影響天然酯油變壓器絕緣性能因素分析

郭獻清，孫文藝，賀銀濤

（廣東明陽電氣股份有限公司，廣東中山 528451）

0 引言

作為電力系統(tǒng)的設備之一，變壓器在電網中的安全平穩(wěn)運行至關重要。目前油浸式變壓器應用廣泛，其所用的液體絕緣介質主要來源于從石油中提煉出的礦物絕緣油，雖然礦物絕緣油有著優(yōu)異的電氣絕緣性能、低溫流動性能和抗氧化性能，但其降解性差，發(fā)生泄漏時容易造成水體污染，另外，廢棄的變壓器油中含有硫、磷、氯及重金屬等有毒有害物質，且石油為不可再生能源，大量的廢棄礦物質絕緣油不但會造成資源浪費，而且會進一步加劇環(huán)境惡化。隨著人們的環(huán)保意識逐漸加強，可持續(xù)發(fā)展理念深入人心，尋找能夠替代礦物絕緣油的環(huán)保型液體絕緣介質已成為當前變壓器領域研究的一個熱點。天然酯絕緣油是由油菜籽、葵花籽、棕櫚果、大豆等天然植物油料經壓榨、精煉和脫酸等工藝制作而成，不但具有燃點、閃點高，安全防火性能滿足電力系統(tǒng)變壓器用油要求等優(yōu)點，而且自然降解率均在90%以上，即使發(fā)生變壓器油泄漏等問題也不會對水源、土壤等產生嚴重的污染。因此天然酯油成為了礦物質絕緣油良好的替代品。但天然酯油的主要成分為甘油三酸酯，與由烷烴、環(huán)烷烴和芳香烴等組成的礦物質絕緣油在分子結構、親水性等方面存在著較大的差異，其中含水量、酸值、雜質顆粒等因素對絕緣性能的影響尤為顯著，給天然酯油變壓器在設計、運行、維護等方面極大程度上增加了難度。因此，開展影響天然酯油變壓器絕緣性能因素的研究，掌握改善天然酯油變壓器絕緣性能措施，對天然酯油變壓器設計、運維以及大力推進綠色電網的建設、減少石油資源浪費和礦物質絕緣油對環(huán)境的污染等多方面都具有重要意義。在此背景下，本文從水分、酸值、雜質顆粒3 個方面綜述了影響天然酯油變壓器介質損耗因數、擊穿電壓等絕緣性能的因素，并總結了近幾年改善天然酯油變壓器絕緣性能的研究進展。

1 影響天然酯油變壓器絕緣作用的因素分析

1.1 水分對天然酯油絕緣性能的影響

評估油浸式電力變壓器絕緣狀態(tài)主要以油中含水量及分布狀況作為依據。當絕緣油中水分含量超過允許范圍，此時隨著含水量的繼續(xù)增加，則會導致局部放電起始電壓和擊穿強度急劇下降，從而威脅變壓器的正常運行、降低絕緣油紙的機械強度，加速熱老化速率，縮短變壓器絕緣系統(tǒng)的壽命。因此國家能源局針對不同電壓等級下的天然酯變壓器油含水量進行了明確規(guī)定，其中，對于220 kV電壓等級的變壓器在投入運行前含水量應小于等于100 mg／kg，運行中含水量應不大于150 mg／kg。

由于天然酯油在分子組成、親水性等與礦物油存在著明顯差別，因此含水量對天然酯油的影響也與礦物絕緣油截然不同，從分子結構上看，礦物質油是由各種碳氫化合物所組成的混合物，主要包括烷烴、環(huán)烷烴、芳香烴和烯烴等，屬于憎水基團；而天然酯油是由含羥基和羰基的甘油三酸酯分子構成，屬于親水基團。大量親水基團的存在會顯著天然酯油的吸水性，從而使局部放電起始電壓和擊穿強度顯著降低。研究發(fā)現，當含水量在一定范圍內，水分對擊穿強度及天然酯油浸紙板的電氣強度影響并不明顯，但當含水量超過一定值時，天然酯油中水分達到相對飽和后，此時溶解水從油中析出轉變?yōu)榉稚⑺褂图坝徒埌宓碾妼屎徒橘|損耗因數不斷下降，進而使得天然酯油變壓器的電氣強度迅速下降［1-2］。

