植物與礦物絕緣油熱故障產(chǎn)氣差異性分析

尹 惠，韓秋篁，王飛鵬，相晨萌，史常凱，白雪峰，古凌云

(1. 中國電力科學研究院有限公司 配電變壓器節(jié)能技術(shù)北京市重點實驗室，北京100192；2.重慶大學 輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點實驗室，重慶400044)

變壓器是現(xiàn)代電力系統(tǒng)的重要組成部分，其運行狀態(tài)將影響電網(wǎng)供電質(zhì)量及可靠性。在變壓器可能發(fā)生的各類故障中，由絕緣問題引發(fā)的故障占據(jù)了多數(shù)。對于油浸式變壓器，其油紙絕緣系統(tǒng)在變壓器運行過程中受到電、磁和溫度場的綜合作用，將發(fā)生絕緣油和絕緣紙的老化，并伴隨局部過熱性故障[1]。而傳統(tǒng)礦物絕緣油的閃點和燃點較低[2]，熱故障引發(fā)變壓器燃燒和爆炸的可能性增高。為此，基于預判變壓器老化狀態(tài)及潛在故障，發(fā)展出多種變壓器故障診斷方法，如，油中溶解氣體分析(DGA, dissolved gas-in-oil analysis)[3-5]、油中糠醛分析[6-10]、紙的聚合度分析[11-14]等。其中，DGA診斷法在故障早期可檢測出發(fā)展中的內(nèi)部故障，準確度高，受電磁場等因素干擾小，在礦物絕緣油變壓器故障診斷中獲得了廣泛的應用。

近年來，植物絕緣油因燃點高、自然降解率高、油紙絕緣配合度好、原料可再生等優(yōu)勢大量用于油浸變壓器[2, 15-17]，在變壓器熱故障診斷研究中得到重視[18-21]。由于植物絕緣油與礦物絕緣油組成成分的差異[2]，傳統(tǒng)應用于礦物絕緣油變壓器的DGA診斷法已不能直接應用于植物絕緣油變壓器中，需針對特定的植物絕緣油進行模擬變壓器熱故障下油中溶解氣體研究，得到氣體組分、含量及變化趨勢等規(guī)律，提出適用于植物絕緣油變壓器的油中氣體診斷方法。

文中通過模擬植物絕緣油與礦物絕緣油熱故障試驗，分析2種不同類型絕緣油的油中溶解氣體規(guī)律及差異性，為建立適用于特定植物絕緣油變壓器的DGA故障診斷方法提供依據(jù)。

1 實驗方法

1.1 試樣及處理

選取實驗室精煉的山茶籽絕緣油、商用FR3絕緣油(原料基于大豆油)、25#礦物絕緣油及牛皮絕緣紙作為試驗材料，在實驗前對試樣進行預處理，其中，絕緣油、絕緣紙分別置于90 ℃真空干燥箱中干燥48 h，在真空環(huán)境冷卻后取出，將純油樣密封，按油紙質(zhì)量比15∶ 1將干燥后的絕緣紙分別浸入相應絕緣油中，并放于40 ℃真空干燥箱中靜置24 h，制備油紙絕緣試樣。表1所示為試驗用各類絕緣油的基本理化及電氣特性。

表1 試驗用各類絕緣油基本理化及電氣特性

1.2 模擬熱故障試驗裝置

為模擬變壓器在不同溫度(低溫：<300 ℃，中溫：300～700 ℃，高溫：>700 ℃，依據(jù)IEC 60599標準[23])下的熱故障，獲得相應熱故障下絕緣油中溶解氣體，設計了1套試驗裝置，如圖1所示。該試驗裝置由管式電阻爐、加熱管(容積25 mL)、金屬油杯(容積500 mL)和溫控裝置等部分構(gòu)成。溫控裝置可以設置并顯示電阻爐的加熱溫度，加熱管壁上附著的熱電偶溫度傳感器(圖中未畫出)可以實時監(jiān)測油樣在熱故障試驗時的熱點溫度。

表2所示為進行熱故障試驗時,當加熱管溫度到達預設值并維持穩(wěn)定后，依據(jù)變壓器不同溫度熱故障持續(xù)時間，確定相應試驗溫度下的加熱持續(xù)時間。

圖1 模擬變壓器熱故障試驗裝置示意圖Fig. 1 Sketch of transformer thermal-fault-simulation unit

1.3 試驗方法

基本實驗步驟如下：

1)試樣預處理；

2)設置熱故障試驗中對應的管式電阻爐加熱溫度，開啟加熱電源并等待電阻爐溫度達到穩(wěn)定的設定值；

3)將預處理后的試樣置于金屬油杯中，如圖1所示，并通過金屬導管將試樣通入電阻爐加熱管中；

4)待加熱管溫度維持在穩(wěn)定的設定值，繼續(xù)加熱試樣至設定的試驗時間，如表2所示；

5)加熱結(jié)束后，靜置30 min，使熱故障試驗產(chǎn)生的氣體充分擴散并溶解于試驗油樣中，取出油樣，用色譜儀測定油中溶解氣體的成分和含量，取3次測量的平均值作為最終結(jié)果，計算每組數(shù)據(jù)的標準偏差。

