低溫下水分含量對天然酯絕緣油介電特性的影響

孫長海，李天倫，馬 塽，王春逢，蘇曉敏，杭慧芳

（大連理工大學(xué) 電氣工程學(xué)院，遼寧 大連 116024）

0 引言

電力變壓器是輸電網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵設(shè)備之一，傳統(tǒng)油浸式變壓器大多是采用以石油為原料的礦物油作為液體絕緣介質(zhì)，而礦物絕緣油的燃點低、防火性差，并且生物降解率低，一旦發(fā)生運行事故導(dǎo)致泄漏會嚴重危害生態(tài)環(huán)境。隨著可持續(xù)發(fā)展理念的深入，我國正大力推動綠色電網(wǎng)的建設(shè)。天然酯絕緣油以其降解率高和燃點高等優(yōu)點，逐步在采礦、軍工、海上風(fēng)電等諸多領(lǐng)域代替?zhèn)鹘y(tǒng)的礦物絕緣油作為液體絕緣介質(zhì)[1]。天然酯絕緣油變壓器相比礦物油油浸式變壓器更加安全和環(huán)保，在國內(nèi)外已經(jīng)廣泛應(yīng)用于輸電網(wǎng)絡(luò)中[2]。而受地理位置差異以及季節(jié)氣候變化的影響，變壓器實際的工作環(huán)境會有很大不同[3]。在我國北方部分地區(qū)運行的天然酯絕緣油變壓器運行環(huán)境最低溫度可達-30℃，溫度的降低會影響變壓器油的絕緣性能；而水分是影響變壓器穩(wěn)定運行的主要因素，不僅會影響絕緣系統(tǒng)的介電性能，還會影響其內(nèi)部電場分布，嚴重時甚至導(dǎo)致絕緣擊穿[4]。因此研究低溫條件下水分含量對天然酯絕緣油介電特性的影響具有重要意義。

近年來，很多學(xué)者對礦物油的低溫擊穿特性進行了研究。郭沖等[5]研究了低溫條件下水分含量對礦物油擊穿特性的影響，發(fā)現(xiàn)高水分含量的絕緣油擊穿強度在-10～0℃有極值存在，水分形態(tài)隨溫度變化是導(dǎo)致絕緣油擊穿強度發(fā)生變化的主要原因。徐征宇等[6]、高明[7]發(fā)現(xiàn)變壓器油的擊穿電壓與溫度的關(guān)系曲線呈U形，在低溫范圍（-20～10℃）內(nèi)，礦物絕緣油的介質(zhì)損耗因數(shù)基本無變化。張召濤[8]對植物絕緣油的擊穿特性和頻域介電性能進行了研究，發(fā)現(xiàn)在常溫下只有含水量較高時才會嚴重影響天然酯絕緣油的擊穿電壓，介質(zhì)損耗因數(shù)在10-2～100Hz頻率區(qū)間存在最大值。

學(xué)者們對天然酯絕緣油的電氣特性也進行了研究。李曉虎[9]研究了植物油紙的理化及電氣性能，發(fā)現(xiàn)與礦物油相比，植物油的分子極性較大，相對介電常數(shù)與介質(zhì)損耗因數(shù)較大。I L HOSIER等[10]發(fā)現(xiàn)橄欖油老化后導(dǎo)致的黏度上升是造成其交流擊穿電壓提高的原因，而葵花籽油在不形成水-油乳液的情況下才體現(xiàn)出較高的交流擊穿強度和低電導(dǎo)率。K KAMIDANI等[11]研究了FR3絕緣油在20～120℃的交流擊穿特性，發(fā)現(xiàn)在20～70℃條件下絕緣油的交流擊穿電壓隨溫度的升高而增大，在80～120℃時，溫度對其擊穿電壓大小的影響不明顯。

目前關(guān)于天然酯絕緣油的研究大多集中于常溫和高溫條件下，而關(guān)于低溫條件下天然酯絕緣油的研究還鮮有報道。本文主要研究低溫下水分對天然酯絕緣油絕緣特性的影響規(guī)律，為分析低溫環(huán)境下天然酯絕緣油變壓器的絕緣故障問題提供理論依據(jù)，為寒冷地區(qū)新型天然酯絕緣油變壓器的安全維護和穩(wěn)定運行提供理論支持。