變壓器油中溫度與水含量之間存在相互的耦合作用，即油溫的變化會影響油中水含量發(fā)生變化，導致變壓器油的絕緣強度變化。研究表明，溫度可以改變水分子的狀態(tài)，當溫度下降到一定程度時，水分會逐漸以微小冰晶的形態(tài)存在于變壓器油中，隨著溫度進一步降低，天然酯油的黏度、凝點等也會增大，不但影響變壓器的絕緣性能，其散熱性能也會大幅降低，甚至導致變壓器發(fā)生故障。當溫度過高時，油中水分含量也會隨之增大，天然酯油黏度過小便不能再對水分子產生束縛作用，進而增加變壓器油中導電小橋形成的可能性，導致天然酯油變壓器的擊穿電壓不斷下降［3-4］。

天然酯油含水量上升會對變壓器的漏電流及損耗產生影響，損耗和漏電流的增加會導致變壓器運行溫度升高，進而使絕緣材料的老化加快，降低變壓器的使用壽命。油浸式電力變壓器的內部絕緣材料多以含纖維素分子的纖維性材料為主，而纖維素是一種線性高分子聚合物，在高溫下，纖維素易發(fā)生水解，其水解增加的水分會對天然酯油的水解反應產生促進作用。宋浩永等［4］研究了天然酯油老化過程中的水分含量。結果表明，在老化期間，絕緣紙和絕緣油因老化速率的上升致使老化程度進一步加深，過程中會產生大量水分，油中含水量的提高會加快甘油三酸酯的水解反應，從而降低絕緣材料的使用壽命。

當油中含水量增加時，可通過氣相色譜檢測法觀察油中氣體含量，證實因天然酯油分解使天然酯油的電氣性能下降［5］。《天然酯絕緣油電力變壓器選用導則》明確指出，新設備投運前天然酯絕緣油中C2H2含量應不大于0.1 μL／L，且投運前后兩次DGA檢測不應有明顯的區(qū)別。研究表明，在放電條件下，天然酯油中初始含水量的增加會促進天然酯油的分解，增加油內C2H2、C2H6等氣體的含量，從而使得天然酯油的電氣強度和理化性能下降［6］。

從上述分析中可以發(fā)現，當天然酯油中的含水量達到相對飽和后，油溫升高會造成油中水分的體積分數不斷增加，油及油浸紙板的電導率和介質損耗因數不斷下降，致使變壓器的絕緣強度迅速下降，另外，變壓器中的纖維性絕緣材料發(fā)生水解會促使天然酯油的水解反應，加速絕緣材料的老化，進而延長變壓器的使用壽命。因此，嚴格控制天然酯油中的含水量，可以保持天然酯絕緣油的穩(wěn)定性，確保變壓器可靠安全運行。

1.2 酸值對天然酯油絕緣性能的影響

在變壓器運行過程中，天然酯油易與空氣發(fā)生氧化反應進而產生大量脂肪酸。油中氫離子大量存在會促使天然酯油更不穩(wěn)定，還會對變壓器中的金屬結構產生腐蝕作用，如銅、鐵、鋁等，腐蝕后產生的金屬離子可以進一步促進天然酯油發(fā)生降解，這一系列的反應又會加速天然酯油的氧化過程，導致絕緣油的介質損耗因素增大，降低變壓器的絕緣強度。張過有等［7］測試了在不同酸值下的天然酯油的溫度介電譜。其結果如圖1所示，對于不同酸值下的天然酯油，其相對介電常數都隨溫度升高而降低；當絕緣油中的溫度不變時，酸值越高，天然酯油的相對介電常數越大。此外，天然酯油的老化和絕緣紙纖維素的水解均會產生酸性物質。酸值升高不但會腐蝕變壓器中的金屬構件，還會極大程度上增加天然酯油的導電性，從而使油的絕緣水平下降。當纖維性絕緣材料長期處于高溫環(huán)境中時會加劇材料的熱老化程度，進一步降低變壓器的絕緣水平。實驗表明，隨著熱老化時間的增加，天然酯油酸值的增加遠遠大于礦物質絕緣油，且老化溫度越高，酸值增加越快［8］。

