絕緣油在介電擊穿試驗(yàn)中耐壓強(qiáng)度的影響分析

解陽陽，劉四平，武藝寧，徐清沅，郭勇，韓玥鳴

（西安西測(cè)測(cè)試技術(shù)股份有限公司，西安 710000）

引言

在規(guī)定的條件下，絕緣油發(fā)生擊穿時(shí)的電壓為絕緣油的擊穿電壓，也稱為絕緣油的介電強(qiáng)度或耐壓強(qiáng)度。在產(chǎn)品的介電擊穿檢測(cè)時(shí)，通常被試品的擊穿電壓要求為45 kV，由于高電壓在空氣中難以升壓，需用到絕緣油達(dá)到絕緣保護(hù)作用，試驗(yàn)時(shí)絕緣油的耐壓強(qiáng)度必須達(dá)到45 kV 以上，才能保證試驗(yàn)的正常進(jìn)行。經(jīng)過驗(yàn)證，目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上各種品牌型號(hào)絕緣油的擊穿值均在45 kV左右，且在實(shí)際測(cè)試中容易發(fā)生擊穿，只能作廢處理，不能循環(huán)使用，需要重新加入新的絕緣油，才能滿足正常測(cè)試。這樣會(huì)導(dǎo)致重復(fù)的“取缸→換油→清缸→加新絕緣油”的繁瑣環(huán)節(jié)，大大的浪費(fèi)了人力、物力、財(cái)力。

1 現(xiàn)狀分析

絕緣油是介電擊穿檢測(cè)項(xiàng)目的必備品，一般高壓測(cè)試在空氣中難以達(dá)到規(guī)定的電壓（升壓至10 kV 以上，高電壓在空氣中會(huì)產(chǎn)生電火花），所以在檢測(cè)時(shí)需加入絕緣油起到絕緣保護(hù)作用。為了滿足試驗(yàn)電壓的要求，絕緣油需經(jīng)受住更高的耐壓強(qiáng)度。

目前國(guó)內(nèi)各種品牌絕緣油的擊穿電壓均在45 kV 左右，且測(cè)試時(shí)油品容易發(fā)生擊穿，不能滿足持續(xù)測(cè)試需求。現(xiàn)階段行業(yè)內(nèi)的做法是“頻繁更換新的絕緣油來保證測(cè)試正常進(jìn)行”。絕緣油的品牌及型號(hào)見圖1。

圖1 絕緣油品牌名稱

我們選取了剛開封的“殼牌”絕緣油與經(jīng)過兩次使用后的“殼牌”絕緣油進(jìn)行介電擊穿測(cè)試，結(jié)果對(duì)比見表1。

表1 新、舊絕緣油擊穿電壓數(shù)值

從以上結(jié)果可看出：使用過的絕緣油耐壓強(qiáng)度的平均值在41.4 kV 被擊穿（標(biāo)準(zhǔn)通常測(cè)試至45 kV 停止試驗(yàn)），不能達(dá)到測(cè)試需求。經(jīng)更換新的絕緣油后耐壓強(qiáng)度在45 kV 左右，且在更換新絕緣油后，轉(zhuǎn)換為逐級(jí)升壓條件也只能測(cè)試4 塊樣品左右，無法滿足持續(xù)測(cè)試需求，頻繁的更換新絕緣油，投入較大，不是可行的方法。

注：

1）自動(dòng)升壓條件是從0 kV升至目標(biāo)電壓45 kV，升壓速率：500 V/S 。

2）逐級(jí)升壓條件是以30 kV為起點(diǎn)，步進(jìn)5 kV，每個(gè)目標(biāo)電壓保持1 min升至45 kV停止，升壓速率：500 V/S 。

3）規(guī)定測(cè)試四塊樣品，其中三塊樣品做逐級(jí)升壓,一塊做自動(dòng)升壓。自動(dòng)測(cè)試可以考察絕緣油耐壓強(qiáng)度的最大值；手動(dòng)測(cè)試主要考察絕緣油耐壓強(qiáng)度的持續(xù)性。本次考察主要是尋求提高絕緣油的耐壓強(qiáng)度，顧本課題試驗(yàn)條件以自動(dòng)升壓為主。

