配電變壓器過載油紙絕緣老化特性研究

黃正勇，周少喻，王向東，金 淼

0 引言

中國高速鐵路建設(shè)發(fā)展迅速，全國80%的城市覆蓋高速鐵路網(wǎng)[1]。配電變壓器是高速鐵路電力供電系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，尤其是35 kV及以下電壓等級配電變壓器。截至目前，高鐵用油浸式配電變壓器一直使用礦物油[2]，然而礦物油的閃點低，容易誘發(fā)火災(zāi)，同時，礦物油的降解能力較差[3]。植物絕緣油作為變壓器中礦物油的替代品，由于其具有可再生性、生物降解性和較低的可燃性等優(yōu)點，越來越受到人們的重視。有關(guān)試驗表明，植物絕緣油的熱老化速率低于礦物絕緣油[4～7]。礦物絕緣油的老化絕緣特性已被學(xué)者研究[8，9]。文獻(xiàn)[10]研究了變 壓器材料對合成酯老化性能的影響。文獻(xiàn)[11]研究對油紙試樣在不同溫度條件下進(jìn)行加速熱老化試驗，得到不同老化程度的油紙試樣。然而，目前對于高鐵用植物絕緣油配電變壓器研究較為鮮見。

2017年，中國鐵路總公司《35 kV及以下植物絕緣油配電變壓器研制與應(yīng)用》科研課題立項，由多家高校和企業(yè)參與聯(lián)合研發(fā)。植物絕緣油變壓器過載油紙絕緣老化特性研究是該課題的研究內(nèi)容之一，重點研究絕緣油擊穿電壓、水分、酸值、介損等老化特性，以及絕緣紙含水量、聚合度、機(jī)械強(qiáng)度等老化特性，為研制環(huán)保節(jié)能型高過載能力植物絕緣油高鐵配電變壓器提供技術(shù)支撐。

1 試驗裝置及材料

1.1 試驗裝置

熱老化試驗采用不銹鋼老化罐（作為容器）及老化試驗箱，如圖1所示。不銹鋼老化罐能夠阻止外部空氣進(jìn)入，避免外界因素對老化試驗產(chǎn)生干擾。老化試驗箱內(nèi)置加熱器用于加熱，通過內(nèi)部風(fēng)扇保持溫度均勻分布，提供所需要的老化試驗溫度環(huán)境。

圖1 植物油紙絕緣老化試驗裝置

1.2 試驗材料

試驗中采用的絕緣油分別為菜籽油、大豆油、酯交換油及礦物絕緣油，絕緣紙采用A級、B級絕緣紙。具體信息如表1所示。

表1 熱老化試驗材料

2 試驗方法及步驟

熱老化試驗需保證老化機(jī)理不變，老化試驗所選取的溫度是試驗的關(guān)鍵參數(shù)，溫度太低或太高均不利于試驗，溫度太低將導(dǎo)致老化試驗時間過長，溫度過高將導(dǎo)致植物絕緣油裂化、熱氧化、蒸發(fā)。通常情況下，變壓器的正常運(yùn)行油溫最高不高于95 ℃，綜合考慮變壓器過載情況，最終選定植物絕緣油老化試驗溫度為130、145 ℃。熱老化試驗步驟如下：

（1）為保證絕緣油中的含水量低于5 mg/kg，先將大豆油、酯交換油、菜籽植物絕緣油放入90 ℃/50 Pa的真空箱中干燥48 h；A級、B級絕緣紙在空氣中自然吸濕，使得試驗用絕緣紙的含水量低于0.5%，將質(zhì)量比為15∶1的絕緣油與絕緣紙加入到不銹鋼密封罐中，再加入表面積與絕緣油體積比為1∶6的漆包銅條；在40 ℃/50 Pa條件下真空浸漬裝有絕緣油、絕緣紙和漆包銅條的密封罐24 h，完成試驗材料預(yù)處理。試驗樣品預(yù)處理結(jié)束后，開展老化試驗。

（2）考慮氧化作用對植物絕緣油和絕緣紙板老化初期的影響，將不銹鋼密封罐充滿氮氣后密封，并將密封后的不銹鋼罐置于設(shè)定溫度下的老化箱中進(jìn)行加速老化試驗。老化箱設(shè)定溫度區(qū)間為120～180 ℃，每5 ℃為一個梯度，使用脈沖加熱裝置精確加熱至準(zhǔn)確的溫度梯度值。

（3）為了獲取不同老化程度的絕緣油紙絕緣組合，老化試驗設(shè)定不同長度的試驗時間后并取樣，取樣時間設(shè)定為0、7、15、30、80天。

（4）為了減少操作等因素引起的誤差，各種絕緣油和絕緣紙板的組合在相同老化狀態(tài)下每次取3個樣品進(jìn)行化驗分析，試驗數(shù)據(jù)結(jié)果取計算平均值。

