服役后大豆基天然酯變壓器與礦物油變壓器解體對比分析

魏 賓，王 遠，任雙贊，朱紅梅，楊 磊，徐 陽

（1.國網(wǎng)陜西省電力公司咸陽供電公司，陜西 咸陽 712000；2.西安交通大學 電力設備電氣絕緣國家重點實驗室，陜西 西安 710049；3.國網(wǎng)陜西省電力公司電力科學研究院，陜西 西安 710000）

0 引言

近年來天然酯因其較好的防火性能和易生物降解等優(yōu)點，被越來越多地用在變壓器中[1-3]。據(jù)美國嘉吉公司統(tǒng)計，截止2017年，全球已有約200萬臺天然酯變壓器服役[4]。實驗室研究結(jié)果表明，天然酯相比礦物油具有延長纖維素紙壽命的優(yōu)勢[5-6]，但其氧化安定性較差[7]。實際服役后變壓器中纖維素紙的老化程度尚缺乏直接的評判證據(jù)。

油中溶解氣體分析(DGA)是診斷服役電力變壓器內(nèi)部故障的重要技術方法，對于天然酯變壓器的DGA分析方法，CIGRE和IEEE均給出了技術導則[8-9]。對于服役后天然酯變壓器的DGA數(shù)據(jù)，國際同行正在做大量的收集工作，如澳大利亞昆士蘭大學D MARTIN等[10-13]對17臺無故障天然酯變壓器進行了長達10年的DGA數(shù)據(jù)跟蹤分析，認為天然酯變壓器中乙烷和氫氣的產(chǎn)生與故障無對應關系。嘉吉公司也認為在天然酯變壓器中出現(xiàn)相對礦物油變壓器中更高比例的乙烷和氫氣是正常的。CIGRE D1.213報告指出乙烷是天然酯氧化導致的雜散氣體[14]。

國內(nèi)服役的天然酯變壓器總數(shù)不多[15]，國家電網(wǎng)陜西電力公司于2011年投運了約100臺天然酯配電變壓器，南方電網(wǎng)廣州公司也于2018年1月投運了我國首臺110 kV天然酯變壓器。由于與國際同行所用的油紙絕緣材料可能存在不同，需要對我國服役天然酯變壓器的DGA數(shù)據(jù)進行跟蹤和收集，為DGA標準的制定提供數(shù)據(jù)積累。

本研究選取服役7年的礦物油與天然酯配電變壓器各一臺進行解體分析，將退役后的礦物油與天然酯的理化性能、纖維素紙的聚合度(DP)與含水量進行對比，分析其老化程度。同時對9臺在運中的天然酯配電變壓器取油樣測量油中溶解氣體，以評估其絕緣狀態(tài)。

1 實驗

1.1 退役變壓器解體分析實驗

1.1.1 退役變壓器的主要參數(shù)與負載情況

兩臺配電變壓器均為2018年5月于陜西咸陽退役，其主要參數(shù)如表1所示，所用絕緣液體分別為大豆基天然酯與25#礦物油。其年度負載曲線如圖1所示，天然酯變壓器的平均負荷為88 kW，在2017年1月出現(xiàn)了21天的過載，期間最大負載為314 kW；礦物油變壓器的平均負荷為51 kW，無過載歷史。

表1 退役變壓器的主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of decommissioned transformers

圖1 變壓器年度負載曲線Fig.1 Annual loading curves of two transformers

1.1.2 變壓器解體

解體前從變壓器中取油進行理化性能實驗。將變壓器吊芯后分別從高壓側(cè)繞組中部匝數(shù)的上、中、下3部分取纖維素紙測量聚合度及含水量，取樣位置如圖2所示，觀察絕緣組件的狀態(tài)無明顯異常。由于變壓器低壓側(cè)繞組為箔式繞組，無法取低壓側(cè)纖維素紙進行分析。

1.2 在運變壓器油DGA實驗

取油的變壓器均為2011年掛網(wǎng)的大豆基天然酯配電變壓器，取油樣時間為2019年9月，總計9臺10 kV配電變壓器。取油后立即在實驗室采用氣相色譜儀進行油中溶解氣體分析。

圖2 變壓器的解體Fig.2 Decomposition of transformer

1.3 測試方法

對于所取油樣和紙樣，按照表2標準進行性能測試。

表2 測試標準Tab.2 Test standards

2 變壓器解體分析結(jié)果與討論

2.1 絕緣油理化性能分析

分別測試兩種絕緣油的理化性能，結(jié)果如表3～4所示。由表3～4可知，在服役7年后，變壓器中的大豆基天然酯性能均能夠滿足比合格值更嚴格的未使用天然酯的典型值要求；礦物油除傾點高于-40℃要求外，其余性能均滿足合格值要求。

