琳，馬書(shū)杰

(中國(guó)石油蘭州潤(rùn)滑油研究開(kāi)發(fā)中心，中國(guó)石油潤(rùn)滑油重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 克拉瑪依 834003)

在交直流電場(chǎng)下不同烴組成變壓器油的析氣性研究

于會(huì)民，張培恒，范興琳，馬書(shū)杰

(中國(guó)石油蘭州潤(rùn)滑油研究開(kāi)發(fā)中心，中國(guó)石油潤(rùn)滑油重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 克拉瑪依 834003)

在交流、直流及交流疊加直流電場(chǎng)下，進(jìn)行不同烴組成變壓器油析氣性研究，同時(shí)考察添加劑對(duì)油析氣性影響情況。研究結(jié)果表明，油中芳烴含量是決定變壓器油析出氣體還是吸收氣體的關(guān)鍵因數(shù)；相同溫度和電場(chǎng)強(qiáng)度下，純交流電場(chǎng)下油的析氣或吸氣最大，交直流疊加電場(chǎng)次之，純直流電場(chǎng)下最??；在規(guī)定的使用量下，添加劑對(duì)油的析氣性沒(méi)有明顯影響。

烴組成 變壓器油 電場(chǎng) 析氣性

變壓器油執(zhí)行的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)主要有兩類，一類是國(guó)際和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)如GB 2536—2011[1]、ASTM D3487—2009[2]和IEC 60296—2012[3]等，在ASTM D3487—2009標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定變壓器油的析氣性小于+30 mm3min的要求；另一類是變壓器油制造商或設(shè)備運(yùn)營(yíng)商的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)，如典型的標(biāo)準(zhǔn)有中國(guó)石油企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QSY RH2097—2012[4]、ABB公司變壓器油技術(shù)要求1ZBA 117 001-2標(biāo)準(zhǔn)[5]和SIEMENS公司變壓器油技術(shù)要求TUN 901293標(biāo)準(zhǔn)[6]。在SIEMENS公司變壓器油技術(shù)要求TUN 901293中提出換流變壓器用油析氣性小于-10 mm3min的要求。

用于直流輸電的特高壓換流變壓器和一般超高壓交流變壓器不同，其每相除具有一個(gè)超高壓網(wǎng)側(cè)繞組外，還有一個(gè)到兩個(gè)全絕緣的超高壓直流用閥側(cè)繞組。閥側(cè)繞組除承受一般交流變壓器的交流和沖擊電壓外，還要承受疊加的直流電壓作用，而交流電壓和直流電壓對(duì)絕緣的作用完全不同[7]。因此，換流變壓器絕緣用油也要承受交流電場(chǎng)、沖擊電場(chǎng)、直流電場(chǎng)和交直流疊加電場(chǎng)的作用，關(guān)于換流變壓器絕緣用油在這些電場(chǎng)下的析氣性能研究具有更實(shí)際的價(jià)值。

現(xiàn)有的變壓器油析氣性評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)和公開(kāi)的文獻(xiàn)都是在交流電場(chǎng)下檢測(cè)和研究變壓器油析氣性的。在直流和交直流疊加電場(chǎng)下，關(guān)于變壓器油析氣性的研究未見(jiàn)文獻(xiàn)報(bào)道。本課題針對(duì)換流變壓器用油的運(yùn)行環(huán)境特點(diǎn)，對(duì)不同烴組成的變壓器油，開(kāi)展不同電場(chǎng)類型、試驗(yàn)溫度和電場(chǎng)強(qiáng)度與其析氣性的相關(guān)研究，同時(shí)考察添加劑對(duì)析氣性的影響情況。其研究結(jié)論對(duì)指導(dǎo)換流變壓器用油的生產(chǎn)和用戶選擇油品類型都具有重要的參考價(jià)值。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

目前，換流變壓器所用的變壓器油主要是中國(guó)石油天然氣股份有限公司、NYNAS公司和SHELL公司的變壓器油，且全部采用環(huán)烷基基礎(chǔ)油調(diào)制而成。為此，選取3種不同烴組成的環(huán)烷基變壓器油基礎(chǔ)油作為試驗(yàn)材料，編號(hào)分別為樣品1#、樣品2#和樣品3#，材料性能見(jiàn)表1。

表1 變壓器油基礎(chǔ)油性質(zhì)

本研究采用碳型分析表示變壓器油的烴組成，碳型分析是將復(fù)雜的礦物型變壓器油簡(jiǎn)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)；CA大說(shuō)明礦物型變壓器油組成中芳烴含量高，CN大說(shuō)明礦物型變壓器油組成中環(huán)烷烴含量高，CP大說(shuō)明礦物型變壓器油組成中鏈烷烴含量高。國(guó)際上，按烴組成對(duì)基礎(chǔ)油一般分類規(guī)則如下：若基礎(chǔ)油CP=42%～50%，則為環(huán)烷基油；若基礎(chǔ)油CP=50%～56%，則為中間基油；若基礎(chǔ)油CP=56%～65%，則為石蠟基油。

