天然酯絕緣油紙系統(tǒng)低溫耐壓特性研究

王偉龍，朱孟兆，葉文郁，潘 振，董永軍

(1.山東理工大學 電氣與電子工程學院，山東 淄博 255000； 2.國網(wǎng)山東省電力公司電力科學研究院，濟南 250002；3.山東中實易通集團有限公司，濟南 250002)

天然酯絕緣油是一種新型環(huán)保高燃點液體絕緣介質(zhì)[1]，具有良好的理化性能、電氣性能[2-4]，應用范圍與礦物絕緣油類似，已在許多國家得到應用，全球應用的植物絕緣油變壓器已超過75萬臺[5]。在我國，2015年8月工信部、質(zhì)檢總局、發(fā)改委聯(lián)合印發(fā)《配電變壓器能效提升計劃(2015—2017年)》，明確將天然酯絕緣油變壓器列為推廣的配電變壓器新技術(shù)產(chǎn)品。然而天然酯絕緣油因其自身成分的原因，傾點和黏度都高于礦物絕緣油，導致其低溫流動性較差，不利于變壓器散熱[6-11]。改性天然酯絕緣油是在天然酯絕緣油的基礎(chǔ)上通過酯交換或其他化學反應得到的天然酯絕緣油，其彌補了天然酯絕緣油的傾點和黏度高的問題。

國內(nèi)外有關(guān)變壓器絕緣油紙低溫特性的研究相對較少，有關(guān)天然酯絕緣油紙系統(tǒng)低溫特性的研究更少[12-16]。目前，有關(guān)天然酯絕緣油紙絕緣在耐壓方面的研究僅涉及到高溫以及水分含量等相關(guān)因素的影響[17-19]，在低溫條件下的研究亟待完善。我國地域遼闊，很大一部分變壓器位于東北、新疆及內(nèi)蒙等高寒地區(qū)，研究天然酯絕緣油紙系統(tǒng)在低溫條件下的絕緣強度對天然酯絕緣油變壓器的低溫冷態(tài)啟動與運行具有重要的現(xiàn)實意義[20-22]。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

大豆油基天然酯絕緣油、棕櫚油基改性天然酯絕緣油，兩種絕緣油的理化性能如表1所示；絕緣紙板(2 mm)。

表1 兩種絕緣油的理化性能

ZSGX型電熱恒溫干燥箱，南京卓實電氣有限責任公司；奧地利BAUR保爾DTA 100C全自動絕緣油耐壓測試儀。

1.2 試驗方法

1.2.1 樣品的處理

絕緣油預處理：對兩種絕緣油濾油處理，除掉油內(nèi)的水分及雜質(zhì)。

絕緣紙板預處理：將厚度為2 mm的絕緣紙板裁剪成60 mm×60 mm的正方形紙塊，置于ZSGX型電熱恒溫干燥箱(溫度110℃)中，干燥48 h，再將紙板置于絕緣油中浸泡48 h，使絕緣紙板浸油充分。

1.2.2 工頻擊穿電壓測試

準備6個試驗用的耐壓油杯，將經(jīng)預處理的絕緣油倒入6個油杯內(nèi)，將油杯密封，靜置2 h后放置冰箱，待油溫降至-20℃時，依次將6個油杯放置全自動絕緣油耐壓測試儀中分別測量-20、-10、0、10℃時的擊穿電壓，耐壓油杯電極采用球蓋狀電極，電極間距為2.5 mm，升壓速度為2 kV/s。為保證數(shù)據(jù)的準確性，每個樣品每個溫度只測量1次，最終結(jié)果取每個溫度下6個樣品的平均值。絕緣油紙系統(tǒng)的耐壓試驗跟絕緣油耐壓試驗基本一致，將浸油后的絕緣紙板放于兩電極之間，倒入絕緣油，控制溫度、電極間距，試驗電極模型如圖1所示。

2 結(jié)果與分析

2.1 兩種絕緣油工頻擊穿電壓測試結(jié)果

在4種溫度下對大豆油基天然酯絕緣油、棕櫚油基改性天然酯絕緣油進行耐壓試驗，擊穿電壓隨溫度的變化情況分別如圖2、圖3所示。

圖2 大豆油基天然酯絕緣油擊穿電壓隨溫度的變化曲線

圖3 棕櫚油基改性天然酯絕緣油擊穿電壓隨溫度的變化曲線

從圖2、圖3可以看出，兩種絕緣油擊穿電壓隨著溫度的升高都呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢，其擬合曲線都呈U型，兩種絕緣油擊穿電壓的最小值都在-10～0℃區(qū)間內(nèi)，大豆油基天然酯絕緣油擊穿電壓最小值在-5℃左右，棕櫚油基改性天然酯絕緣油擊穿電壓最小值在-10℃左右。

