降溫過程中微水對變壓器油介電性能的影響

郭文敏　侯憲昆　劉丹

摘 要：作為大型變壓器的主要絕緣形式，變壓器油的介電性能直接決定了變壓器能否穩定運行。為了探尋降溫過程中微水對變壓器油介電性能的影響，以45號變壓器油為研究對象，利用自行搭建的高壓低溫實驗平臺，研究了-50～20 ℃范圍內初始微水含量、空間位置及平均降溫速率對變壓器油介電性能的影響。研究結果表明：初始微水含量相同時，變壓器油的電導率、相對介電常數和損耗因數按空間位置自上到下依次增加，同一空間位置變壓器油的電導率、相對介電常數，損耗因數隨平均降溫速率增大而增大。上述現象表明降溫過程中微水的存在會導致變壓器油介電性能劣化，所以為確保低溫環境下變壓器穩定運行，應嚴格控制變壓器油中的水分含量。

關鍵詞：絕緣；變壓器油；微水；介電性能；低溫

中圖分類號：TM 404

文獻標志碼：A

文章編號：1007-449X（2018）01-0072-05

0 引 言

由于具有優良的電氣絕緣性能，變壓器油被廣泛應用于大型電力變壓器和互感器的絕緣系統中，其絕緣性能直接決定了變壓器和互感器能否安全穩定地運行。長期以來國內外學者對變壓器油的各種性能做了全面的研究。研究結果表明，影響變壓器油絕緣性能的主要因素是水分和溫度[1-5]。其中水分會改變變壓器油中的電場，同時會在電場下產生集聚引發局部放電；溫度過高會導致變壓器油老化，降低變壓器油的電氣強度，同時會產生一些老化副產物進而引發局部放電最終導致擊穿[6-7]。總的來說，溫度和水分的作用是相互促進的，二者共同影響著變壓器油的性能。

這些研究的溫度范圍都是基于常溫甚至是高溫的，而關于低溫以及低溫降溫過程中變壓器油的性能研究的報道很少。低溫天氣對電氣設備的正常運行造成很大影響，其中比較典型且危害較大的就是主變壓器輕瓦斯保護誤動。吉林通化地區和雙陽地區的主變壓器都曾因溫度過低導致瓦斯繼電器及連管中變壓器油凝固，使得變壓器輕瓦斯保護動作[8-9]。事實上，近幾年由于冬季極低溫天氣引起的油紙絕緣電力變壓器和高壓互感器事故呈現逐年增加的趨勢。

眾所周知，運行中油紙絕緣變壓器的絕緣中不同程度地含有微量水分，變壓器的飽和吸水濃度強烈依賴于溫度，溫度越高變壓器油飽和微水含量越高[10-11]。為此，當溫度降低時，出現油中含水量高于對應溫度下的飽和濃度時，部分微水將從油中析出，即出現了相分離現象，變壓器油和微水構成的復合體系將不再是單一、均質材料，介電性能將有所變化。

因此，本文實驗研究了降溫過程中微水對變壓器油介電性能的影響，以期為極低溫度條件下變壓器的設計與運行維護提供理論與實驗依據。

1 試樣制備及測試

1.1 試樣制備

實驗選用新疆克拉瑪依生產的45號變壓器油為研究對象。試樣制備過程如下：取適量變壓器油并注入一定水分，攪拌均勻后置入烘箱中加熱至80 ℃使水分充分溶解于變壓器油中，然后冷卻至室溫并進行抽真空處理，去除油樣內部的氣泡后密封待用。

1.2 測試

本研究主要針對的是低溫情況下變壓器油的介電性能，考慮到我國東北及西部高海拔地區冬季的最低溫度，實驗溫度范圍選取為-50～20 ℃，低溫環境利用超低溫冰箱實現。

實驗容器選用耐油、耐低溫的有機玻璃桶，具體尺寸為：高700 mm，外徑300 mm，內徑280 mm。電極采用三電極系統，為保證在高度方向上試樣厚度相同，把電極系統固定在尼龍絕緣支架上，高壓極板和絕緣支架間采用螺栓固定，支架和電極尺寸如圖1所示。沿容器高度方向自上而下放置的5組三電極系統，分別標記為電極1、電極2……電極5，并且在每組電極旁安置一個溫度傳感器實時監測油中的溫度，傳感器、測試極引線及高壓線由油桶蓋上預留的兩個微孔引出。

電極系統置入容器中后，將制備好的油樣緩慢注入容器中再次進行抽真空處理，然后密封放入冰箱中進行測試，測試溫度間隔為5 ℃。

2 降溫過程中變壓器油的電導特性

2.1 不同空間位置變壓器油的電導特性

在初始微水含量為22.5 ppm，平均降溫速率1.7 ℃/h的條件下對不同空間位置處的變壓器油的電導特性進行測試，結果如圖2所示。

從圖2可以看出變壓器油的電導率隨溫度降低呈先增大后減小的趨勢，且在-10 ℃附近出現峰值，該峰值沿實驗容器自上而下（電極1～5）依次增大。

出現上述現象的原因是：隨著溫度下降，變壓器油的飽和吸水濃度下降，當油中含水量高于對應溫度下的飽和濃度時，一部分水就會從油中析出，構成變壓器油和微水的復合體系。在-10 ℃的臨近溫度附近復合體系中的微水達到最大值，電導率達到峰值；隨著溫度繼續下降，變壓器油飽和吸水濃度越來越低，油的粘度逐漸增大，復合體系中的微水含量增大并凝結成冰滴，導致復合體系中的冰滴增多，冰的電導率比水小，所以復合體系電導率下降。之所以會出現電導率沿實驗容器自上而下（電極1～5）依次增大的現象，推斷其原因可能是因為變壓器油中的水析出后，首先由于濃度差的原因會發生擴散現象，同時由于水（冰）的密度比油大，在擴散過程中還會伴有沉降過程；而在溫度比較低的情況下，擴散過程較弱，使沉降過程起主導作用，導致沿空間位置自上而下復合體系中水分（冰）含量增加，電導率增大。

