降溫過程中微水對(duì)變壓器油介電性能的影響

郭文敏　侯憲昆　劉丹

摘 要：作為大型變壓器的主要絕緣形式，變壓器油的介電性能直接決定了變壓器能否穩(wěn)定運(yùn)行。為了探尋降溫過程中微水對(duì)變壓器油介電性能的影響，以45號(hào)變壓器油為研究對(duì)象，利用自行搭建的高壓低溫實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，研究了-50～20 ℃范圍內(nèi)初始微水含量、空間位置及平均降溫速率對(duì)變壓器油介電性能的影響。研究結(jié)果表明：初始微水含量相同時(shí)，變壓器油的電導(dǎo)率、相對(duì)介電常數(shù)和損耗因數(shù)按空間位置自上到下依次增加，同一空間位置變壓器油的電導(dǎo)率、相對(duì)介電常數(shù)，損耗因數(shù)隨平均降溫速率增大而增大。上述現(xiàn)象表明降溫過程中微水的存在會(huì)導(dǎo)致變壓器油介電性能劣化，所以為確保低溫環(huán)境下變壓器穩(wěn)定運(yùn)行，應(yīng)嚴(yán)格控制變壓器油中的水分含量。

關(guān)鍵詞：絕緣；變壓器油；微水；介電性能；低溫

中圖分類號(hào)：TM 404

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1007-449X（2018）01-0072-05

0 引 言

由于具有優(yōu)良的電氣絕緣性能，變壓器油被廣泛應(yīng)用于大型電力變壓器和互感器的絕緣系統(tǒng)中，其絕緣性能直接決定了變壓器和互感器能否安全穩(wěn)定地運(yùn)行。長(zhǎng)期以來國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)變壓器油的各種性能做了全面的研究。研究結(jié)果表明，影響變壓器油絕緣性能的主要因素是水分和溫度[1-5]。其中水分會(huì)改變變壓器油中的電場(chǎng)，同時(shí)會(huì)在電場(chǎng)下產(chǎn)生集聚引發(fā)局部放電；溫度過高會(huì)導(dǎo)致變壓器油老化，降低變壓器油的電氣強(qiáng)度，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生一些老化副產(chǎn)物進(jìn)而引發(fā)局部放電最終導(dǎo)致?lián)舸6-7]。總的來說，溫度和水分的作用是相互促進(jìn)的，二者共同影響著變壓器油的性能。

這些研究的溫度范圍都是基于常溫甚至是高溫的，而關(guān)于低溫以及低溫降溫過程中變壓器油的性能研究的報(bào)道很少。低溫天氣對(duì)電氣設(shè)備的正常運(yùn)行造成很大影響，其中比較典型且危害較大的就是主變壓器輕瓦斯保護(hù)誤動(dòng)。吉林通化地區(qū)和雙陽(yáng)地區(qū)的主變壓器都曾因溫度過低導(dǎo)致瓦斯繼電器及連管中變壓器油凝固，使得變壓器輕瓦斯保護(hù)動(dòng)作[8-9]。事實(shí)上，近幾年由于冬季極低溫天氣引起的油紙絕緣電力變壓器和高壓互感器事故呈現(xiàn)逐年增加的趨勢(shì)。

眾所周知，運(yùn)行中油紙絕緣變壓器的絕緣中不同程度地含有微量水分，變壓器的飽和吸水濃度強(qiáng)烈依賴于溫度，溫度越高變壓器油飽和微水含量越高[10-11]。為此，當(dāng)溫度降低時(shí)，出現(xiàn)油中含水量高于對(duì)應(yīng)溫度下的飽和濃度時(shí)，部分微水將從油中析出，即出現(xiàn)了相分離現(xiàn)象，變壓器油和微水構(gòu)成的復(fù)合體系將不再是單一、均質(zhì)材料，介電性能將有所變化。

因此，本文實(shí)驗(yàn)研究了降溫過程中微水對(duì)變壓器油介電性能的影響，以期為極低溫度條件下變壓器的設(shè)計(jì)與運(yùn)行維護(hù)提供理論與實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 試樣制備及測(cè)試

1.1 試樣制備

實(shí)驗(yàn)選用新疆克拉瑪依生產(chǎn)的45號(hào)變壓器油為研究對(duì)象。試樣制備過程如下：取適量變壓器油并注入一定水分，攪拌均勻后置入烘箱中加熱至80 ℃使水分充分溶解于變壓器油中，然后冷卻至室溫并進(jìn)行抽真空處理，去除油樣內(nèi)部的氣泡后密封待用。

1.2 測(cè)試

本研究主要針對(duì)的是低溫情況下變壓器油的介電性能，考慮到我國(guó)東北及西部高海拔地區(qū)冬季的最低溫度，實(shí)驗(yàn)溫度范圍選取為-50～20 ℃，低溫環(huán)境利用超低溫冰箱實(shí)現(xiàn)。

