不同組成變壓器油及油紙絕緣體系受雷電沖擊后油中溶解氣體變化

于會民，張培恒，王會娟，陳 華，張 昱，張 綺，馬書杰

（1.中國石油蘭州潤滑油研究開發(fā)中心，新疆 克拉瑪依 834003；2.中國石油潤滑油重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 克拉瑪依 834003；3.中國石油遼河潤滑油廠，遼寧 盤錦 124000）

0 引言

變壓器作為輸變電系統(tǒng)中的核心設(shè)備，在現(xiàn)場運(yùn)行中，不可避免地遭受到自然界閃電的沖擊，戶外運(yùn)行的電力變壓器受到的威脅更大。變壓器制造商為了保證出廠的變壓器能夠經(jīng)受住自然界閃電的沖擊，制定了一系列沖擊試驗(yàn)項(xiàng)目，而雷電沖擊試驗(yàn)是高壓、特高壓電力變壓器出廠前的例行試驗(yàn)項(xiàng)目[1-2]。高壓、特高壓電力變壓器在進(jìn)行雷電沖擊試驗(yàn)時，施加不同等級電壓沖擊后，將示波器上所檢測的電壓波形與標(biāo)準(zhǔn)波形對比，通過波形變化情況來判斷是否發(fā)生擊穿。一些變壓器制造企業(yè)把油中溶解氣體組分及含量檢測作為雷電沖擊試驗(yàn)后的預(yù)防性檢測項(xiàng)目。近年來，在特高壓電力變壓器和換流變壓器雷電沖擊試驗(yàn)后的油中溶解氣體組分和含量檢測中發(fā)現(xiàn)：高壓、特高壓電力變壓器在進(jìn)行雷電沖擊試驗(yàn)后，所檢測到的電壓波形與標(biāo)準(zhǔn)波形一致，即沒有發(fā)生明顯的擊穿現(xiàn)象，但是油中溶解的氣體組分中出現(xiàn)了乙炔氣體，而乙炔氣體通常是變壓器油發(fā)生局部放電的產(chǎn)物。

文獻(xiàn)[3-4]報道了多次雷電沖擊電壓下和非標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊電壓下變壓器油浸絕緣紙板的累積效應(yīng)和擊穿特性，指出隨著雷電沖擊電壓幅值的升高，油浸絕緣紙板累積直至擊穿所需要的試驗(yàn)次數(shù)大幅減少，雷電沖擊電壓對油浸絕緣紙板具有明顯的累積效應(yīng)；多次雷電沖擊電壓的累積作用會導(dǎo)致油浸絕緣紙板表面顏色、粗糙度和形貌發(fā)生變化，絕緣模型中絕緣紙總厚度保持恒定時，絕緣紙層數(shù)的增加會提高絕緣模型的擊穿強(qiáng)度。文獻(xiàn)[5-8]報道了雷電沖擊電壓下幾種典型油紙缺陷的局部放電測量技術(shù)、特征譜圖以及紙絕緣氣隙局部放電特性。

在油紙絕緣體系能承受的真實(shí)雷電沖擊電場強(qiáng)度下，針對不同組成的環(huán)烷基變壓器油及含抗氧劑的油紙絕緣體系，在未發(fā)生明顯的擊穿情況下其油中溶解的氫氣和乙炔氣體含量的變化趨勢尚未見系統(tǒng)報道。本文在施加雷電沖擊波且未發(fā)生明顯擊穿的情況下，研究油中溶解氣體關(guān)鍵組分及含量的變化趨勢，推算不同類型變壓器油所構(gòu)成的油紙絕緣體系承受的雷電沖擊電場強(qiáng)度，以期為電力設(shè)備絕緣設(shè)計(jì)的可靠性提供技術(shù)支持。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

變壓器的主體絕緣體系主要由變壓器油和絕緣紙板構(gòu)成。

變壓器油按基礎(chǔ)油組成可分為環(huán)烷基變壓器油、中間基變壓器油和石蠟基變壓器油，目前，國內(nèi)環(huán)烷基變壓器油占有90%的市場份額。由于加工工藝的不同，環(huán)烷基變壓器油依據(jù)芳烴含量不同可分為芳烴含量小于1.2%的低芳烴變壓器油、芳烴含量大于1.2%且小于7.0%的中等芳烴變壓器油和芳烴含量大于7.0%的高芳烴變壓器油。本研究采用的原料油為不同芳烴含量的環(huán)烷基變壓器油，編號分別為基礎(chǔ)油1、基礎(chǔ)油2和基礎(chǔ)油3，其相關(guān)信息和性質(zhì)見表1～2。