表2 模擬熱故障試驗加熱時間

2 結(jié)果與討論

2.1 300 ℃以下熱故障油中溶解氣體分析

將預處理后的3種被試油樣在90～250 ℃溫度范圍內(nèi)進行熱故障試驗，分別用色譜法分離不同油樣、不同溫度熱故障下，油中溶解氣體，得到氣體(除CO和CO2外)百分含量與熱故障溫度的對應關系，如圖2所示。圖中山茶籽絕緣油在被試熱故障溫度區(qū)間內(nèi)百分含量最高的油中溶解氣體為C2H6與H2，F(xiàn)R3絕緣油中占比最高的氣體為C2H6；相比之下，礦物絕緣油中H2與CH42種氣體百分含量最高。可見，植物絕緣油與礦物絕緣油在被試溫度下熱故障特征氣體存在明顯差異。同時，山茶籽絕緣油中H2百分含量隨溫度的變化大體呈U型曲線關系，C2H6百分含量隨溫度變化總體呈倒U型曲線關系；FR3絕緣油中C2H6百分含量隨溫度的變化趨勢相對平穩(wěn)；礦物絕緣油中H2百分含量隨溫度的升高而下降，CH4百分含量隨溫度升高而上升。說明不同絕緣油中熱故障特征氣體隨溫度的變化規(guī)律存在差異。另外，在被試熱故障溫度區(qū)間內(nèi)，不同種類絕緣油中均無明顯的C2H2產(chǎn)生，推測該現(xiàn)象與試驗所施加的熱故障能量有關。

圖2 300 ℃以下熱故障不同油中溶解氣體百分含量對比Fig. 2 Percentage content of dissolved gases in various oils under thermal faults below 300 ℃

油紙絕緣在300 ℃以下熱故障模擬試驗中，不同種類絕緣油中溶解氣體百分含量與溫度的對應關系，如圖3所示。與相應溫度范圍內(nèi)單純絕緣油熱故障試驗結(jié)果不同的是，山茶籽絕緣油中H2的百分含量大幅上升，C2H6的百分含量明顯下降；FR3絕緣油中除C2H6以外，H2等氣體的百分含量有所增加。說明油中含紙會增加相應溫度熱故障下植物絕緣油中H2的含量，原因是絕緣紙主要成分纖維素在植物絕緣油中受熱分解產(chǎn)生了較多的H2。對比圖3與圖2中礦物絕緣油的產(chǎn)氣情況可以看出，油紙絕緣在較低溫度(90 ℃)熱故障中產(chǎn)生了較多的C2H6，而在相對較高溫度(200～250 ℃)熱故障中產(chǎn)生了較多的H2，說明油中含紙對礦物絕緣油相應熱故障下，油中溶解氣體的影響與熱故障溫度具有一定相關性，原因在于礦物絕緣油浸紙的受熱分解過程與熱故障能量大小相關。

圖3 300℃以下熱故障不同油紙混合絕緣油中溶解氣體百分含量對比Fig. 3 Percentage content of dissolved gases in various oils for paper-oil insulation under thermal faults below 300 ℃

表3列出了3種絕緣油及相應油紙絕緣在90 ℃、200 ℃熱故障時的CO、CO2含量。表中各油樣在油中含紙情況下，熱故障油中溶解CO、CO2含量均明顯提高，尤其在200 ℃熱故障下，油紙絕緣產(chǎn)生的CO2含量較單純絕緣油提高10倍以上，溫度升高明顯加劇了含紙絕緣油中溶解氣體產(chǎn)生。說明油浸絕緣紙在較高溫度熱故障下更易分解產(chǎn)生相應氣體。另外，200 ℃熱故障下，油中含紙對礦物絕緣油溶解氣體含量的影響明顯弱于對植物絕緣油，說明油浸絕緣紙的分解受到絕緣油種類及成分的影響。

