不同水分含量下三元混合式絕緣油浸紙板的介電、工頻擊穿及產(chǎn)氣特性對(duì)比研究

朱孟兆，朱文兵，陳 鑫，郝 建，高晨煜，馮大偉

（1.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 650000；2.重慶大學(xué) 輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044；3.國(guó)網(wǎng)無(wú)錫供電公司，江蘇 無(wú)錫 214000）

0 引言

絕緣油承擔(dān)著絕緣、散熱和滅弧的功能，被譽(yù)為“變壓器的血液”，其性能對(duì)變壓器的安全穩(wěn)定運(yùn)行意義重大[1]。礦物絕緣油在油浸式變壓器中的應(yīng)用已有100多年歷史，因?yàn)槠鋬?yōu)良的絕緣性能和穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)，依然是目前應(yīng)用最廣泛的絕緣油[2]。然而，礦物絕緣油具有較低的閃點(diǎn)和燃點(diǎn)、不可再生性以及較差的生物降解性，不能滿足當(dāng)前新型綠色環(huán)保及高防火安全性絕緣材料的需求[3]。因此，尋找礦物絕緣油的理想替代品一直是近20年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)。

植物絕緣油具有電氣性能好、生物降解率高、環(huán)?？稍偕?、延緩絕緣紙老化等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是礦物絕緣油的理想替代品，并已成功應(yīng)用于10～420 kV電壓等級(jí)的電力變壓器中[4-5]。然而，與傳統(tǒng)礦物絕緣油相比，植物絕緣油的氧化安定性差，凝點(diǎn)和介質(zhì)損耗因數(shù)較高，并且具有較高的黏度和酸值[6]。因此將植物絕緣油應(yīng)用于油浸式變壓器之前，需要對(duì)變壓器的絕緣、散熱等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以滿足變壓器出廠檢測(cè)及安全運(yùn)行要求。

混合絕緣油由礦物絕緣油和植物絕緣油按照一定工序混合得到，可改善單一油品性能上的不足，統(tǒng)籌兼顧各種絕緣油性能的優(yōu)缺點(diǎn)，逐漸成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)[7]。I FOFANA等[8]、C PERRIER等[9]對(duì)合成酯與礦物絕緣油混合而成的混合絕緣油基礎(chǔ)性能進(jìn)行了系統(tǒng)研究，提出了20%合成酯+80%礦物絕緣油的理想混合比。梁帥偉[10]、郭沛[11]提出了20%植物絕緣油（橄欖油/精煉菜籽油）+80%礦物油的混合絕緣油配方，該類(lèi)型混合絕緣油的關(guān)鍵性能基本滿足GB 2536—2011的要求，并且可延緩絕緣紙的老化，但介質(zhì)損耗因數(shù)、運(yùn)動(dòng)黏度、酸值等參數(shù)稍高。D GRZEGORZ等[12]提出酯類(lèi)的添加可以有效地提高礦物油的防火安全性能。A BEROUAL等[13]則提出天然酯的添加可以提高礦物油的工頻擊穿電壓和直流擊穿電壓，提升幅度分別達(dá)到12.0%和28.5%。綜合分析國(guó)內(nèi)外混合油的研究進(jìn)展，現(xiàn)有混合油存在酸值、運(yùn)動(dòng)黏度、介質(zhì)損耗較高等性能缺點(diǎn)，在應(yīng)用于油浸式變壓器前需要對(duì)變壓器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。針對(duì)此，LIAO Ruijin等[14]研制了一種新型三元混合式絕緣油（76%礦物油+19%大豆植物油+5%棕櫚油），油品中抗氧化劑為0.2% T511+0.2% L06（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），該三元混合式絕緣油性能參數(shù)滿足IEC 60296-2012或GB 2536—2011中礦物絕緣油的性能參數(shù)要求。

油-紙絕緣是變壓器內(nèi)絕緣的主要組成部分，其電氣性能的重要性不言而喻。國(guó)內(nèi)外研究表明，油-紙絕緣中的水分對(duì)變壓器的電氣及力學(xué)性能有著極其重要的影響，水分的增加會(huì)大幅降低油-紙絕緣的電氣強(qiáng)度，并加速油-紙絕緣的老化，縮短其絕緣壽命[15-16]。本研究以礦物油浸絕緣紙板為參比對(duì)象，在不同水分含量下對(duì)新型三元混合式油浸絕緣紙板的工頻擊穿特性以及產(chǎn)氣特性展開(kāi)研究，為新型三元混合式油-紙復(fù)合體系的安全應(yīng)用及故障診斷提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料及其性能參數(shù)