變壓器油由于自身應(yīng)用的獨(dú)特性，其添加劑的使用受到很大限制，國內(nèi)外通用的變壓器油產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)[9-11]中規(guī)定只能使用抗氧劑，且加入量不大于0.4%，目前，通用的抗氧劑為烷基酚型抗氧劑DBPC，本研究簡稱為抗氧劑A。具體信息見表1。

變壓器常用絕緣紙板的厚度為1～3 mm，為了切割方便，本研究選用厚度為1.0 mm的絕緣紙板作為固體試驗(yàn)材料，具體信息見表1。

碳型分析是將復(fù)雜的礦物型變壓器油簡單地看成是由鏈烷烴、環(huán)烷烴和芳香烴組成的單一分子，分別用CA、CN、CP表示芳香碳原子、環(huán)烷碳原子、鏈烷烴碳原子占總碳原子的百分?jǐn)?shù)，其中CA大說明礦物型變壓器油中芳烴含量高[12]。

表2的碳型分析數(shù)據(jù)說明，基礎(chǔ)油1的芳烴含量為0.1%，屬于低芳烴變壓器油；基礎(chǔ)油2的芳烴含量為4.4%，屬于中等芳烴變壓器油；基礎(chǔ)油3的芳烴含量為16.2%，屬于高芳烴變壓器油；3種基礎(chǔ)油的CP值都小于50%，屬于典型的環(huán)烷基基礎(chǔ)油。

1.2 主要試驗(yàn)設(shè)備

CA100型油品微水測量儀，三菱化學(xué)株式會社；899型便攜型油品微水測定儀，860型卡氏爐、瑞士萬通中國有限公司；ZHYQ3500型變壓器油氣體含量測量儀，山東中惠儀器有限公司；7890B型氣相色譜儀，美國安捷倫公司；CDYL-600kV/2kJ型沖擊發(fā)生器，北京華天機(jī)電研究所有限公司。

1.3 主要試驗(yàn)方法

1.3.1 試驗(yàn)裝置

變壓器油雷電沖擊試驗(yàn)裝置主要由沖擊電壓發(fā)生器和電極箱組成。沖擊電壓發(fā)生器的標(biāo)稱電壓為±600 kV，額定能量為2 kJ，級數(shù)為6級；標(biāo)準(zhǔn)雷電波為(1.2±30%)/(50±20%)μs，峰值處振蕩不大于幅值的5%；雷電波（空載）發(fā)生器效率不低于90%。

表2 變壓器油典型性質(zhì)Tab.2 Typical properties of transformer oils

電極箱承受的雷電沖擊電壓為600 kV，充油容量為2 L，針-球電極間距設(shè)置為25 mm，試驗(yàn)油杯如圖1(a)所示。超高壓變壓器油紙隔板絕緣結(jié)構(gòu)中，隨著許用電壓等級升高，紙板數(shù)量增加，系統(tǒng)擊穿電壓大于500 kV時，采用薄紙板小間隙的設(shè)計(jì)，因此，在電極間距為25 mm的油隙中，采用厚度為1 mm的紙板，設(shè)計(jì)插入4～5層絕緣紙板。電極之間的油紙間隙如圖1(b)所示。兩電極之間插入絕緣紙板，絕緣紙板間隙為1～2 mm，并使油品完全浸沒絕緣紙板，蓋上防塵蓋，靜置10～15 min，使油品溫度和實(shí)驗(yàn)室環(huán)境溫度相同。試驗(yàn)時在電極的一端施加低于油品擊穿電壓的雷電全波沖擊電壓，反復(fù)施加雷電全波沖擊電壓10次，兩次施加沖擊電壓的時間間隔為2 min，確保每次施加電壓前油中無氣泡。施加沖擊電壓后，利用100 mL注射器抽取兩個電極之間第一層絕緣紙板前面的油樣，測試油中溶解氣體組成及含量[13]。

從放電次數(shù)和放電電荷量來看，自然界中負(fù)極性雷電占90%。變壓器油的雷電沖擊試驗(yàn)通常要求在極不均勻的發(fā)散電場中進(jìn)行，油浸式變壓器進(jìn)行雷電沖擊試驗(yàn)時，為減少試驗(yàn)線路中出現(xiàn)異常的外部閃絡(luò)危險，試驗(yàn)電壓通常選擇為負(fù)極性[14-15]。因此，本研究在采用不均勻的發(fā)散電場結(jié)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)時，沖擊波電壓極性為負(fù)極性，試驗(yàn)電壓波形采用t=(1.2±30%)/(50±20%)μs的標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊全波。