絕緣油中的水分一般以溶解水、乳化(懸浮)水、游離水以及固體絕緣材料吸附水4種形態(tài)存在[23]。當絕緣油處于低溫條件下(-20℃)，水分以懸浮冰的形式存在于絕緣油中，少量的懸浮冰在電場作用下不易形成“冰橋”，所以絕緣油擊穿電壓高；當油溫從-20℃升高至0℃過程中，油中懸浮冰逐漸轉(zhuǎn)化為懸浮水，隨著溫度的上升，油中懸浮水的體積分數(shù)逐漸增大，懸浮水的增多是影響油耐壓水平下降的重要因素，使得擊穿電壓在-20～0℃階段呈逐漸下降的趨勢；當溫度繼續(xù)上升時，水由懸浮態(tài)逐漸轉(zhuǎn)化為溶解態(tài)，溶解水對擊穿電壓的影響很小，故在0～10℃階段擊穿電壓呈上升趨勢。

2.2 兩種絕緣油紙系統(tǒng)工頻擊穿電壓測試結(jié)果

當電極間距2.5 mm，紙板厚度2 mm，兩種絕緣油紙系統(tǒng)擊穿電壓隨溫度的變化如圖4、圖5所示。

圖4 大豆油基天然酯絕緣油紙系統(tǒng)擊穿電壓隨溫度的變化曲線(電極間距2.5 mm)

圖5 棕櫚油基改性天然酯絕緣油紙系統(tǒng)擊穿電壓隨溫度的變化曲線(電極間距2.5 mm)

由圖4、圖5可以看出，隨溫度的升高，兩種絕緣油紙系統(tǒng)的擊穿電壓呈先下降后上升的趨勢，棕櫚油基改性天然酯絕緣油紙系統(tǒng)擊穿電壓最小值對應的溫度略低于大豆油基天然酯絕緣油紙系統(tǒng)，與純絕緣油擊穿電壓隨溫度變化趨勢基本一致，這與電極與紙板之間存在油隙有關(guān)。但油紙系統(tǒng)的擊穿電壓波動范圍較純絕緣油小很多。

考慮到電極間距對擊穿電壓有一定影響，因此在紙板厚度為2 mm下，改變電極間距為2 mm，考察電極間距的影響。兩種絕緣油紙系統(tǒng)擊穿電壓隨溫度的變化曲線如圖6、圖7所示。

圖6 大豆油基天然酯絕緣油紙系統(tǒng)擊穿電壓隨溫度的變化曲線(電極間距2 mm)

圖7 棕櫚油基改性天然酯絕緣油紙系統(tǒng)擊穿電壓隨溫度的變化曲線(電極間距2 mm)

由圖6、圖7可以看出，兩種絕緣油紙系統(tǒng)的擊穿電壓仍呈先下降后上升的趨勢，與電極間距為2.5 mm時變化趨勢基本一致。比較圖4、圖6或者比較圖5、圖7，即同一種絕緣油紙系統(tǒng)不同電極間距，可以發(fā)現(xiàn)，當電極間距2 mm時，擊穿電壓波動范圍要比電極間距2.5 mm時小。

試驗過程發(fā)現(xiàn)，在電極間距為2.5 mm時，當試驗電壓接近擊穿電壓時，可明顯觀察到電極表面對紙板表面放電，可理解為絕緣紙板表面易吸附水分，擊穿的過程電極與絕緣紙板之間的油隙先被擊穿，然后紙板被擊穿。理論上電極間距2.5 mm的擊穿電壓應該大于電極間距2 mm的擊穿電壓，但是，當紙板與電極存在油隙時，在紙板擊穿過程中會選擇紙板較為薄弱的點擊穿，所以紙板擊穿電壓較電極間距為2 mm時要小一些，因此對外表現(xiàn)出兩者擊穿電壓近似。同時可看出，電極間距為2 mm時擊穿電壓更穩(wěn)定一些。

3 結(jié) 論

通過研究天然酯絕緣油、改性天然酯絕緣油以及兩種絕緣油紙系統(tǒng)擊穿特性發(fā)現(xiàn)：

(1)兩種不同油基的絕緣油及其對應的油紙系統(tǒng)在-20～10℃內(nèi)都呈先下降后上升的U型變化趨勢，大豆油基天然酯絕緣油及其油紙系統(tǒng)擊穿電壓最小值在-5℃左右，棕櫚油基改性天然酯絕緣油及其油紙系統(tǒng)擊穿電壓最小值在-10℃左右。

(2)在油紙系統(tǒng)中，當紙板厚度為2 mm，電極間距為2 mm與2.5 mm下的工頻擊穿電壓曲線基本一致，電極間距為2 mm時擊穿電壓更穩(wěn)定。

(3)在-10～0℃范圍內(nèi)植物絕緣油擊穿電壓普遍較低，甚至會出現(xiàn)低于相關(guān)技術(shù)標準要求的情況。為避免變壓器發(fā)生絕緣事故，若變壓器油溫在投運前處于-10℃以下時，建議變壓器空載運行一段時間，待油溫上升至10℃后再帶負荷運行。