三元混合式絕緣油的3種基礎(chǔ)油型號(hào)及供應(yīng)商如表1所示，其中25#礦物絕緣油是對(duì)照組用油。

表1 新型三元混合式絕緣油的基礎(chǔ)油Tab.1 Base oils for novel three-element mixed insulating oil

三元混合式絕緣油是以礦物油、大豆油和棕櫚油為基礎(chǔ)油按照體積比76∶19∶5進(jìn)行混合，并加入0.4%的復(fù)合抗氧化劑（0.2% T511+0.2% L06）得到，其性能參數(shù)如表2所示。礦物絕緣油和三元混合式絕緣油在90℃、50 Pa下真空干燥48 h，干燥后兩種油品水分含量在15×10-6左右。

表2 新型三元混合式絕緣油性能參數(shù)Tab.2 Parameters of the novel three-element mixed insulating oil

絕緣紙板選用厚度為0.45 mm的普通牛皮絕緣紙板。將紙板在130℃、50 Pa下分別干燥0、3、24 h，并在60℃、50 Pa下浸油48 h，制成水分含量分別為0.9%、1.6%、4.3%的三元混合式絕緣油浸紙板和礦物絕緣油浸紙板樣品。

1.2 絕緣油浸紙板介電特性測(cè)試

采用Novocontrol Concept 80型寬頻介電譜儀對(duì)絕緣油浸紙板的相對(duì)介電常數(shù)、介質(zhì)損耗因數(shù)以及體積電導(dǎo)率進(jìn)行測(cè)試，絕緣油浸紙板的水分含量分別為0.9%和4.3%，實(shí)驗(yàn)溫度為30℃，測(cè)試頻率為10-1～107Hz。

1.3 絕緣油浸紙板工頻擊穿及產(chǎn)氣特性分析實(shí)驗(yàn)

工頻擊穿試驗(yàn)參照IEC 60243-1進(jìn)行，升壓速率為1 kV/s。油杯中電極采用柱-柱電極，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。試驗(yàn)溫度為30℃，每個(gè)樣品至少測(cè)量11次工頻擊穿電壓，并采用Weibull分布進(jìn)行分析。

在三元混合式絕緣油浸紙板和礦物絕緣油浸紙板分別擊穿20次、40次和60次后，開(kāi)啟密封油杯使用玻璃注射器快速抽取絕緣油樣品，并嚴(yán)格密封。為減少空氣對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，取樣位置位于油面50 mm以下的油浸紙板擊穿點(diǎn)附近。采用中分2 000B變壓器油中溶解氣體氣相色譜分析儀獲取 H2、C2H2、CO2、CH4等特征氣體含量，按照 DL/T 722—2014《變壓器油中溶解氣體分析和判斷導(dǎo)則》，對(duì)比三元混合式絕緣油浸紙板和礦物絕緣油浸紙板發(fā)生工頻擊穿后油中溶解氣體的差異，分析三元混合式絕緣油-紙板復(fù)合體系工頻擊穿故障下的產(chǎn)氣特性。

圖1 工頻交流擊穿實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 The system of AC breakdown experiment

2 結(jié)果及分析

2.1 絕緣油浸紙板的介電特性分析

圖2為不同水分含量下礦物絕緣油浸紙板和三元混合式絕緣油浸紙板的介電特性。從圖2可以看出，與礦物絕緣油浸紙板相比，三元混合式絕緣油浸紙板具有較大的相對(duì)介電常數(shù)、介質(zhì)損耗因數(shù)和體積電導(dǎo)率，三元混合式絕緣油中24%的植物油成分是兩種絕緣油浸紙板介電性能產(chǎn)生差異的主要原因。兩種絕緣油浸紙板的介電性能差異主要集中在低頻段，當(dāng)頻率為50 Hz時(shí)，水分含量為0.9%的三元混合式絕緣油浸紙板的相對(duì)介電常數(shù)、介質(zhì)損耗因數(shù)和體積電導(dǎo)率分別為相同水分含量礦物絕緣油浸紙板的1.02倍、1.58倍和1.63倍。絕緣油浸紙板的介電特性受紙板水分影響顯著，三元混合式絕緣油浸紙板在水分含量為0.9%時(shí)的相對(duì)介電常數(shù)、介質(zhì)損耗因數(shù)和體積電導(dǎo)率分別為水分含量為4.3%時(shí)的1.52倍、30.91倍和46.29倍，高水分含量下三元混合式絕緣油浸紙板的相對(duì)介電常數(shù)、介質(zhì)損耗因數(shù)和體積電導(dǎo)率也高于礦物絕緣油浸紙板。