2 介電擊穿的測(cè)試流程分析及絕緣油的擊穿模型

絕緣油介電擊穿測(cè)試流程分析如圖2。

圖2 絕緣油介電擊穿測(cè)試流程圖

3 影響絕緣油耐壓強(qiáng)度的考察分析

經(jīng)過研究分析后，總結(jié)出了影響絕緣油耐壓強(qiáng)度的主要影響因素有：雜質(zhì)及碳化物、油里的氣泡及氣體、油里的水分導(dǎo)致耐壓強(qiáng)度的下降，對(duì)此我們采取了以下考察實(shí)驗(yàn)。

3.1 雜質(zhì)及碳化物對(duì)絕緣油耐壓強(qiáng)度的影響

在發(fā)生擊穿后，絕緣油中會(huì)產(chǎn)生少許的雜質(zhì)及黑絲狀碳化物，沉淀后不易觀察到。擊穿后的絕緣油再次測(cè)試時(shí)，油的耐壓強(qiáng)度會(huì)大大的降低，無法正常測(cè)試。分析認(rèn)為：雜質(zhì)及碳化物在產(chǎn)生高壓時(shí)容易形成電橋?qū)щ?，這是影響絕緣油耐壓強(qiáng)度的一個(gè)重要因素，而后我們對(duì)測(cè)試過的油品進(jìn)行除雜過濾后，發(fā)現(xiàn)有少許的黑色物質(zhì)可能是絕緣油擊穿后分解的物質(zhì)。

針對(duì)黑色雜質(zhì)是否會(huì)影響到絕緣油的耐壓強(qiáng)度，我們選取未過濾與過濾后的舊絕緣油進(jìn)行測(cè)試對(duì)比，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。

表2 過濾后與未處理油品擊穿電壓對(duì)比數(shù)值

從表2 可看出：經(jīng)過循環(huán)測(cè)試過的絕緣油，雖無明顯的雜質(zhì)，但在過濾后，無塵紙上有細(xì)小的黑色物質(zhì)。經(jīng)分析，黑色污染物為擊穿后的碳化導(dǎo)電物質(zhì)；從測(cè)試數(shù)據(jù)上看，過濾后，絕緣油的耐壓強(qiáng)度會(huì)有一定的提高，但結(jié)果不理想，絕緣油的耐壓強(qiáng)度不能滿足測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。說明雜質(zhì)及碳化物是影響絕緣油的一個(gè)重要影響因素之一。

改善雜質(zhì)影響的措施：

1）過濾：用濾紙過濾后，可除去絕緣油中纖維和碳化物等雜質(zhì)。也可先在油中加一些白土、硅膠等吸附劑，吸附油中雜質(zhì)，然后再過濾。在運(yùn)行過程中，也常用過濾的方法來恢復(fù)油的絕緣性能。

2）防塵：必須要有防塵措施，每次使用絕緣油后，密閉容器，置油品于干燥地帶。在注油后，不讓灰塵入侵而降低油的絕緣性能。

總結(jié)：

使用后的絕緣油應(yīng)分開保存，避免有雜質(zhì)的絕緣油混入新絕緣油中，并做好密封措施。當(dāng)發(fā)生擊穿后，會(huì)有黑色雜質(zhì)覆蓋在油缸內(nèi)壁上，通常不易觀察出，所以每次跟換絕緣油后，都應(yīng)當(dāng)清潔油缸及測(cè)試電極。當(dāng)絕緣油中含有雜質(zhì)時(shí)可使用過濾紙進(jìn)行過濾除雜。

3.2 氣泡及氣體對(duì)絕緣油的耐壓強(qiáng)度影響

當(dāng)儀器界面顯示擊穿后，打開油缸發(fā)現(xiàn)絕緣油與樣品表面有較多的氣泡存在，分析認(rèn)為絕緣油中的氣泡及氣體導(dǎo)致了絕緣油耐壓強(qiáng)度的下降。原理為：氣泡中存有空氣及氣體，當(dāng)升壓后，絕緣油產(chǎn)生熱量推動(dòng)油分子的運(yùn)動(dòng)，這時(shí)絕緣油中的氣泡會(huì)產(chǎn)生氣泡鏈，升至一定的電壓直到擊穿各個(gè)氣泡后，空氣就會(huì)發(fā)生擊穿放電效應(yīng)，氣泡擊穿原理如圖3。