圖1 變壓器油雷電沖擊試驗(yàn)裝置Fig.1 Experimental setup of lightning impulse test for transformer oil

1.3.2 試驗(yàn)方案

施加雷電沖擊電壓的大小參照電力變壓器的絕緣水平絕緣試驗(yàn)規(guī)定[16]，其中330 kV以上的電力變壓器所承受的雷電全波沖擊電壓是系統(tǒng)標(biāo)稱電壓的2.0～2.9倍。110～330 kV的電力變壓器所承受的雷電全波沖擊電壓是系統(tǒng)標(biāo)稱電壓的2.9～3.8倍。超高壓、特高壓變壓器都是要求無局部放電現(xiàn)象，在此條件下，超高壓變壓器的主絕緣結(jié)構(gòu)中，長期最高工作電壓下的許用場強(qiáng)一般要小于4 MV/m，且電壓等級越高，此值越小。對端部出線的絕緣結(jié)構(gòu)，此值要小于2 MV/m。超高壓變壓器主絕緣設(shè)計(jì)場強(qiáng)為2～4 kV/mm[17]。

按超高壓變壓器主絕緣最大場強(qiáng)為2～4 kV/mm的設(shè)計(jì)要求，估算出在試驗(yàn)電極箱的間隙為25.0 mm的油紙板絕緣體系中，110～330 kV電壓等級的電力變壓器對應(yīng)系統(tǒng)標(biāo)稱電壓為50～100 kV，承受最高的雷電全波沖擊試驗(yàn)電壓為290～380 kV。330 kV及以上電壓等級電力變壓器對應(yīng)系統(tǒng)標(biāo)稱電壓為50～100 kV，承受最高的雷電全波沖擊試驗(yàn)電壓為200～290 kV。

具體試驗(yàn)方案：沖擊波類型為雷電全波，油間隙為25.0 mm，試驗(yàn)電壓分別為100、200、300、400、500 kV，施加電壓后監(jiān)測油中溶解的氫氣和乙炔氣體。

1.4 樣品處理

1.4.1 變壓器油處理

試驗(yàn)前應(yīng)保證變壓器油中大于5 μm的顆粒度小于1 000個/100 mL、水分含量小于10 mg/kg、含氣量小于1%。為了達(dá)到以上要求，采用2.0 μm聚四氟乙烯膜對變壓器油樣品進(jìn)行真空過濾除去雜質(zhì)，然后在真空度低于100 Pa、溫度為60℃的條件下進(jìn)行真空脫氣脫水處理，處理后的變壓器油性質(zhì)見表3。

1.4.2 絕緣紙板的處理

變壓器充油前，要求絕緣紙板中水分含量小于0.5%。在(105±5)℃的干燥箱中，對絕緣紙板干燥2 h以上，干燥后絕緣紙板的水分含量都小于0.5%。將干燥后絕緣紙板浸泡在待測油樣品中，降低紙板中的空氣含量。

表3 處理后的變壓器油性質(zhì)Tab.3 Properties of treated transformer oils

2 結(jié)果與討論

2.1 不同組成變壓器油的雷電沖擊擊穿電壓

依照絕緣液體雷電沖擊擊穿電壓測定方法[14]，采用針-球電極，分別在電極間隙為5、10、15、20、25 mm下，考察不同芳烴含量的基礎(chǔ)油及加抗氧劑A后的雷電沖擊擊穿電壓，負(fù)極性雷電沖擊擊穿電壓測試結(jié)果見圖2～4。

圖2 不同組成基礎(chǔ)油的雷電沖擊擊穿電壓Fig.2 Lightning impulse breakdown voltages of different composition oils

從圖2可以看出，在不同組成變壓器油構(gòu)成的純油絕緣體系中，3種基礎(chǔ)油的雷電沖擊擊穿電壓隨著電極間隙的增大而增大，其中基礎(chǔ)油1的增幅最大，基礎(chǔ)油3的增幅最小。在相同電極間隙下，基礎(chǔ)油1的雷電沖擊擊穿電壓最高，基礎(chǔ)油3的雷電沖擊擊穿電壓最低，且隨著電極間隙加大，這種現(xiàn)象愈加明顯。這是因?yàn)榛A(chǔ)油1的芳烴含量極低，基礎(chǔ)油3的芳烴含量最高，所以油中芳烴含量是影響其雷電沖擊擊穿電壓大小的關(guān)鍵因素，芳烴含量越高，擊穿電壓越低，加大電極間隙不能大幅度提高其擊穿電壓。