熱老化試驗流程如圖2所示。

圖2 熱老化試驗流程

3 熱老化試驗結(jié)果

3.1 油中水分含量

變壓器絕緣油中水分含量是老化試驗的重要參數(shù)，圖3所示為不同油紙組合下油中水分含量隨老化時間的變化曲線?？梢钥闯觯匣^程中礦物油紙絕緣油中水分含量最少，但植物絕緣油的飽和含水量在1 000～2 000 mL/L范圍內(nèi)，礦物絕緣油則在100 mL/L以下，因此植物絕緣油相對含水量低于礦物絕緣油。3種植物油紙絕緣組合老化過程中，油中水分含量均是最初呈增加趨勢，然后隨著老化時間的延續(xù)呈減小的趨勢。對于礦物油紙絕緣組合則是有所區(qū)別。礦物絕緣油與A級絕緣紙組合在105 ℃與120 ℃老化結(jié)果中，油中水分隨老化時間的變化趨勢是在0～15天時段內(nèi)隨老化時間增加油中水分含量增加，而15～30天時段內(nèi)油中水分呈現(xiàn)下降的趨勢，隨著老化時間的繼續(xù)增加，油中水分含量繼續(xù)增加。礦物絕緣油與B級絕緣紙的組合老化試驗結(jié)果中，油中水分的變化規(guī)律均是先隨著老化時間的增加而增加，然后趨于穩(wěn)定。植物油紙絕緣組合中，在老化初期，老化速率變化加快，產(chǎn)生大量微水并且擴(kuò)散到絕緣油中，油中水分增大；隨著老化時間的增加，老化速率變化減慢，油紙絕緣裂化程度也逐漸穩(wěn)定，隨著老化時間進(jìn)一步增加，油中水分含量繼續(xù)增加，由于長鏈脂肪酸甘油酯水解反應(yīng)的加強(qiáng)消耗了水分，因此造成絕緣油中水分含量呈下降趨勢。

圖3 油中水分隨老化時間的變化曲線

3.2 絕緣紙中水分含量

纖維素是絕緣紙的主要成分，具有極強(qiáng)的水分束縛能力，含有大量親水基團(tuán)的長鏈極性分子。絕緣紙含有油紙組合中的絕大部分水分。水分含量和絕緣紙的機(jī)械壽命成反比。絕緣油和纖維素降解產(chǎn)物的水分還促使纖維素水解，使絕緣紙劣化過程加速?？刹捎媒M合水分測試儀對油中含水量進(jìn)行測定試驗。

將干燥爐溫度設(shè)定為140 ℃進(jìn)行絕緣紙樣微水蒸發(fā)，并通過惰性氣體的作用使微水進(jìn)入電解池。庫倫滴定基于標(biāo)準(zhǔn)卡式反應(yīng)：

通過單質(zhì)碘與定量的微水進(jìn)行反應(yīng)，陽極產(chǎn)生碘的量通過測量電流和平衡時間獲得，計算出絕緣紙中蒸發(fā)微水的含量。圖4所示絕緣紙中水分含量隨老化時間的變化曲線。

圖4 絕緣紙水分隨老化時間的變化曲線

試驗結(jié)果表明，植物油紙絕緣與礦物油紙絕緣紙中水分含量均表現(xiàn)出先劇烈上升而后逐漸下降至波動穩(wěn)定的特性。在不同油紙絕緣組合中，礦物油紙絕緣組合的紙中水分含量在老化過程中最高，植物油菜籽油紙絕緣組合的紙中水分含量最低。

3.3 油中酸值

絕緣油酸值是變壓器運(yùn)行中表征絕緣油老化狀態(tài)的重要指標(biāo)。植物絕緣油與礦物絕緣油的酸性物質(zhì)種類及含量變化規(guī)律差異很大，礦物絕緣油酸值測試標(biāo)準(zhǔn)不能適用于植物絕緣油。圖5所示為油中酸值隨老化時間的變化曲線。

圖5 油中酸值隨老化時間的變化曲線

試驗結(jié)果表明，植物絕緣油的酸值在整個老化周期內(nèi)變化非常顯著，酸值增幅較為明顯，但與礦物油紙組合相比，其老化速率在相同試驗條件下更低。這是由于植物絕緣油主要成分為長鏈脂肪酸甘油酯，在老化過程中會分解出長鏈脂肪酸，導(dǎo)致酸值大于礦物絕緣油，但長鏈脂肪酸對植物絕緣油性能影響較小。