實(shí)驗(yàn)容器選用耐油、耐低溫的有機(jī)玻璃桶，具體尺寸為：高700 mm，外徑300 mm，內(nèi)徑280 mm。電極采用三電極系統(tǒng)，為保證在高度方向上試樣厚度相同，把電極系統(tǒng)固定在尼龍絕緣支架上，高壓極板和絕緣支架間采用螺栓固定，支架和電極尺寸如圖1所示。沿容器高度方向自上而下放置的5組三電極系統(tǒng)，分別標(biāo)記為電極1、電極2……電極5，并且在每組電極旁安置一個(gè)溫度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)油中的溫度，傳感器、測(cè)試極引線及高壓線由油桶蓋上預(yù)留的兩個(gè)微孔引出。

電極系統(tǒng)置入容器中后，將制備好的油樣緩慢注入容器中再次進(jìn)行抽真空處理，然后密封放入冰箱中進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試溫度間隔為5 ℃。

2 降溫過程中變壓器油的電導(dǎo)特性

2.1 不同空間位置變壓器油的電導(dǎo)特性

在初始微水含量為22.5 ppm，平均降溫速率1.7 ℃/h的條件下對(duì)不同空間位置處的變壓器油的電導(dǎo)特性進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖2所示。

從圖2可以看出變壓器油的電導(dǎo)率隨溫度降低呈先增大后減小的趨勢(shì)，且在-10 ℃附近出現(xiàn)峰值，該峰值沿實(shí)驗(yàn)容器自上而下（電極1～5）依次增大。

出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因是：隨著溫度下降，變壓器油的飽和吸水濃度下降，當(dāng)油中含水量高于對(duì)應(yīng)溫度下的飽和濃度時(shí)，一部分水就會(huì)從油中析出，構(gòu)成變壓器油和微水的復(fù)合體系。在-10 ℃的臨近溫度附近復(fù)合體系中的微水達(dá)到最大值，電導(dǎo)率達(dá)到峰值；隨著溫度繼續(xù)下降，變壓器油飽和吸水濃度越來越低，油的粘度逐漸增大，復(fù)合體系中的微水含量增大并凝結(jié)成冰滴，導(dǎo)致復(fù)合體系中的冰滴增多，冰的電導(dǎo)率比水小，所以復(fù)合體系電導(dǎo)率下降。之所以會(huì)出現(xiàn)電導(dǎo)率沿實(shí)驗(yàn)容器自上而下（電極1～5）依次增大的現(xiàn)象，推斷其原因可能是因?yàn)樽儔浩饔椭械乃龀龊螅紫扔捎跐舛炔畹脑驎?huì)發(fā)生擴(kuò)散現(xiàn)象，同時(shí)由于水（冰）的密度比油大，在擴(kuò)散過程中還會(huì)伴有沉降過程；而在溫度比較低的情況下，擴(kuò)散過程較弱，使沉降過程起主導(dǎo)作用，導(dǎo)致沿空間位置自上而下復(fù)合體系中水分（冰）含量增加，電導(dǎo)率增大。

2.2 不同初始微水含量變壓器油的電導(dǎo)特性

在初始微水含量分別為16.9 ppm、22.5 ppm、29.6 ppm，平均降溫速率為1.7 ℃/h的條件下對(duì)降溫過程中變壓器油的電導(dǎo)率進(jìn)行測(cè)試，變化趨勢(shì)與圖2相似，這里不再贅述。作圖比較不同初始微水含量下電極3處的電導(dǎo)率，結(jié)果如圖3所示。

從圖3可以看出：初始微水含量越高，變壓器油的電導(dǎo)率峰值越大，且其出現(xiàn)峰值的溫度向高溫方向移動(dòng)。這是因?yàn)殡S溫度降低，初始微水含量越高的油樣其微水含量越先達(dá)到對(duì)應(yīng)溫度下的飽和濃度，導(dǎo)致從油中析出的水分越多，混合溶液中水分達(dá)到最大值的溫度值越高，電導(dǎo)率值就越大。

2.3 不同平均降溫速率下變壓器油的電導(dǎo)特性

在東北地區(qū)，經(jīng)常會(huì)發(fā)生由于氣溫驟降引起電力設(shè)備出現(xiàn)故障的現(xiàn)象；因此本文還實(shí)驗(yàn)研究了不同平均降溫速率下變壓器油的電導(dǎo)特性，不同平均降溫速率通過在實(shí)驗(yàn)容器上包裹不同厚度的橡塑保溫板來實(shí)現(xiàn)。

在初始微水含量為22.5 ppm，不同平均降溫速率條件下對(duì)降溫過程中變壓器油的電導(dǎo)率進(jìn)行測(cè)試，各電極處變壓油的電導(dǎo)隨溫度的變化趨勢(shì)相同，所以以電極3為例進(jìn)行分析。不同平均降溫速率下電極3處的電導(dǎo)率-溫度曲線如圖4所示。