2.2 不同初始微水含量變壓器油的電導特性

在初始微水含量分別為16.9 ppm、22.5 ppm、29.6 ppm，平均降溫速率為1.7 ℃/h的條件下對降溫過程中變壓器油的電導率進行測試，變化趨勢與圖2相似，這里不再贅述。作圖比較不同初始微水含量下電極3處的電導率，結果如圖3所示。

從圖3可以看出：初始微水含量越高，變壓器油的電導率峰值越大，且其出現峰值的溫度向高溫方向移動。這是因為隨溫度降低，初始微水含量越高的油樣其微水含量越先達到對應溫度下的飽和濃度，導致從油中析出的水分越多，混合溶液中水分達到最大值的溫度值越高，電導率值就越大。

2.3 不同平均降溫速率下變壓器油的電導特性

在東北地區，經常會發生由于氣溫驟降引起電力設備出現故障的現象；因此本文還實驗研究了不同平均降溫速率下變壓器油的電導特性，不同平均降溫速率通過在實驗容器上包裹不同厚度的橡塑保溫板來實現。

在初始微水含量為22.5 ppm，不同平均降溫速率條件下對降溫過程中變壓器油的電導率進行測試，各電極處變壓油的電導隨溫度的變化趨勢相同，所以以電極3為例進行分析。不同平均降溫速率下電極3處的電導率-溫度曲線如圖4所示。

圖4的實驗結果表明：平均降溫速率對變壓器油電導率有一定的影響，平均降溫速率越快，變壓器油的電導率越大，電導率達到峰值時的溫度越低。這可能是因為，平均降溫速率越快，變壓器油析出的水分在混合溶液中沒有充足的時間發生沉降，微水懸浮在油中，導致混合溶液的電導率值較大。

3 降溫過程變壓器油的交流介電特性

純變壓器油的損耗，主要由電導損耗產生，當變壓器油含有極性物質的時候，會產生極化損耗，大大降低變壓器油的介電性能。水是強極性物質，水分的增加無疑會降低變壓器油的介電性能，所以實驗研究了降溫過程中水分對變壓器油極化和損耗特性的影響。

3.1 不同空間位置變壓器油的交流介電特性

在初始微水含量為23.8 ppm，平均降溫速率1.7 ℃/h的條件下對不同空間位置處的變壓器油的極化和損耗特性進行測試，結果如圖5所示。

可以看出：溫度降低相對介電常數單調遞增，損耗角正切值先增大后減小，在某臨界溫度下出現峰值；沿實驗容器自上而下的方向二者均增大。

出現上述現象的原因是：變壓器油為弱極性電介質，隨著溫度降低，其體積減小，密度增大，所以單位體積分子數增加，故相對介電常數增加；此外，隨著溫度的降低，變壓器油的飽和吸水濃度下降，一部分水會從油中析出，水的相對介電常數是81，所以微水的增加必然直接導致復合體系相對介電常數增加；損耗因數的變化規律與電導率的變化規律相同，即其損耗主要由電導損耗構成，具體原因不再贅述。

3.2 不同初始微水含量變壓器油的交流介電特性

為了研究初始微水含量對變壓器油極化和損耗特性的影響，又研究了初始微水含量分別為20.1 ppm和30.3 ppm條件下不同空間位置變壓器油的損耗特性，變化趨勢與2.1節相同，以電極3處的結果進行分析，結果如圖6所示。

從圖6可以看出，隨著初始微水含量的增加，相對介電常數和損耗因數增大，且損耗因數出現峰值的溫度向高溫方向移動。水是強極性介質，其含量增加必然導致復合體系的相對介電常數增大；而且水是導體，所以初始微水含量高的變壓器油的損耗因數也必然明顯增大。

3.3 不同平均降溫速率變壓器油的交流介電特性

保持初始含水量23.8 ppm不變，平均降溫速率分別為1.7 ℃/h、1.5 ℃/h、1.2 ℃/h，測試電極3處的交流介電特性，結果如圖7所示。

從圖7可以看出，平均降溫速率對相對介電常數影響不大，但是損耗因數隨平均降溫速率增大而增大，其變化規律與電導率變化規律相同，再次印證了其損耗主要為電導損耗這一推斷。

4 結 論

1）在降溫過程中，變壓器油箱中自上而下變壓器油的電導率、相對介電常數和損耗因數逐漸增大，該現象說明降溫過程中微水從油中析出后，沉降過程起主導作用。

2）在降溫過程中，變壓器油的電導率、相對介電常數和損耗因數隨初始微水含量增大而增大，即變壓油的介電性能隨初始微水含量增加而劣化，因此在低溫環境下應用的變壓器應嚴格控制其初始微水含量。

3）平均降溫速率越快，其電導率值，相對介電常數，損耗角正切值越大，因此在嚴寒天氣應做好預防措施避免由于氣溫驟降導致變壓器故障。

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（編輯：邱赫男）