圖3 不同組成基礎(chǔ)油加抗氧劑A的雷電沖擊擊穿電壓Fig.3 Lightning impulse breakdown voltages of different composition oils with addictive A

圖4 抗氧劑A含量不同的基礎(chǔ)油2的雷電沖擊擊穿電壓Fig.4 Lightning impulse breakdown voltages of basic oil 2 with different addictive A content

從圖3可以看出，在不同組成的變壓器油中加入抗氧劑A后，3種基礎(chǔ)油的雷電沖擊擊穿電壓隨著電極間隙的增大而增大，基礎(chǔ)油1的增幅最大，基礎(chǔ)油3的增幅最小。在相同電極間隙下，基礎(chǔ)油1加入抗氧劑A后的雷電沖擊擊穿電壓最高，基礎(chǔ)油3加入抗氧劑A后的雷電沖擊擊穿電壓最低，隨著電極間隙加大，這種差異現(xiàn)象更加明顯。

對比圖2和圖3結(jié)果可知，在相同電極間隙下，基礎(chǔ)油1和基礎(chǔ)油2加入抗氧劑A后，其雷電沖擊擊穿電壓大幅降低，而基礎(chǔ)油3加入抗氧劑A后，其雷電沖擊擊穿電壓基本沒明顯變化。由此說明，在高芳烴基礎(chǔ)油中，芳烴是影響其雷電沖擊擊穿電壓大小的關(guān)鍵因素；在低芳烴基礎(chǔ)油中，抗氧劑A是影響其雷電沖擊擊穿電壓大小的關(guān)鍵因素。

從圖4可以看出，在電極間隙為25.0 mm時，基礎(chǔ)油2加入不同含量的抗氧劑A后，其雷電沖擊擊穿電壓隨著抗氧劑A含量的增加而降低。說明抗氧劑A加入對其雷電沖擊擊穿電壓有明顯的負(fù)面影響。

2.2 雷電沖擊下不同組成變壓器油構(gòu)成的油紙絕緣體系中溶解氣體的組成及含量

為了研究不同組成變壓器油構(gòu)成的油紙絕緣體系承受雷電沖擊電壓的影響情況，分別對處理后的不同芳烴含量的環(huán)烷基變壓器油，在其所能承受最高的雷電沖擊擊穿電壓值以下，進(jìn)行不同電壓等級的雷電全波沖擊試驗(yàn)，監(jiān)測試驗(yàn)之后油中溶解氣體組分及含量的變化情況，油中溶解氣體組分主要有氫氣、一氧化碳、二氧化碳、甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、氧氣和氮?dú)鈁13]，新油脫氣處理后，油中氫氣、一氧化碳、甲烷、乙烷、乙烯、乙炔含量都很低，只有少量二氧化碳、氧氣和氮?dú)?；?dāng)油中發(fā)生放電現(xiàn)象時，油中氫氣和乙炔氣體的含量會發(fā)生明顯變化，因此，本實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)監(jiān)測油中氫氣和乙炔氣體含量的變化趨勢，詳細(xì)試驗(yàn)方案和結(jié)果見表4～5。從表4～5可以看出，在不同組成變壓器油構(gòu)成的油紙絕緣體系中，在相同電極間隙下，3種基礎(chǔ)油中的氫氣和乙炔氣體含量隨著施加雷電沖擊電壓增大而逐漸增加，其中，當(dāng)施加的雷電沖擊電壓為400 kV時，基礎(chǔ)油1中出現(xiàn)乙炔氣體且氫氣含量明顯增大；當(dāng)施加的雷電沖擊電壓為300 kV時，基礎(chǔ)油2中出現(xiàn)乙炔氣體且氫氣含量明顯增大；當(dāng)施加的雷電沖擊電壓為200 kV時，基礎(chǔ)油3中出現(xiàn)乙炔氣體且氫氣含量明顯增大，且在施加的施加雷電沖擊電壓達(dá)到500kV時，基礎(chǔ)油3中發(fā)生擊穿現(xiàn)象，油中乙炔氣體和氫氣含量大增。在施加雷電沖擊電壓后，油中出現(xiàn)微量乙炔氣體且氫氣含量明顯增大，說明油紙體系有微小局部放電現(xiàn)象。

表4 雷電沖擊下不同組成基礎(chǔ)油中溶解氫氣含量Tab.4 Content of dissolved H2gas in oil under lightning impulse

表5 雷電沖擊下不同組成基礎(chǔ)油中溶解乙炔氣體含量Tab.5 Content of dissolved C2H2gas in oil under lightning impulse