圖3 絕緣油氣泡、氣體擊穿圖示

在通常測(cè)試當(dāng)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)放入樣品時(shí)，樣品表面會(huì)吸附較多的氣泡，即使清除掉絕緣油表面的氣泡，但在插入樣品后，還是會(huì)有氣泡附著于樣品表面。為了減少影響因素，要求要有正確的樣品插入方式。根據(jù)長(zhǎng)時(shí)間的測(cè)試經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)了樣品放置方式，見圖4。

圖4 樣品放入方式圖示

按圖4“正確做法”斜插入樣品后，樣品表面無明顯氣泡。按“錯(cuò)誤做法”將樣品平整插入后，由于樣品表面積較大，插入的瞬間會(huì)帶有空氣擠入絕緣油中形成氣泡并附著在樣品表面上；而慢速將樣品斜插入絕緣油，減少了絕緣油與樣品的接觸表面積，這樣放入樣品時(shí)就很難有空氣擠入絕緣油。說明正確的插入方式可以減少絕緣油內(nèi)部的氣泡。總結(jié)：

氣泡及氣體是影響絕緣油耐壓強(qiáng)度的重要因素之一，所以要求每次測(cè)試前應(yīng)當(dāng)觀察絕緣油中有無氣泡存在。通常絕緣油的氣泡較難排出，當(dāng)油缸內(nèi)存有氣泡時(shí)，可采用震蕩的方式將氣泡漂浮于油品表面或采用加熱的方法將油里的氣泡及氣體排出；測(cè)試時(shí)，應(yīng)當(dāng)將樣品斜插入測(cè)試缸體內(nèi)，以防止空氣進(jìn)入絕緣油內(nèi)。

3.3 水分對(duì)絕緣油的耐壓強(qiáng)度影響

一般新絕緣油的耐壓強(qiáng)度在（40 ～45）kV左右，但由于空氣濕度的變化，如果油品保存不善，會(huì)有水分進(jìn)入而導(dǎo)致油品耐壓強(qiáng)度的下降。為此，我們利用微量注射器將20 ul、40 ul、60 ul、80 ul、100 ul、120 ul 不等量的純凈水注入油品，并用攪拌器進(jìn)行充分?jǐn)嚢瑁瑴y(cè)量水分對(duì)油品耐壓強(qiáng)度的影響程度，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3 和圖5。

表3 不同水分含量耐壓強(qiáng)度數(shù)值

表4 新舊絕緣油水分含量損失對(duì)比表

圖5 不同水分含量的耐壓強(qiáng)度對(duì)比圖

從表3 和圖5 可看出：隨著水分量的加大，絕緣油耐壓強(qiáng)度呈現(xiàn)急劇下降趨勢(shì)，新絕緣油不加水分為45.1 Kv，當(dāng)加入20 ul 水分后，急劇下降為39.4 kV，下降13 %，直至加入120 ul 后耐壓強(qiáng)度為26.0 kV，下降為42 %，說明水分對(duì)絕緣油耐壓強(qiáng)度影響最大。

總結(jié)：

水分是影響絕緣油耐壓強(qiáng)度的重要因素，即使品質(zhì)十分純凈，沒有氧化的絕緣油，當(dāng)含有微量水分時(shí)，絕緣油的耐壓強(qiáng)度呈現(xiàn)明顯下降，曲線圖見圖5。所以絕緣油存放時(shí)，應(yīng)當(dāng)要有較好的保存條件，當(dāng)含有水分時(shí)，可進(jìn)行適當(dāng)?shù)募訜岢ニ锏乃?，也可在油里加入吸附劑來防止水分的進(jìn)入。