表1中所有樣品的CP值均小于50%，說(shuō)明為典型的環(huán)烷基油，其中樣品3#的CA值為0，屬于典型的深度精制的低芳烴環(huán)烷基油，樣品1#的CA值為17.0%，屬于典型的淺度精制高芳烴環(huán)烷基油。

在國(guó)內(nèi)，變壓器油中主要使用的添加劑為抗氧劑和鈍化劑，本實(shí)驗(yàn)所用添加劑為抑制酚型抗氧劑和三氮唑衍生物類鈍化劑，如表2所示。

表2 主要添加劑

1.2 試驗(yàn)方法

國(guó)內(nèi)外變壓器油析氣性測(cè)試法有GB/T 11142—1989[8]、NB/SH/T 0810—2010[9]、ASTM D2300—2000[10]和IEC 60628—1985[11]，其中，GB/T 11142—1989參照美國(guó)試驗(yàn)與材料協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)ASTM D2300—1981中B法制定，NB/SHT 0810—2010參照國(guó)際電工協(xié)會(huì)IEC 60628—1985A法制定。其試驗(yàn)條件是試樣經(jīng)氫氣飽和一定時(shí)間后，在交流電壓10 kV、試驗(yàn)溫度80 ℃下持續(xù)運(yùn)行一定時(shí)間，測(cè)定試樣本身在單位時(shí)間內(nèi)吸收或放出氣體的量。

鑒于本課題將采用3種電場(chǎng)類型進(jìn)行應(yīng)用研究，需要對(duì)試驗(yàn)的電源進(jìn)行改造。試驗(yàn)電源為交直流高壓電源，由工頻交流電源、中頻倍壓直流電源、隔直電容、隔交電阻及若干保護(hù)電阻組成。試驗(yàn)電極杯，設(shè)計(jì)了絕緣水平達(dá)到20 kV用于盛放試驗(yàn)樣品的硅硼碳酸鹽玻璃析氣池，高壓電極采用SUS316不銹鋼材料，接地電極用純銀鍍膜構(gòu)成。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同電場(chǎng)下油中電場(chǎng)強(qiáng)度分布

首先要在純交流電場(chǎng)、純直流電場(chǎng)和交直流疊加電場(chǎng)下考察電場(chǎng)強(qiáng)度與樣品析氣性的相關(guān)性。為了計(jì)算出不同電場(chǎng)類型的電場(chǎng)強(qiáng)度，把析氣池簡(jiǎn)化看成圓筒電容器，兩電極之間由油樣和玻璃組成雙層絕緣介質(zhì)，在交流電場(chǎng)下，不同絕緣介質(zhì)的電場(chǎng)強(qiáng)度分布由介質(zhì)的介電常數(shù)大小決定，介電常數(shù)越小，分布的電場(chǎng)強(qiáng)度越大。其交流電場(chǎng)下析氣池內(nèi)的油中某處電場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)算式為：

(1)

其最大場(chǎng)強(qiáng)計(jì)算式為：

(2)

式中：Ex(AC)為x處的交流場(chǎng)強(qiáng)，kV/mm；Emax(AC)為油中最大交流場(chǎng)強(qiáng)，kV/mm；x為離內(nèi)電極軸中心線的距離，mm；U為加載的電壓，kV；ε1為絕緣油介電常數(shù)；ε2為內(nèi)部硼硅酸鹽玻璃管壁的介電常數(shù)；d1為高壓電極的直徑，mm；d2為外部硼硅酸鹽玻璃管的內(nèi)徑，mm；d3為外部硼硅酸鹽玻璃管的直徑，mm。

在直流電場(chǎng)下，不同絕緣介質(zhì)的電場(chǎng)強(qiáng)度分布由介質(zhì)的體積電阻率大小決定，體積電阻率越大，分布的電場(chǎng)強(qiáng)度越大。其直流電場(chǎng)下析氣池內(nèi)某處油中電場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)算式為：

(3)

其最大場(chǎng)強(qiáng)計(jì)算式為：

(4)

式中：Ex(DC)為x處的直流場(chǎng)強(qiáng)，kV/mm；Emax(DC)為油中最大直流場(chǎng)強(qiáng)，kV/mm；ρ1為絕緣油電阻率，Ω·m；ρ2為內(nèi)部硼硅酸鹽玻璃管壁的電阻率，Ω·m。

依據(jù)上述計(jì)算式，為了準(zhǔn)確計(jì)算油中電場(chǎng)強(qiáng)度，在試驗(yàn)溫度下進(jìn)行樣品的電阻率和介電常數(shù)的測(cè)量，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 不同溫度下樣品的電阻率和介電常數(shù)