在25.0 mm電極間隙下，基礎(chǔ)油1中出現(xiàn)乙炔氣體時的雷電沖擊電壓最高，基礎(chǔ)油3中出乙炔氣體時的雷電沖擊電壓最低，而基礎(chǔ)油1的芳烴含量最低，基礎(chǔ)油3的芳烴含量最高，說明油中芳烴含量高低也是影響其油紙絕緣體系抗雷電沖擊電壓大小的關(guān)鍵因素，芳烴含量越高，抗雷電沖擊電壓越低，與純油絕緣體系結(jié)論相近。在相同電極間隙下，基礎(chǔ)油3的油紙復(fù)合體系雷電沖擊擊穿電壓遠(yuǎn)比基礎(chǔ)油3的純油絕緣體系的高，油紙復(fù)合的小油隙結(jié)構(gòu)確實(shí)能提高擊穿場強(qiáng)，這一結(jié)論在雷電沖擊電場下同樣適用。

2.3 抗氧劑A對雷電沖擊下變壓器油紙體系油中溶解氣組成及含量的影響

采用基礎(chǔ)油2為試驗(yàn)原料，考察抗氧劑A的加入對油絕緣體系承受雷電沖擊電壓的影響情況。在其所能承受的最高雷電沖擊擊穿電壓值以下，進(jìn)行不同電壓等級的雷電全波沖擊試驗(yàn)，監(jiān)測試驗(yàn)之后油中溶解氫氣和乙炔氣體含量的變化趨勢，詳細(xì)試驗(yàn)方案和結(jié)果見表6和表7。從表6～7可以看出，在基礎(chǔ)油2中加入抗氧劑A前后構(gòu)成的油紙絕緣體系中，在相同電極間隙下，油中的氫氣和乙炔氣體含量隨著施加雷電沖擊電壓的增大而逐漸增加。當(dāng)施加電壓為300 kV時，加入抗氧劑A前后基礎(chǔ)油2中都出現(xiàn)乙炔氣體且氫氣含量明顯增大，加入抗氧劑A的基礎(chǔ)油2中乙炔氣體含量明顯比未加入抗氧劑A基礎(chǔ)油2中的高，并且在施加的雷電沖擊電壓達(dá)到500 kV時，加入抗氧劑A的基礎(chǔ)油2中發(fā)生擊穿現(xiàn)象，油中乙炔氣體和氫氣含量大幅增加。在相同雷電沖擊電壓下，隨著抗氧劑A加入量的增加，油中氫氣和乙炔氣體略有增加。由此說明，油中抗氧劑A含量也是影響其油紙絕緣體系抗雷電沖擊性能的關(guān)鍵因素。因此，抗氧劑A含量也不是越高越好，在能滿足氧化穩(wěn)定性要求的基礎(chǔ)上，應(yīng)盡量減少使用量。

3 結(jié)論

（1）在純油絕緣體系中，油中芳烴和抗氧劑DBPC是影響其雷電沖擊擊穿電壓大小的關(guān)鍵因素，芳烴含量越高，擊穿電壓越低，增大電極間隙不能大幅提高擊穿電壓?？寡鮿〥BPC的加入量越高，雷電沖擊擊穿電壓越低。

（2）在高芳烴基礎(chǔ)油中，芳烴是影響其雷電沖擊擊穿電壓大小的關(guān)鍵因素；在低芳烴基礎(chǔ)油中，抗氧劑DBPC含量是影響其雷電沖擊擊穿電壓大小的關(guān)鍵因素。

（3）在不同組成變壓器油構(gòu)成的油紙絕緣體系中，在相同電極間隙下，油中芳烴含量是影響其油紙絕緣體系雷電沖擊擊穿電壓的關(guān)鍵因素，芳烴含量越高，雷電沖擊電壓越低，與純油絕緣體系結(jié)論相近。在相同電極間隙下，油紙復(fù)合的小油隙結(jié)構(gòu)提高擊穿場強(qiáng)的理論，在雷電沖擊電場下同樣適用。

表6 雷電沖擊下基礎(chǔ)油2加抗氧劑A前后溶解氫氣含量Tab.6 Content of dissolved H2gas in oil with and without addictive A under lightning impulse

表7 雷電沖擊下基礎(chǔ)油2抗氧劑A前后溶解乙炔氣體含量Tab.7 Content of dissolved C2H2gas in oil with and withont addictive A under lightning impulse

（4）油中抗氧劑DBPC含量也是影響其油紙絕緣體系抗雷電沖擊電壓大小的關(guān)鍵因素，在能滿足氧化穩(wěn)定性要求的基礎(chǔ)上，應(yīng)盡量減少使用量。