圖1 不同酸值的天然酯絕緣油的相對介電常數與溫度的關系

因此，在天然酯油運輸、貯藏和使用的過程中，應盡量避免天然酯油與空氣的接觸，減緩設備中金屬構件與空氣的氧化反應，改善變壓器的絕緣特性，從而延長變壓器的使用壽命［9］。

1.3 雜質顆粒對天然酯油絕緣性能的影響

擊穿電壓、介質損耗因數、體積電阻率均是表示變壓器油絕緣特性的重要參數。其中擊穿電壓可以直接反應絕緣油中是否含有雜質顆粒。實際應用中，天然酯油在運輸、貯藏、運行的過程中會不可避免地混入含金屬、碳、纖維素等顆粒物雜質。研究表明，天然酯油中纖維素顆粒雜質的含量可達到總雜質顆粒含量的90%以上。

天然酯油變壓器的絕緣性能會受到雜質顆粒的影響發(fā)生明顯降低。實驗發(fā)現，天然酯油中雜質含量增加會導致變壓器油的擊穿電壓下降，且在沖擊電壓下的作用下，變壓器油間隙沖擊擊穿電壓下降會越明顯。文獻［10-12］研究了含Cu、Fe、Ni、Zn、SiO2等雜質顆粒對絕緣油擊穿電壓的影響。結果表明，雜質顆粒含量與油液的擊穿電壓成反比關系，雜質含量越高，其絕緣油的擊穿電壓值越小。且Cu、Ni 元素相比于其他雜質顆粒對天然酯油的電氣性能、產氣量等影響更明顯。

由于纖維性材料的分子結構中含有大量的糖醛酸和羥基，屬于多孔性結構。因此纖維素雜質顆粒會吸附大量水分。由于天然酯油與礦物質絕緣油在分子結構上的差異，在變壓器運行過程中，天然酯油中的水分含量要遠遠高于礦物絕緣油，因此可能導致更多的水分被變壓器內纖維素雜質顆粒吸附，在水分和纖維素雜質顆粒的綜合作用下，天然酯油變壓器的絕緣性能會出現較大變化。張重遠等［13］探究了纖維素雜質與水含量綜合作用對天然酯油絕緣性能的影響，結果表明，天然酯油的相對介電常數會隨纖維素雜質顆粒含量的增加而增加，直流電阻率隨雜質顆粒含量的增加而降低，此外，水分含量對相對介電常數及直流電阻率的影響也與纖維素雜質顆粒的影響相同，顯然，當纖維素顆粒和水分含量綜合作用時會明顯加劇上述影響。

因此，在天然酯油灌裝、使用和運行過程中，應盡量避免雜質顆粒進入變壓器油中，尤其避免摻入含Cu和Zn元素的雜質顆粒，另外，變壓器油紙絕緣系統(tǒng)中的纖維素材料老化后產生的纖維素顆粒會和水分共同作用對天然酯油的絕緣性能產生影響，適量的納米粒子的加入可以吸附天然酯油中的雜質顆粒以及水分子，提升天然酯油的絕緣性能。

2 改善天然酯油變壓器絕緣作用的措施

2.1 降低天然酯油中水分、雜質顆粒及酸值的措施

天然酯油變壓器由于擊穿導致的絕緣性能大幅下降與油中的雜質小橋的形成密切相關。當在天然酯油中加入適量亞微觀尺度的納米粒子時，納米粒子可以有效吸附水分、雜質顆粒，并與天然酯油形成穩(wěn)定的溶膠體系，在外加電場的作用下，納米粒子的加入會降低油中形成導電小橋的可能性，從而提升變壓器的絕緣性能［14-17］。

研究發(fā)現，納米粒子可以降低油紙之間介電常數的差異，均化油紙之間電場強度的分布，并抑制了界面感應電荷的產生，降低界面電荷對流注的吸引作用，從而緩解由于沿面流注體壓縮導致前端的電場畸變，提高沿面閃絡電壓。文獻［18-19］均通過添加TiO2納米粒子來改善變壓器油及其油紙絕緣結構的絕緣性能。結果表明，TiO2納米粒子能夠提高變壓器油浸紙板的正、負極性沿面閃絡電壓，延長閃絡時間，且隨著間隙沿面距離的增加，改性效果更加明顯。胡婷等［20］研究了SiO2納米粒子改性前后天然酯油的電氣性能，結果表明，SiO2納米粒子的加入可以明顯提高變壓器油的擊穿電壓和熱導率，降低介質損耗因素。