3.4 絕緣油界面張力

界面張力的測量是一種用于檢查絕緣油中是否存在老化產(chǎn)生的可溶性極性雜質(zhì)的間接方法，通過DT-102(A)型全自動界面張力儀測量絕緣油試樣的界面張力，測試結(jié)果如圖6所示。

圖6 絕緣油界面張力隨老化時間的變化曲線

由圖6可以看出，試驗初期植物絕緣油的界面張力約為礦物絕緣油的一半，隨著老化時間的增加，植物絕緣油與礦物絕緣油的界面張力均呈下降趨勢，但下降趨勢逐漸放緩。界面張力對絕緣油老化生成物的存在非常敏感，老化生成物將明顯降低絕緣油的界面張力。

3.5 絕緣油介質(zhì)損耗

絕緣油介質(zhì)損耗試驗結(jié)果如圖7所示。

由圖7可以看出，隨著老化時間的增加，植物油紙與礦物油紙絕緣組合中油的介質(zhì)損耗均呈現(xiàn)增大的規(guī)律，這是因為在老化過程中極性老化生成物增大了絕緣油的介質(zhì)損耗。在相同條件下植物絕緣油的介質(zhì)損耗高于礦物油的介質(zhì)損耗。

圖7 絕緣油介質(zhì)損耗隨老化時間的變化曲線

3.6 絕緣油擊穿電壓

絕緣油的擊穿電壓是最直接體現(xiàn)絕緣性能的重要參數(shù)，絕緣油擊穿電壓測量采用DL/429.9-91《絕緣油介電強(qiáng)度測定法》，試驗結(jié)果如圖8所示。

由圖8可以看出，隨著老化時間的增加，植物油紙和礦物油紙的絕緣油擊穿電壓均下降；在各種老化時間下，植物絕緣油的擊穿電壓比礦物絕緣油擊穿電壓高。

圖8 絕緣油的擊穿電壓隨老化時間的變化曲線

3.7 絕緣紙聚合度

絕緣紙的主要成分為纖維素，纖維素聚合度是評估絕緣紙老化狀態(tài)的重要指標(biāo)。隨著變壓器的運(yùn)行，會出現(xiàn)絕緣紙纖維脫落、變脆等現(xiàn)象。通常將絕緣紙聚合度作為變壓器內(nèi)絕緣老化程度最直接的評判參數(shù)。新投運(yùn)變壓器的絕緣紙聚合度約為 1 100；當(dāng)聚合度為500時，油紙絕緣性能下降一半；聚合度為250左右時，油紙絕緣完全破壞。圖9所示為絕緣紙聚合度隨老化時間的變化曲線。

圖9 A級絕緣紙聚合度隨老化時間的變化曲線

由于B級紙為DMD材料絕緣紙，不具有聚合度測試意義，故只進(jìn)行A級紙的測試。由圖9可以看出：隨老化時間延長聚合度明顯下降；在老化試驗前期，植物油紙組合與礦物油紙組合的聚合度下降速率差異較??；隨著老化試驗時間加長，植物油紙組合聚合度下降速度逐漸變小，相同老化溫度下，其與礦物油紙組合聚合度差距逐漸變大且更加明顯，植物油紙系統(tǒng)在老化末期聚合度較高，植物油可以明顯延緩絕緣紙的整體老化速度。

4 結(jié)論

通過對多種類型的油品（礦物油、大豆油、菜籽油、酯交換油）、紙板（A級紙、B級紙）組合進(jìn)行油紙絕緣系統(tǒng)熱老化試驗，可以得到以下主要結(jié)論：

（1）老化試驗中溫度越高，油紙中水分含量、絕緣油擊穿電壓及界面張力、絕緣紙聚合度越小，絕緣油酸值、介質(zhì)損耗越大；老化過程中，植物絕緣油中相對含水量低于礦物絕緣油；礦物油紙絕緣的紙中水分含量最高，菜籽油紙絕緣組合最低。

（2）隨著老化程度加深，油中酸值均表現(xiàn)為先緩慢上升而后明顯增大，隨著時間的增加，植物絕緣油與礦物絕緣油的酸值差距越來越大。

（3）植物絕緣油的界面張力低于礦物絕緣油，隨著老化時間的增加，兩者的界面張力均呈下降趨勢，同時界面張力下降趨勢放緩。

（4）絕緣油擊穿電壓均隨老化程度加深而下降，植物絕緣油的擊穿電壓一直高于礦物絕緣油；老化過程中，絕緣油的介質(zhì)損耗均隨老化時間增加而呈現(xiàn)增大的規(guī)律，植物絕緣油的介質(zhì)損耗高于礦物絕緣油。

上述對35 kV及以下植物絕緣油配電變壓器過載油紙絕緣老化特性研究的結(jié)論，可為研制環(huán)保節(jié)能型高過載能力的高鐵用植物絕緣油配電變壓器提供參考。