表3 300 ℃以下熱故障油中溶解CO和CO2含量

2.2 300 ℃以上熱故障油中溶解氣體分析

將預處理后的3種被試油樣在300～800 ℃溫度范圍內(nèi)進行熱故障試驗，分別用色譜法分離不同油樣、不同溫度熱故障下，油中溶解氣體，得到氣體(除CO和CO2外)百分含量與熱故障溫度的對應關系，如圖4所示。圖中植物絕緣油在被試熱故障溫度區(qū)間內(nèi)百分含量相對較多的油中溶解氣體同300 ℃以下溫度區(qū)間內(nèi)熱故障試驗所得結(jié)果基本一致，如圖2所示。不同的是山茶籽絕緣油中CH4百分含量明顯增多，其含量隨溫度升高已接近H2的對應值。礦物絕緣油在被試熱故障溫度區(qū)間百分含量最多的2種氣體分別為CH4及C2H4，同300 ℃以下溫度區(qū)間內(nèi)熱故障試驗所得結(jié)果存在差異。隨熱故障試驗溫度升高，礦物絕緣油中CH4百分含量呈下降趨勢，C2H4總體呈上升趨勢。另外，礦物絕緣油在700～800 ℃熱故障試驗中分解產(chǎn)生了少量C2H2氣體，說明熱故障能量的提高加速了植物絕緣油與礦物絕緣油相應組分的分解，產(chǎn)生對應的熱故障特征氣體。

圖4 300 ℃以上熱故障不同油中溶解氣體百分含量對比Fig. 4 Percentage content of dissolved gases in various oils under thermal faults above 300 ℃

油紙絕緣在300～800 ℃熱故障模擬試驗中，不同種類絕緣油中溶解氣體百分含量與溫度的對應關系如圖5所示。與圖4試驗數(shù)據(jù)對比可得，山茶籽絕緣油含紙情況下H2的百分含量明顯提高，與300 ℃以下溫度區(qū)間內(nèi)熱故障試驗所得規(guī)律一致；油紙絕緣情況下FR3絕緣油在300～700 ℃熱故障中C2H6百分含量進一步增加，而在熱故障溫度達到800 ℃時，C2H4含量有所增長；礦物絕緣油含紙情況下，總體CH4百分含量降低而C2H4百分含量升高；在300～400 ℃熱故障試驗中，礦物絕緣油含紙情況下油中溶解的H2含量亦有所增加，結(jié)合300 ℃以下溫度區(qū)間內(nèi)熱故障試驗所得結(jié)果，可以得出200～400 ℃熱故障中礦物絕緣油中浸紙時更易分解產(chǎn)生H2。另外，油中含紙情況下礦物絕緣油在600 ℃熱故障中有少量C2H2產(chǎn)生，這一現(xiàn)象與油浸絕緣紙的分解有關。

圖5 300 ℃以上熱故障不同油紙混合絕緣油中溶解氣體百分含量對比Fig. 5 Percentage content of dissolved gases in various oils for paper-oil insulation under thermal faults above 300 ℃

表4列出了3種絕緣油及相應油紙絕緣在400 ℃及700 ℃熱故障時的CO、CO2含量。與表3試驗數(shù)據(jù)不同的是，表4中各油樣在油中浸紙情況下，其CO含量并無顯著增長，甚至出現(xiàn)明顯下降，同時，油中浸紙時CO2含量的增長幅度也不及300 ℃以下熱故障試驗結(jié)果明顯，說明隨熱故障試驗溫度的升高油浸絕緣紙中CO、CO2的析出呈現(xiàn)一定的飽和趨勢。

表4 300 ℃以上熱故障油中溶解CO和CO2含量

從實驗數(shù)據(jù)的分散性來看，文中使用氣相色譜法分析熱故障油中溶解氣體的成分及含量，經(jīng)多次測量得到每組數(shù)據(jù)的平均值及標準差，由圖2～圖5的試驗結(jié)果可知，各個數(shù)據(jù)點的偏差程度均在±10%以內(nèi)，數(shù)據(jù)的分散性在合理范圍內(nèi)。

3 結(jié) 論

文中模擬不同種類植物絕緣油與礦物絕緣油變壓器熱故障試驗，采用色譜法分析了低溫(300 ℃以下)與中、高溫(300 ℃以上)熱故障下油中溶解氣體成分及其含量，分析了植物絕緣油與礦物絕緣油在不同溫度熱故障下油中溶解氣體的差異性。

1) 在90～800 ℃熱故障下，山茶籽絕緣油(紙)中溶解特征氣體為C2H6及H2，中、高溫(300 ℃以上)熱故障可參考CH4含量變化；FR3絕緣油(紙)中溶解特征氣體為C2H6，H2與C2H4在判斷其熱故障狀態(tài)時具有參考意義；礦物絕緣油(紙)在低溫(300 ℃以下)熱故障下油中溶解特征氣體為H2及CH4，在中、高溫(300 ℃以上)熱故障下油中溶解特征氣體為CH4及C2H4，C2H6及C2H2在判斷其熱故障狀態(tài)時可作為參考。

2) 植物絕緣油與礦物絕緣油以及不同種類植物絕緣油之間熱故障油中溶解氣體及其含量存在一定差異性，運用DGA手段分析及預判變壓器熱故障時需要結(jié)合不同的絕緣油類型及產(chǎn)氣特性，必要時輔助特定的試驗進行。

對不同種類絕緣油熱故障下油中溶解氣體的分析需要后續(xù)故障診斷方法的進一步研究及細化方能運用于實際變壓器的故障預判中。