1 試驗

1.1 試驗平臺設(shè)計

低溫擊穿試驗平臺由交直流高壓發(fā)生裝置、智能絕緣試驗箱、測試電極、高壓探頭示波器構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 低溫試驗平臺Fig.1 Low temperature test platform

高壓發(fā)生裝置可分別產(chǎn)生0～60 kV的工頻交流電壓和直流電壓。智能絕緣試驗箱可以實現(xiàn)-20～150℃（步進為1℃，誤差為±1℃）的溫度控制，保證箱體內(nèi)溫度均勻分布，內(nèi)部設(shè)有溫度傳感器可實時監(jiān)測箱體內(nèi)部溫度。高壓接入側(cè)設(shè)有高壓套管，可保證裝備的良好絕緣。將高壓探頭連在試品高壓側(cè)，通過示波器波形精確監(jiān)測試品發(fā)生擊穿時的電壓值。

1.2 試驗樣品預(yù)處理

本實驗采用的植物絕緣油為FR3天然酯絕緣油，燃點為360℃，凝點為-20℃，生物降解率可達到98%。對絕緣油進行如下預(yù)處理：采用濾紙過濾去除天然酯絕緣油中的雜質(zhì)，過濾不少于兩次，以保證雜質(zhì)盡可能濾除。設(shè)定干燥箱溫度為90℃，將絕緣油放入干燥箱中保持48 h，以去除絕緣油中的氣體和水分。

采用自然吸潮法制備不同含水量的絕緣油樣：將干燥后的絕緣油暴露在實驗室空氣環(huán)境中自然吸潮，通過精密天平實時監(jiān)測試樣質(zhì)量的變化情況，直到試品質(zhì)量達到預(yù)定值，立刻放入密封瓶中，密封靜置保存10 d以保證油內(nèi)水分分布均勻。根據(jù)NB/SH/T 0207—2010規(guī)定，采用卡爾菲休測量法測量天然酯絕緣油樣中的含水量，測得3組油樣中的含水量分別為55、115、280 mg/kg，并將3組油樣按含水量由低到高的順序依次標注為sample1、sample2和sample3。

1.3 測試方法

根據(jù)GB/T 507—2002規(guī)定，對植物絕緣油采用球-球電極進行擊穿試驗：將油杯放入溫控實驗箱內(nèi)，油隙距離設(shè)為1 mm，以5℃為一個溫度梯度，待試品達到設(shè)定溫度后，采用球隙電極進行擊穿電壓測量試驗，加壓方式采用逐步升壓法，升壓速率為1 kV/s，重復(fù)進行6次擊穿試驗，結(jié)果取平均值。

在與擊穿試驗相同的試驗溫度下進行介質(zhì)損耗因數(shù)測量試驗。采用標準圓形板-板電極，板電極半徑為20 mm，油隙距離設(shè)定為2 mm，測量不同溫度梯度下不同水分含量天然酯絕緣油的介質(zhì)損耗因數(shù)(tanδ)和等效容值(Cx)。然后根據(jù)Cx=εrS/0.036πd計算出相對介電常數(shù)(εr)，其中S為圓形極板面積，d為油隙距離。試驗時，在油杯中將探針式溫度傳感器通過導(dǎo)線連接至低壓側(cè)，監(jiān)測實時的油溫，如圖2所示。

圖2 油杯結(jié)構(gòu)Fig.2 Oil cup structure

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 擊穿特性分析

通過-5～15℃區(qū)間的降溫過程發(fā)現(xiàn)，溫度高于0℃時，天然酯絕緣油呈現(xiàn)為透明綠色，而當(dāng)溫度低于0℃后，絕緣油慢慢由透明綠色變?yōu)槿榘咨?，這是由于隨著溫度的降低，天然酯絕緣油對水分的溶解度降低，使水分從溶解態(tài)的水析出轉(zhuǎn)化為微小液滴，而其在低溫環(huán)境下又慢慢凝結(jié)為微小冰晶，致使整個油體呈現(xiàn)一種乳濁態(tài)。在對低溫下天然酯絕緣油的操作過程發(fā)現(xiàn)，隨著溫度的降低，其黏度也在逐漸增大，這也印證了文獻[12]中的觀點。