2.2 絕緣油浸紙板的工頻擊穿特性分析

圖2 不同水分含量下礦物絕緣油浸紙板和三元混合式絕緣油浸紙板的介電特性Fig.2 The dielectric properties of mineral oil-impregnated pressboard and three-element mixed insulating oil-impregnated pressboard at different moisture contents

Weibull分布是一種廣泛應(yīng)用于絕緣材料和絕緣結(jié)構(gòu)失效數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析方法，采用雙參數(shù)Weibull分布對(duì)絕緣油浸紙板工頻擊穿電壓進(jìn)行擬合分析，雙參數(shù)Weibull分布模型的失效分布函數(shù)如式（1）所示[15]。

式（1）中：t為變量，在本文中對(duì)應(yīng)絕緣油浸紙板的擊穿電壓值，隨著t的增大，失效概率增加；α為尺度參數(shù)，用于描述絕緣油浸紙板的特征擊穿電壓；β為形狀參數(shù)，反映擊穿電壓的分散性。通過(guò)獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)樣本對(duì)失效分布函數(shù)中的α、β進(jìn)行估計(jì)，進(jìn)而確定Weibull分布模型參數(shù)。本研究數(shù)據(jù)樣本為完整數(shù)據(jù)，經(jīng)驗(yàn)分布函數(shù)Fn(ti)的取值由式（2）計(jì)算獲得，i代表測(cè)試樣本次序，n為樣本數(shù)量。

圖3為不同水分含量下兩種絕緣油浸紙板工頻擊穿電壓的Weibull分布圖，表3為Weibull分布中的α、β值。

圖3 兩種絕緣油浸紙板不同水分含量下工頻擊穿電壓的Weibull分布Fig.3 Weibull probability plot of breakdown voltage for two types of oil-impregnated insulation pressboards at different moisture contents

表3 兩種絕緣油浸紙板擊穿電壓Weibull分布模型中的α和β值Tab.3 Values of α and β in Weibull distribution of the breakdown voltage for two types of oil-impregnated insulation pressboards

從表3可以看出，礦物絕緣油浸紙板和三元混合式絕緣油浸紙板擊穿電壓的等效值（即α值）隨紙板水分含量的增加而逐漸減?。幌嗤埌逅趾肯?，三元混合式絕緣油浸紙板擊穿電壓的等效值高于礦物絕緣油浸紙板；三元混合式絕緣油浸紙板擊穿電壓Weibull分布中的β值略高于礦物絕緣油浸紙板，即其擊穿電壓數(shù)據(jù)的分散性相對(duì)較小。

圖4為水分含量對(duì)兩種絕緣油浸紙板擊穿電壓的影響。從圖4可以看出，隨著水分含量的增加，兩種絕緣油浸紙板的擊穿電壓均出現(xiàn)一定程度的下降。當(dāng)紙板水分含量從0.9%上升至4.3%時(shí)，礦物絕緣油浸紙板和三元混合式絕緣油浸紙板的擊穿電壓分別下降了19.02%和5.50%。紙板含水量的增加會(huì)導(dǎo)致絕緣油浸紙板中雜質(zhì)離子濃度增大，體積電導(dǎo)率上升，電流密度增加，從而使絕緣油浸紙板的擊穿電壓降低；同時(shí)，水分含量的增加會(huì)加劇絕緣油浸紙板的介質(zhì)損耗，導(dǎo)致介質(zhì)溫度升高，引起油紙絕緣劣化，使絕緣油浸紙板的擊穿電壓下降。兩種絕緣油浸紙板擊穿電壓的差距在紙板水分含量較高時(shí)更為明顯。當(dāng)紙中水分含量為0.9%時(shí)，三元混合式絕緣油浸紙板的擊穿電壓特征值僅為礦物絕緣油浸紙板的1.01倍，而當(dāng)水分含量為4.3%時(shí)，三元混合式絕緣油浸紙板的擊穿電壓特征值增長(zhǎng)為礦物絕緣油浸紙板的1.18倍。由于三元混合式絕緣油具有較高的飽和水含量，該種絕緣油浸紙板的擊穿電壓受水分含量的影響較小。