圖4的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：平均降溫速率對(duì)變壓器油電導(dǎo)率有一定的影響，平均降溫速率越快，變壓器油的電導(dǎo)率越大，電導(dǎo)率達(dá)到峰值時(shí)的溫度越低。這可能是因?yàn)?，平均降溫速率越快，變壓器油析出的水分在混合溶液中沒有充足的時(shí)間發(fā)生沉降，微水懸浮在油中，導(dǎo)致混合溶液的電導(dǎo)率值較大。

3 降溫過程變壓器油的交流介電特性

純變壓器油的損耗，主要由電導(dǎo)損耗產(chǎn)生，當(dāng)變壓器油含有極性物質(zhì)的時(shí)候，會(huì)產(chǎn)生極化損耗，大大降低變壓器油的介電性能。水是強(qiáng)極性物質(zhì)，水分的增加無(wú)疑會(huì)降低變壓器油的介電性能，所以實(shí)驗(yàn)研究了降溫過程中水分對(duì)變壓器油極化和損耗特性的影響。

3.1 不同空間位置變壓器油的交流介電特性

在初始微水含量為23.8 ppm，平均降溫速率1.7 ℃/h的條件下對(duì)不同空間位置處的變壓器油的極化和損耗特性進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖5所示。

可以看出：溫度降低相對(duì)介電常數(shù)單調(diào)遞增，損耗角正切值先增大后減小，在某臨界溫度下出現(xiàn)峰值；沿實(shí)驗(yàn)容器自上而下的方向二者均增大。

出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因是：變壓器油為弱極性電介質(zhì)，隨著溫度降低，其體積減小，密度增大，所以單位體積分子數(shù)增加，故相對(duì)介電常數(shù)增加；此外，隨著溫度的降低，變壓器油的飽和吸水濃度下降，一部分水會(huì)從油中析出，水的相對(duì)介電常數(shù)是81，所以微水的增加必然直接導(dǎo)致復(fù)合體系相對(duì)介電常數(shù)增加；損耗因數(shù)的變化規(guī)律與電導(dǎo)率的變化規(guī)律相同，即其損耗主要由電導(dǎo)損耗構(gòu)成，具體原因不再贅述。

3.2 不同初始微水含量變壓器油的交流介電特性

為了研究初始微水含量對(duì)變壓器油極化和損耗特性的影響，又研究了初始微水含量分別為20.1 ppm和30.3 ppm條件下不同空間位置變壓器油的損耗特性，變化趨勢(shì)與2.1節(jié)相同，以電極3處的結(jié)果進(jìn)行分析，結(jié)果如圖6所示。

從圖6可以看出，隨著初始微水含量的增加，相對(duì)介電常數(shù)和損耗因數(shù)增大，且損耗因數(shù)出現(xiàn)峰值的溫度向高溫方向移動(dòng)。水是強(qiáng)極性介質(zhì)，其含量增加必然導(dǎo)致復(fù)合體系的相對(duì)介電常數(shù)增大；而且水是導(dǎo)體，所以初始微水含量高的變壓器油的損耗因數(shù)也必然明顯增大。

3.3 不同平均降溫速率變壓器油的交流介電特性

保持初始含水量23.8 ppm不變，平均降溫速率分別為1.7 ℃/h、1.5 ℃/h、1.2 ℃/h，測(cè)試電極3處的交流介電特性，結(jié)果如圖7所示。

從圖7可以看出，平均降溫速率對(duì)相對(duì)介電常數(shù)影響不大，但是損耗因數(shù)隨平均降溫速率增大而增大，其變化規(guī)律與電導(dǎo)率變化規(guī)律相同，再次印證了其損耗主要為電導(dǎo)損耗這一推斷。

4 結(jié) 論

1）在降溫過程中，變壓器油箱中自上而下變壓器油的電導(dǎo)率、相對(duì)介電常數(shù)和損耗因數(shù)逐漸增大，該現(xiàn)象說明降溫過程中微水從油中析出后，沉降過程起主導(dǎo)作用。

2）在降溫過程中，變壓器油的電導(dǎo)率、相對(duì)介電常數(shù)和損耗因數(shù)隨初始微水含量增大而增大，即變壓油的介電性能隨初始微水含量增加而劣化，因此在低溫環(huán)境下應(yīng)用的變壓器應(yīng)嚴(yán)格控制其初始微水含量。

3）平均降溫速率越快，其電導(dǎo)率值，相對(duì)介電常數(shù)，損耗角正切值越大，因此在嚴(yán)寒天氣應(yīng)做好預(yù)防措施避免由于氣溫驟降導(dǎo)致變壓器故障。

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（編輯：邱赫男）