對比表3和表4的測試結(jié)果，大豆基天然酯的黏度遠大于礦物油，黏度高會影響變壓器的散熱性能。天然酯的飽和含水量約為1 000 mg/kg，礦物油的飽和含水量約為90 mg/kg[16]。本次實驗中，天然酯的含水量為24.8 mg/kg，高于礦物油的含水量5.9 mg/kg，但天然酯的相對含水量為2.5%，而礦物油的相對含水量為6.6%。T SUZUKI等[17]研究發(fā)現(xiàn)在含水量低于200 mg/kg時，水分對天然酯電氣強度的影響非常微小，E GOCKENBACH等[18]對天然酯進行不同含水量下的介質(zhì)損耗因數(shù)測試，也發(fā)現(xiàn)在含水量低于200 mg/kg時，水分對其幾乎沒有影響。

表3 大豆基天然酯性能測試結(jié)果Tab.3 Test results of soybean-based natural ester

表4 礦物油性能測試結(jié)果Tab.4 Test results of mineral oil

2.2 變壓器纖維素紙分析

礦物油變壓器與大豆基天然酯變壓器中均使用纖維素紙，纖維素紙的含水量測試結(jié)果如圖3所示，聚合度測試結(jié)果如圖4所示。

圖3 纖維素紙中含水量Fig.3 Water content in Kraft paper

圖4 纖維素紙聚合度Fig.4 DP of Kraft paper

由圖3可知，礦物油中纖維素紙平均含水量為1.77%，大豆基天然酯中纖維素紙平均含水量為0.67%，礦物油中纖維素紙平均含水量為天然酯中纖維素紙中含水量的2.5倍。這是由于天然酯的飽和含水量遠高于礦物油，且天然酯的親水性較礦物油高。纖維素紙中含水量低會降低紙的水解老化速率，能在一定程度上延長變壓器的壽命。

由于變壓器熱點處于距離繞組上部約1/5處，預期纖維素紙上中部的聚合度相對較低。從圖4可以看出，大豆基天然酯變壓器纖維素紙的聚合度最低為857，礦物油變壓器纖維素紙的聚合度最低為603。假設纖維素紙的初始聚合度相似，說明大豆基天然酯變壓器中纖維素紙聚合度下降程度遠低于礦物油變壓器中。另外，由圖1可知大豆基天然酯變壓器的整體負載高于礦物油變壓器，且曾出現(xiàn)約1.57倍的額定負載，故可以判斷大豆基天然酯相比礦物油對纖維素紙的老化有延緩作用。

3 大豆基天然酯變壓器油樣分析

對9臺在運的10 kV大豆基天然酯變壓器取油后測試其油中溶解氣體含量，結(jié)果如表5所示。IEEE C57.155-2014規(guī)定不同概率下的氣體含量如表6所示。表5中的典型值為概率為90%統(tǒng)計的大豆基天然酯變壓器油中溶解氣體值，從表5～6可以看出，2號變壓器油中溶解氣體含量超過（90%統(tǒng)計值）但未超過95%統(tǒng)計值，而4、5、6號變壓器油中溶解氣體含量超過95%統(tǒng)計值但未超過98%統(tǒng)計值。

表5 在運變壓器DGA測試結(jié)果Tab.5 DGA test results of transformers in operation

表6 IEEE C57.155規(guī)定不同概率下的氣體含量Tab.6 Gas content under different probability specified by IEEE C57.155

由于IEC TC14尚未正式頒布針對天然酯變壓器的DGA方法，若將傳統(tǒng)的三比值法和Duval三角形應用于判斷天然酯變壓器故障則會存在一定的誤差。近年由Duval提出的Duval五邊形法被認為是可用于天然酯變壓器故障的DGA分析方法[19]。

將前述2、4、5、6號4臺變壓器的油中溶解氣體含量結(jié)果繪入Duval五邊形中，如圖5所示，可見4臺變壓器的油中溶解氣體含量均位于Duval五邊形中的T1區(qū)域，即4臺大豆基天然酯變壓器均可能存在低于300℃的熱故障[19]。根據(jù)IEEE C57.155-2014要求，這4臺變壓器是否存在熱故障需進一步觀察與測試。

圖5 存在故障變壓器的Duval五邊形Fig.5 Duval pentagon of transformers with fault

4 結(jié)論

本研究解體分析了兩臺服役年限約7年的大豆基天然酯變壓器及礦物油變壓器，對9臺服役的10 kV大豆基天然酯變壓器取油樣進行DGA測試分析，得出以下結(jié)論：

（1）服役7年后解體變壓器中大豆基天然酯的理化性能均能夠滿足典型值要求，礦物油除傾點高于-40℃要求外，其余性能均滿足合格值要求。

（2）解體分析的礦物油變壓器中纖維素紙平均含水量為1.77%，最低聚合度為603。大豆基天然酯變壓器中纖維素紙平均含水量為0.67%，最低聚合度為857。結(jié)合年度負載曲線可以證實天然酯較礦物油對纖維素紙的老化有延緩作用。

（3）參照IEEE C57.155-2014標準，對選取的9臺在運中天然酯變壓器進行油中溶解氣體分析，其中4臺超過該標準中90%的天然酯變壓器油中溶解氣體含量，表明可能存在低于300℃的潛伏低溫過熱缺陷。