由表3可知：在30～100 ℃范圍內(nèi)，變壓器油樣品的介電常數(shù)ε1在2.23～2.26之間，可以近似為2.2；在30～100 ℃范圍內(nèi)，變壓器油樣品的體積電阻率ρ1在1012～1014(Ω·m)之間。依據(jù)文獻(xiàn)[12]報(bào)道：硼硅酸鹽玻璃的介電常數(shù)ε2在5.0±0.2，玻璃的體積電阻率ρ2在1010～1012Ω·m(30～100 ℃)，當(dāng)試驗(yàn)溫度在40～100 ℃范圍內(nèi)時(shí)，施加電壓分別為3，6，9 kV時(shí)，其對(duì)應(yīng)不同類型電場(chǎng)下油中分布的最大場(chǎng)強(qiáng)見(jiàn)表4，其施加電壓為9 kV時(shí)，不同類型電場(chǎng)下油和玻璃中電場(chǎng)強(qiáng)度分布見(jiàn)圖1和圖2。

表4 不同電場(chǎng)類型下的油中最大電場(chǎng)強(qiáng)度

圖1 油中電場(chǎng)強(qiáng)度分布(9 kV)■—交流電場(chǎng)； ●—直流電場(chǎng)(ρ1/ρ2=1/10)； ▲—直流電場(chǎng)(ρ1/ρ2=1/100)。 圖2同

圖2 玻璃中電場(chǎng)強(qiáng)度分布(9 kV)

表4和圖1表明，相同電壓下，直流電場(chǎng)下油中分布的電場(chǎng)強(qiáng)度略大于交流電場(chǎng)下油中分布的電場(chǎng)強(qiáng)度。在直流電壓下，高溫度下，油與玻璃的電阻率比較值約為1/10，油中電場(chǎng)強(qiáng)度略低于低溫下的。圖1和圖2對(duì)比結(jié)果說(shuō)明，無(wú)論是交流電場(chǎng)還是直流電場(chǎng)，油中都承受最大的電場(chǎng)強(qiáng)度，說(shuō)明這種析氣池結(jié)果更適于直流電場(chǎng)下考察電場(chǎng)強(qiáng)度與油析氣性的相關(guān)性研究。

2.2 交流電場(chǎng)下不同烴組成變壓器油析氣性

采用3種芳烴組成不同的變壓器油樣品，分別施加3，6，9 kV純交流電壓，同時(shí)，分別在40，60，80，100 ℃進(jìn)行試驗(yàn)，考察交流電場(chǎng)強(qiáng)度和溫度與析氣性的關(guān)系，結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 不同溫度和不同交流電場(chǎng)強(qiáng)度下變壓器油析氣性■—40 ℃； ●—60 ℃； ▲—80 ℃； ℃。 圖4、圖5同

圖3結(jié)果表明，隨著溫度升高和交流電場(chǎng)強(qiáng)度增加，變壓器油的正析氣(析出氣體量)和負(fù)析氣(吸收氣體量)增大。隨著樣品中CA值的增大，析氣性由正轉(zhuǎn)負(fù)，油由析出氣體狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槲諝怏w狀態(tài)。說(shuō)明油中的芳烴含量對(duì)其析氣性影響很大。

2.3 直流電場(chǎng)下不同烴組成變壓器油析氣性

采用3種芳烴組成不同的變壓器油樣品，分別施加3，6，9 kV純直流電壓，同時(shí)，分別在40，60，80，100 ℃進(jìn)行試驗(yàn)，考察直流電場(chǎng)強(qiáng)度與析氣性的關(guān)系，結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 不同溫度和不同直流電場(chǎng)強(qiáng)度下變壓器油析氣性

圖4結(jié)果表明，隨著溫度升高和直流電場(chǎng)強(qiáng)度增加，變壓器油的正析氣和負(fù)析氣變化不明顯，與樣品中CA值的大小沒(méi)有直接相關(guān)性。

2.4 交直流混合電場(chǎng)下不同烴組成變壓器油析氣性

采用3種芳烴組成不同的變壓器油樣品，分別施加3，6，9 kV交直流混合電壓，交直流電壓混合比例為1∶1，同時(shí)，分別在40，60，80，100 ℃進(jìn)行試驗(yàn)，考察交直流混合電場(chǎng)強(qiáng)度與析氣性的關(guān)系，結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 不同溫度和交直流混合電場(chǎng)強(qiáng)度下變壓器油析氣性