對不同含水量油樣進行不同溫度下的擊穿試驗，結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出，隨著油樣中水分含量的增加，天然酯絕緣油的交流擊穿電壓值明顯減小；在降溫初期，隨著溫度的降低，擊穿電壓值減小，當(dāng)溫度降低到一定值時，擊穿電壓出現(xiàn)極小值，隨著溫度的繼續(xù)降低，擊穿電壓值增大。從圖3還可以看出，天然酯絕緣油的直流擊穿特性與交流擊穿特性呈現(xiàn)相同的變化趨勢，但變化幅度沒有交流電壓下那么明顯。此外，在同一含水量條件下，天然酯絕緣油的直流擊穿電壓普遍低于其交流擊穿電壓，并且隨著水分含量的增加，直流擊穿特性曲線與交流擊穿特性曲線逐漸接近。

圖3 不同水分含量天然酯絕緣油交流與直流擊穿電壓隨溫度的變化規(guī)律Fig.3 DC and AC breakdown voltages of natural ester insulating oils with different water content with temperature

實際運行中變壓器內(nèi)存在水分是不可避免的，并以溶解水、游離水和乳化水3種形態(tài)存在于油中。其中，游離水和乳化水的存在會大幅影響絕緣油的擊穿強度[13]。這是因為水屬于極性介質(zhì)，在外加電場的影響下會沿著電場方向排列，這兩種水分會在外加電場的影響下形成導(dǎo)電“水橋”，從而顯著減小天然酯絕緣油的擊穿電壓。而水分在天然酯絕緣油中的形態(tài)又取決于環(huán)境的溫度和水分的含量。當(dāng)溫度較高時，天然酯絕緣油對水分的溶解度較大，水分以溶解水的形態(tài)存在，對擊穿電壓的影響較小。當(dāng)溫度緩慢降低時，天然酯絕緣油對水分的溶解度逐漸減小，溶于天然酯絕緣油中的水分會慢慢析出形成小液滴。由于水分子是極性分子，會在電場作用下拉長形成橢球液滴，這種極性橢球液滴的存在會導(dǎo)致局部電場畸變，同時促進導(dǎo)電小橋的建立，當(dāng)這種小橋形成貫穿的導(dǎo)電通道時，會明顯減小天然酯絕緣油的擊穿電壓。因此，在降溫過程中，水分析出，絕緣油的擊穿電壓逐漸減小，但當(dāng)溫度下降到一定程度時，析出的水分液滴會逐漸轉(zhuǎn)化為微小冰晶的形態(tài)，這種冰晶結(jié)構(gòu)不像液滴一樣易受電場影響且不易導(dǎo)電，致使“水橋”作用消失，而且隨著重力作用可能向下沉積，與礦物絕緣油的情況相近[14]。同時溫度的進一步降低，使天然酯絕緣油的黏度增大，致使擊穿電壓增大，這是由于絕緣油的黏度增大，與之相關(guān)的雜質(zhì)離子活動能力減弱，阻礙了雜質(zhì)小橋的形成，因而整體擊穿電壓呈現(xiàn)出隨溫度繼續(xù)降低而逐漸增大的現(xiàn)象。

實際情況下絕緣油不是完全純凈的，內(nèi)部或多或少存在一些雜質(zhì)，根據(jù)小橋理論，由于油中雜質(zhì)和水分的相對介電常數(shù)都比天然酯絕緣油的大，因此在電場的作用下，雜質(zhì)和水分會形成同向的小橋，這種小橋的排列會影響電場的分布，導(dǎo)致局部放電，降低天然酯絕緣油的絕緣性能[15]，而且在直流電場下這種雜質(zhì)小橋的作用更加明顯，因此呈現(xiàn)出更小的擊穿電壓。

2.2 介電特性分析

2.2.1 介質(zhì)損耗因數(shù)

圖4為工頻電壓下不同水分含量天然酯絕緣油介質(zhì)損耗因數(shù)(tanδ)隨溫度的變化規(guī)律。從圖4可以看出，在工頻電壓作用下，降溫初期，天然酯絕緣油的介質(zhì)損耗因數(shù)隨溫度的降低逐漸增大，達到一定峰值后隨溫度的進一步降低而逐漸減小。

