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

中國高速鐵路建設發展迅速，全國80%的城市覆蓋高速鐵路網[1]。配電變壓器是高速鐵路電力供電系統的關鍵設備，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，容易誘發火災，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點，越來越受到人們的重視。有關試驗表明，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者研究[8，9]。文獻[10]研究了變 壓器材料對合成酯老化性能的影響。文獻[11]研究對油紙試樣在不同溫度條件下進行加速熱老化試驗，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用》科研課題立項，由多家高校和企業參與聯合研發。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、機械強度等老化特性，為研制環保節能型高過載能力植物絕緣油高鐵配電變壓器提供技術支撐。

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入，避免外界因素對老化試驗產生干擾。老化試驗箱內置加熱器用于加熱，通過內部風扇保持溫度均勻分布，提供所需要的老化試驗溫度環境。

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理不變，老化試驗所選取的溫度是試驗的關鍵參數，溫度太低或太高均不利于試驗，溫度太低將導致老化試驗時間過長，溫度過高將導致植物絕緣油裂化、熱氧化、蒸發。通常情況下，變壓器的正常運行油溫最高不高于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，完成試驗材料預處理。試驗樣品預處理結束后，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定溫度下的老化箱中進行加速老化試驗。老化箱設定溫度區間為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，老化試驗設定不同長度的試驗時間后并取樣，取樣時間設定為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下每次取3個樣品進行化驗分析，試驗數據結果取計算平均值。

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，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。可以看出，老化過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，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呈減小的趨勢。對于礦物油紙絕緣組合則是有所區別。礦物絕緣油與A級絕緣紙組合在105 ℃與120 ℃老化結果中，油中水分隨老化時間的變化趨勢是在0～15天時段內隨老化時間增加油中水分含量增加，而15～30天時段內油中水分呈現下降的趨勢，隨著老化時間的繼續增加，油中水分含量繼續增加。礦物絕緣油與B級絕緣紙的組合老化試驗結果中，油中水分的變化規律均是先隨著老化時間的增加而增加，然后趨于穩定。植物油紙絕緣組合中，在老化初期，老化速率變化加快，產生大量微水并且擴散到絕緣油中，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定，隨著老化時間進一步增加，油中水分含量繼續增加，由于長鏈脂肪酸甘油酯水解反應的加強消耗了水分，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，具有極強的水分束縛能力，含有大量親水基團的長鏈極性分子。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械壽命成反比。絕緣油和纖維素降解產物的水分還促使纖維素水解，使絕緣紙劣化過程加速。可采用組合水分測試儀對油中含水量進行測定試驗。

將干燥爐溫度設定為140 ℃進行絕緣紙樣微水蒸發，并通過惰性氣體的作用使微水進入電解池。庫倫滴定基于標準卡式反應：

通過單質碘與定量的微水進行反應，陽極產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出先劇烈上升而后逐漸下降至波動穩定的特性。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行中表征絕緣油老化狀態的重要指標。植物絕緣油與礦物絕緣油的酸性物質種類及含量變化規律差異很大，礦物絕緣油酸值測試標準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

試驗結果表明，植物絕緣油的酸值在整個老化周期內變化非常顯著，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生的可溶性極性雜質的間接方法，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 絕緣油介質損耗

絕緣油介質損耗試驗結果如圖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損耗均呈現增大的規律，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損耗。在相同條件下植物絕緣油的介質損耗高于礦物油的介質損耗。

圖7 絕緣油介質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絕緣性能的重要參數，絕緣油擊穿電壓測量采用DL/429.9-91《絕緣油介電強度測定法》，試驗結果如圖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的重要指標。隨著變壓器的運行，會出現絕緣紙纖維脫落、變脆等現象。通常將絕緣紙聚合度作為變壓器內絕緣老化程度最直接的評判參數。新投運變壓器的絕緣紙聚合度約為 1 100；當聚合度為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小；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）組合進行油紙絕緣系統熱老化試驗，可以得到以下主要結論：

（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，絕緣油的介質損耗均隨老化時間增加而呈現增大的規律，植物絕緣油的介質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論，可為研制環保節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。