圖5結(jié)果表明，隨著溫度升高和交直流混合電場(chǎng)強(qiáng)度增加，變壓器油的正析氣和負(fù)析氣明顯增大，且與樣品中CA值的大小有明顯的相關(guān)性。這與變壓器油在交流電場(chǎng)下析氣特性規(guī)律相似。說(shuō)明在交直流混合電場(chǎng)下，變壓器油析氣性的大小主要由交流電場(chǎng)分量的大小決定。由圖5與圖3對(duì)比可知，相同溫度、相同電場(chǎng)強(qiáng)度下，交流電場(chǎng)下的析氣性大于交直流混合電場(chǎng)下的析氣性，這與交流電場(chǎng)分量所占比例有關(guān)。

2.5 交流電場(chǎng)下添加劑含量與變壓器油析氣性

依據(jù)目前換流變壓器油的添加劑使用情況，選擇抗氧劑T1，其最大用量為0.40%，鈍化劑T5，其最大用量0.02%。以樣品2#為原料，在80 ℃下考察不同交流電場(chǎng)強(qiáng)度下添加劑對(duì)油析氣性的影響，結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 80 ℃下含不同類型添加劑油(樣品2#)的析氣性▲—樣品2#； ●—樣品2#+0.02% T5； ■—樣品2#+0.40% T1

圖6結(jié)果表明，隨著交流電場(chǎng)強(qiáng)度增加，樣品的正析氣增大。相同電場(chǎng)強(qiáng)度下，3個(gè)樣品的測(cè)量結(jié)果相近。說(shuō)明在添加劑最大加入量以內(nèi)，對(duì)油的析氣性沒(méi)有明顯影響。

3 結(jié) 論

(1) 在變壓器油和硼硅酸鹽玻璃組成的復(fù)合絕緣體系中，無(wú)論是交流電場(chǎng)還是直流電場(chǎng)，變壓器油都承受最大的電場(chǎng)強(qiáng)度，此種析氣池結(jié)果適于直流電場(chǎng)考察電場(chǎng)強(qiáng)度與油析氣性關(guān)聯(lián)性研究。

(2) 在交流和交直流混合電場(chǎng)下，隨著溫度升高和電場(chǎng)強(qiáng)度增加變壓器油的正析氣和負(fù)析氣增大。隨著樣品中CA值的增大，析氣性由正轉(zhuǎn)負(fù)，油中的芳烴含量對(duì)其析氣性影響較大。

(3) 相同溫度、相同電場(chǎng)強(qiáng)度下，交流電場(chǎng)下油的析氣性最大，交直流混合電場(chǎng)下次之，直流電場(chǎng)下最小。

(4) 在添加劑最大加入量以內(nèi)，其對(duì)油的析氣性沒(méi)有明顯影響。

[1] GB 2536—2011.電工流體-變壓器油和開(kāi)關(guān)用的未使用過(guò)的礦物絕緣油[S].2011

[2] ASTM D3487—2009.Standard Specification for Mineral Transformer Oil Used in Electrical Apparatus[S].2009

[3] IEC 60296—2012.Fluids for Electrotechnical Applications—Unused Mineral Insulating Oils for Transformers and Switchgear[S].2012

[5] 1ZBA 117 001-1.Material Specification：Insulating Oil—High Grade，Inhibited[S].2006

[6] TUN 901293.New Insulation Liquids for Oilfilled Transformersterms of Delivery[S].2007

[7] 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

[10]ASTM D2300—2000.Standard Test Method for Gassing of Electrical Insulating Liquids Under Electrical Stress and Ionization (Modified Pirelli Method)[S].2000

[11]IEC 60628—1985[11] Gassing of Insulating Liquids Under Electrical Stress and Ionization[S].1985

STUDY ON GASSING TENDENCY OF TRANSFORMER OIL WITH DIFFERENT HYDROCARBEN COMPOSITIONS IN ELECTRICAL FIELD

Yu Huimin， Zhang Peiheng， Fan Xinglin， Ma Shujie

(PetrochinaLanzhouLubricatingOilR&DInstitute，PetroChinaLubricantKeyLaboratory，Karamay，Xinjiang834003)

Gassing tendency of transformer oil with different hydrocarbon compositions in AC， DC electrical field or AC/DC mixed electrical field are investigated according to the standard at home and abroad. The influence of additives on gassing tendency of transformer oils was observed at the same time. The results show that the aromatics content is the key factor， which decide gassing or absorbing gas of transformer oil. At the same temperature and electric field strength， the tendency of gassing or absorbing gas of oils in AC electric field is the largest， the AC and DC mixed electric field takes the second，and the smallest value of gassing or absorbing gas is in the DC electric field. The use of additives has no obvious effect on gassing tendency of oils in specified dosage range.

hydrocarbon composition； transformer oil； electrical field； gassing property

2014-07-16； 修改稿收到日期： 2014-11-05。

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

于會(huì)民，E-mail：yuhuimin_rhy@petrochina.com.cn。