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圖4 不同水分含量天然酯絕緣油介質(zhì)損耗因數(shù)隨溫度的變化規(guī)律Fig.4 Dielectric loss factor of natural ester insulating oils with different water content with temperature

試驗油樣的介質(zhì)損耗只需要考慮電導(dǎo)損耗和極化損耗。天然酯絕緣油作為弱極性電介質(zhì)，在低溫條件下其黏度增大，分子熱運動減弱，與之相關(guān)的松弛極化過程建立緩慢，此時主要以電子位移極化過程為主導(dǎo)，該過程是指在外電場作用下，電介質(zhì)中帶正電的原子核和帶負電的電子層等效中心不重合產(chǎn)生偶極矩，由于電子質(zhì)量極小所以極化時間極短，且當(dāng)外界電場消失后可迅速恢復(fù)到正常狀態(tài)，相應(yīng)的極化強度與外界電場強度呈正比，與外界溫度變化關(guān)系不大，所以極化損耗極小[16]。實際上天然酯絕緣油在外加電場作用下，會由于帶電粒子的移動而產(chǎn)生微小的漏導(dǎo)電流，這種電流流經(jīng)介質(zhì)時會發(fā)熱，從而產(chǎn)生損耗。而在降溫過程中，溶解水的析出會明顯增大絕緣油的電導(dǎo)率，導(dǎo)致其電導(dǎo)損耗增大，從而使得絕緣油的介損增大。當(dāng)溫度進一步降低時，水分會以冰晶的形式存在，使得絕緣油的電導(dǎo)損耗減小，對介質(zhì)損耗的貢獻減小，使介質(zhì)損耗因數(shù)減小。

從圖4還可以看出，隨著天然酯絕緣油中水分含量的增加，溫度變化對絕緣油介質(zhì)損耗的影響顯著增大。當(dāng)絕緣油中的水分較少時，溫度變化對水分形態(tài)的影響不大，其介質(zhì)損耗因數(shù)受溫度影響變化不大；但隨著水分含量的增加，不同溫度下絕緣油的介質(zhì)損耗均顯著增加。這是由于水分作為極性電介質(zhì)，其在工頻電壓作用下會產(chǎn)生偶極子極化，導(dǎo)致極化損耗的產(chǎn)生，因此隨著水分含量的增加，天然酯絕緣油的極化損耗增加。

2.2.2 介電常數(shù)

圖5為工頻電壓下不同水分含量天然酯絕緣油相對介電常數(shù)(εr)隨溫度的變化規(guī)律。

圖5 不同水分含量天然酯絕緣油相對介電常數(shù)隨溫度的變化規(guī)律Fig.5 Relative dielectric constant of natural ester insulating oils with different water content with temperature

從圖5可以看出，天然酯絕緣油的相對介電常數(shù)隨溫度升高而逐漸減小，但是變化幅度不大。前文中提到，天然酯絕緣油作為弱極性電解質(zhì)在低溫下以電子位移極化為主導(dǎo)，而電子位移極化率與溫度關(guān)系不大。但由于降溫過程中，天然酯絕緣油分子體積減小，使得單位體積內(nèi)分子數(shù)增加，從而使介電常數(shù)輕微上升。由于水分子是極性介質(zhì)，會在電場作用下發(fā)生偶極子極化，所以隨著水分含量的增加，絕緣油的相對介電常數(shù)增大。

3 結(jié)論

（1）水分的存在和黏度會影響天然酯絕緣油的擊穿特性。低溫下天然酯絕緣油的擊穿電壓隨著溫度的降低先減小后增大，其中直流擊穿電壓比交流擊穿電壓小，隨著水分含量的增加，其交、直流特性曲線逐漸接近。

（2）低溫條件下，水分的形態(tài)變化影響著天然酯絕緣油的介質(zhì)損耗因數(shù)，隨著溫度的降低，其介質(zhì)損耗因數(shù)呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，在-5～0℃存在最大值，但在低含水量下，溫度對其介質(zhì)損耗因數(shù)影響不大。

（3）水分含量的增加會增大天然酯絕緣油的工頻相對介電常數(shù)，溫度變化對天然酯絕緣油的相對介電常數(shù)影響不大，隨溫度降低呈現(xiàn)出輕微上升的趨勢。