當天然酯油中的水含量超過一定范圍時，天然酯油的水解反應會加劇油中酸值升高，反過來，油中酸值增加也會對天然酯油的水解反應產生促進作用，從而形成惡性循環(huán)。除了采用添加納米粒子來提升天然酯油的絕緣性能外，還需要對變壓器油中的含水量進行嚴格控制，由于天然酯油在運輸及貯藏過程中容易摻入水分，因此應要求運輸天然酯油的罐裝車能夠真空密封；在儲藏天然酯油的油罐中應設置用于吸收水分的干燥劑和監(jiān)測含水量的儀器，如濕度檢測器等；當天然酯油中水分含量超標時，應進行真空加熱處理以去除水分，保證天然酯絕緣油在變壓器內的安全穩(wěn)定運行。

2.2 優(yōu)化變壓器絕緣結構

從變壓器設計角度看，由于天然酯油與礦物絕緣油在黏度、親水性、介電常數、tanδ等參數上存在明顯差異，因此也必將影響天然酯油變壓器的在絕緣結構上的變化。

宋浩永等［21］以110 kV電壓等級天然酯油變壓器為研究對象，對變壓器在雷電沖擊電壓下的絕緣進行分析，在此基礎上對變壓器的絕緣結構進行了進一步優(yōu)化，通過在油道上增加具有一定厚度軟紙筒、調整調壓繞組內紙筒的高度等措施增大高壓繞組上端部與調壓繞組之間的絕緣距離，有效降低變壓器內部的最大場強，提升絕緣強度，同時也可以避免發(fā)生沿面放電現象。改進前后的絕緣結構如圖2所示。

圖2 調整前后高壓與調壓繞組間結構

韓金華等［22］針對容量的變壓器采取了不同的設計方案。315 kVA及以下小容量天然酯油配電變壓器的繞組結構應采用高低壓均為線繞層式結構；315 kVA及以上大容量天然酯油配電變壓器的繞組結構高壓應采用層式結構，低壓應采用銅箔繞制結構。

2.3 改進變壓器絕緣材料

為保證天然酯油變壓器的整體性能，變壓器中所有除絕緣油以外的其他絕緣材料性能特別是高耐熱性能必須與天然酯油匹配，這些絕緣材料包括絕緣紙、絕緣板及墊板等，如表1所示。

表1 絕緣材料選擇

3 結束語

天然酯油相比礦物質絕緣油具有更高的燃點及閃點、安全防火性好，同時擁有優(yōu)異的生物降解能力，不會對環(huán)境造成嚴重的污染，具有良好的發(fā)展前景，但天然酯油與礦物絕緣油的分子結構、親水性等方面存在著較大的差異，造成水含量、酸值、雜質顆粒等因素對天然酯油變壓器絕緣性能與礦物絕緣油也產生不同的影響，給天然酯油變壓器在設計、運行及維護方面極大程度上增加了難度。因此，本文在分析影響天然酯油絕緣能力因素的基礎上，從改善天然酯油理化、電氣性能和變壓器絕緣結構以及絕緣材料選擇上提高天然酯油變壓器的絕緣性能。主要結論如下。

（1）水含量、酸值、雜質顆粒以及酯類油均會對變壓器的介質損耗因數和擊穿電壓等絕緣性能產生一定的影響，但目前針對更高電壓等級的天然酯油變壓器絕緣性能改進的研究相對較少，其含水量、酸值等指標均是針對220 kV 及以下的天然酯油變壓器設立的。因此，未來隨著我國科研人員和企業(yè)等對天然酯油變壓器的進一步研究，其用油標準等也會更加完善。

（2）實際變壓器運行過程中，可以通過優(yōu)化變壓器絕緣結構或采用更高耐壓、耐熱等級的固體絕緣材料來提高變壓器的絕緣性能。