圖4 水分對(duì)兩種絕緣油浸紙板工頻擊穿電壓的影響Fig.4 Effect of moisture on the power frequency breakdown voltage of two types of oil-impregnated insulation pressboards

三元混合式絕緣油浸紙板的擊穿電壓特征值大于礦物絕緣油浸紙板的重要原因之一是絕緣油-紙板復(fù)合體系電場(chǎng)分布的差異。絕緣油浸紙板可認(rèn)為是絕緣紙板與絕緣油組成的雙層復(fù)合電介質(zhì)，每層電介質(zhì)在交變電場(chǎng)下所承受的電場(chǎng)強(qiáng)度如式（4）所示，其中εr1、εr2分別為兩層電介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)；E1、E2分別為兩層電介質(zhì)承受的電場(chǎng)強(qiáng)度[17]。由表2可知，三元混合式絕緣油與礦物油的相對(duì)介電常數(shù)分別為2.32和2.13。因此，在相同外施電壓下，三元混合式絕緣油浸紙板內(nèi)油紙間的電場(chǎng)分布更為均勻，從而具有更高的擊穿電壓值。

采用COMSOL Multiphysics仿真軟件構(gòu)建兩種油浸紙板在柱-柱電極下的電場(chǎng)分布仿真模型，油浸紙板厚度為0.45 mm，三元混合式絕緣油與礦物絕緣油的相對(duì)介電常數(shù)分別為2.32和2.13，兩種油浸紙板的相對(duì)介電常數(shù)分別為4.94和5.05[18]，仿真時(shí)施加的交流電壓u=21 000sin(100πt)V。t=0.005 s時(shí)，仿真結(jié)果如圖5～6所示。從圖5可以看出，電極倒角處的電場(chǎng)明顯強(qiáng)于其他部位，最大電場(chǎng)位于電極倒角與絕緣紙板表面的接觸圓周上。由于三元混合式絕緣油-紙板復(fù)合體系中絕緣油與絕緣紙板相對(duì)介電常數(shù)之比小于礦物絕緣油-紙板復(fù)合體系，三元混合式絕緣油浸紙板的電場(chǎng)強(qiáng)度略低于礦物絕緣油浸漬紙板，如圖6所示。三元混合式絕緣油較高的交流擊穿電壓及其油浸漬絕緣紙板承受較小的電場(chǎng)強(qiáng)度是三元混合式絕緣油浸漬紙板具有更高交流擊穿電壓的原因。

圖5 三元混合式絕緣油浸漬絕緣紙板柱電極下的電場(chǎng)分布仿真結(jié)果Fig.5 The simulation result of electric field distribution of the three-element mixed oil-impregnated pressboard under cylinder electrode

圖6 從電極中心沿徑向方向電場(chǎng)分布Fig.6 Electric field distribution in the radial direction from the electrode center

距離電極軸心11 mm、分別距油-紙分界面0.1 mm的絕緣油中電場(chǎng)強(qiáng)度(Eo)和絕緣紙板中電場(chǎng)強(qiáng)度(EP)如表4所示。從表4可以看出，與礦物絕緣油-紙板復(fù)合體系相比，在三元混合式絕緣油-紙板復(fù)合體系中，不僅相同位置的絕緣油、絕緣紙板的電場(chǎng)強(qiáng)度更小，且絕緣油與絕緣紙板間電場(chǎng)強(qiáng)度差值(ΔE)也較小，進(jìn)一步表明三元混合式絕緣油-紙板復(fù)合體系油紙間電場(chǎng)分布更為均勻，從而具有更高的工頻擊穿電壓。

表4 絕緣油與絕緣紙板間電場(chǎng)強(qiáng)度的差值Tab.4 Difference value of electric field between insulating oil and insulation pressboard

2.3 絕緣油浸紙板工頻擊穿產(chǎn)氣特性分析

圖7為水分含量為0.9%的兩種絕緣油浸紙板擊穿20次、40次和60次后油中主要溶解氣體含量。從圖7可以看出，隨著絕緣油浸紙板擊穿次數(shù)的增加，油中各溶解氣體含量明顯上升；與礦物絕緣油浸紙板相比，三元混合式絕緣油浸紙板發(fā)生相同次數(shù)工頻擊穿后，油中c(H2)、c(CH4)、c(C2H4)、c(C2H2)和c(總烴)相對(duì)較少，例如發(fā)生60次工頻擊穿后，三元混合式絕緣油中c(C2H2)和c(總烴)僅為礦物絕緣油中的72%和78.43%，三元混合式絕緣油中c(CO)和c(C2H6)為礦物絕緣油中1.49倍和1.42倍。除CO2外，絕緣油浸紙板工頻擊穿產(chǎn)生的主要?dú)怏w為H2和C2H2。

圖7 兩種絕緣油浸紙板工頻擊穿后油中溶解氣體含量Fig.7 Dissolved gas contents in oil of two types of oil-impregnated insulation pressboards after breakdown

圖8為兩種絕緣油浸紙板工頻擊穿后油中溶解氣體占比。從圖8可以看出，隨著擊穿次數(shù)的增加，油中溶解的CO2所占比例不斷下降，從新油中90%以上下降到擊穿60次后的45%以下，而其他溶解氣體所占比例顯著上升。H2、C2H2為除CO2之外占比最高的兩種氣體，工頻擊穿60次后，三元混合式絕緣油中溶解的H2和C2H2占比達(dá)到23.07%和18.05%。

圖8 兩種絕緣油浸紙板工頻擊穿后油中溶解氣體占比Fig.8 The proportion of dissolved gases in oil of two types of oil-impregnated insulation pressboards after breakdown

表5為DL/T 722—2014《變壓器油中溶解氣體分析和判斷導(dǎo)則》中，基于三比值法的常見(jiàn)變壓器故障診斷方法[19]。礦物絕緣油浸紙板工頻擊穿故障下c(C2H2)/c(C2H4)、c(CH4)/c(H2)、c(C2H4)/c(C2H6)分別基本維持在4.33～6.91、0.17～0.68和2.75～3.08，符合DL/T 722—2014中對(duì)于放電故障范疇的界定。三元混合式絕緣油浸紙板工頻擊穿故障下c(C2H2)/c(C2H4)、c(CH4)/c(H2)、c(C2H4)/c(C2H6)分別為 4.39～9.20、0.08～0.14、0.33～2.22，其中c(CH4)/c(H2)和c(C2H4)/c(C2H6)小于礦物絕緣油浸紙板工頻擊穿后相應(yīng)的油中氣體比值，且不完全符合DL/T 722—2014中對(duì)于放電故障三比值范圍的界定。因此，三元混合式絕緣油浸紙板工頻擊穿故障后c(CH4)/c(H2)、c(C2H4)/c(C2H6)小于礦物絕緣油浸紙板，可作為區(qū)別兩種絕緣油-紙復(fù)合體系工頻擊穿故障的依據(jù)；同時(shí)，傳統(tǒng)礦物絕緣油變壓器基于油中溶解氣體分析的故障診斷方法不再適用于三元混合式絕緣油變壓器，需要綜合各類(lèi)型電、熱故障油中溶解氣體特性后加以修正。

表5 溶解氣體三比值法Tab.5 Three-ratio method of dissolved gas analysis

3 結(jié)論

（1）與礦物絕緣油浸紙板相比，三元混合式絕緣油浸紙板的相對(duì)介電常數(shù)、介質(zhì)損耗因數(shù)和體積電導(dǎo)率偏大，且隨紙板水分含量的增加而升高。相同水分含量下三元混合式絕緣油浸紙板的擊穿電壓大于礦物絕緣油浸紙板；當(dāng)水分含量從0.9%升高為4.3%，礦物絕緣油浸紙板的工頻擊穿電壓下降了19.02%，而三元混合式絕緣油浸漬紙板僅下降5.50%；油浸紙板水分含量越高，三元混合式絕緣油浸紙板的工頻擊穿性能優(yōu)越性越顯著。

（2）H2和C2H2是三元混合式絕緣油浸紙板與礦物油浸紙板工頻擊穿的主要產(chǎn)氣類(lèi)型，工頻擊穿60次后三元混合式絕緣油中溶解的H2和C2H2占比達(dá)23.07%和18.05%。三元混合式絕緣油浸紙板工頻擊穿故障后c(CH4)/c(H2)、c(C2H4)/c(C2H6)小于礦物絕緣油浸紙板，可作為區(qū)別兩種絕緣油-紙板復(fù)合體系產(chǎn)氣特性差異的依據(jù)。