4 絕緣油的加熱處理測(cè)試

4.1 絕緣油TGA 水分測(cè)試

從以上的考察分析得出：絕緣油中的水分是其耐壓強(qiáng)度下降的直接因素，為此，我們進(jìn)行了如下試驗(yàn)。

選取“殼牌”廠家的新、舊絕緣油進(jìn)行充分?jǐn)嚢韬螅∠嗤至康挠推肥褂肨GA 水分含量測(cè)試方法驗(yàn)證分析其是否含有水分，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見圖6 和圖7。

圖7 舊絕緣油水分含量測(cè)試圖

從新、舊絕緣油水分測(cè)試結(jié)果可知：兩者都含有微量的水分，在（50 ～70）℃之間，新絕緣油的水分損失比舊絕緣油水分損失小；在（80 ～100）℃之間，新絕緣油的損失比反而大于舊油的水分損失比，這種情況可能包含有其它物質(zhì)的蒸發(fā)，兩種油品同時(shí)隨著溫度的升高，水分含量百分比都逐漸增大，即溫度越高水分蒸發(fā)量越大。說明加熱可很好的排除絕緣油中的水分。

4.2 絕緣油初步加熱處理

通過絕緣油水分含量測(cè)試后，我們分析查證了一些資料得知，絕緣油不允許含有水分（只是相對(duì)而言，我國(guó)電力行業(yè)規(guī)定最終注入變壓器的油品，其水含量要小于10 μg/g），因?yàn)樗謱?duì)絕緣油的擊穿電壓影響甚大，通常油中含水量只有在0.003 %以下時(shí)，對(duì)油的絕緣性能影響不大，而在0.005 %以上就能影響油的絕緣強(qiáng)度。當(dāng)水含量為0.03 %時(shí)，絕緣油的擊穿電壓降低達(dá)25 %。剛生產(chǎn)的絕緣油一般是不含有水分的，未經(jīng)使用的絕緣油的水分主要來自空氣中潮濕氣的侵入，由于受試驗(yàn)設(shè)備條件的限制，無法測(cè)出油品具體的含水量。

在得知水分對(duì)油品的重要影響后，對(duì)此我們采取加熱的方法進(jìn)行試驗(yàn)。采用90 ℃、120 ℃兩種溫度分別加熱30 min 后冷卻至室溫進(jìn)行測(cè)試，驗(yàn)證能否除去絕緣油中的水分，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表5 和圖8。

表5 不同溫度處理后油品的耐壓強(qiáng)度數(shù)值

圖8 新、舊絕緣油不同溫度處理后耐壓強(qiáng)度圖示

經(jīng)過兩種溫度分別加熱處理后，新、舊絕緣油耐壓強(qiáng)度都有不同程度的提高，而“22 ℃”常溫油品在44 kV 左右發(fā)生擊穿，無法滿足測(cè)試需求（通常測(cè)試至45 kV 后停止試驗(yàn)）；在加熱處理后，絕緣油在“90 ℃”與“120 ℃”比“未處理”的耐壓強(qiáng)度高出5 kV 左右。說明經(jīng)過適當(dāng)?shù)募訜峥商岣哂推返哪蛪簭?qiáng)度。在考慮到高溫會(huì)加速油品的老化，且每次加熱后絕緣油的氣味比較大，所以排除了處理“120 ℃”測(cè)試數(shù)據(jù)。在經(jīng)過后期試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)經(jīng)過加熱后，按逐級(jí)升壓法測(cè)試，每缸絕緣油測(cè)試15 ～20 塊樣品后就會(huì)發(fā)生絕緣油擊穿的現(xiàn)象，導(dǎo)致絕緣油無法持續(xù)使用，該方法的測(cè)試量未能達(dá)到預(yù)定要求。

4.3 絕緣油恒溫測(cè)試

前期的油品測(cè)試都是在加熱處理后晾至室溫進(jìn)行測(cè)試，但在測(cè)試后隨著高壓及高溫對(duì)油品的老化，每次發(fā)生擊穿后，再次進(jìn)行測(cè)試，油品的耐壓強(qiáng)度則會(huì)更低，無法滿足日常測(cè)試需求。在前期的試驗(yàn)中，我們發(fā)現(xiàn)在恒溫條件下測(cè)試，油品的耐壓值會(huì)相對(duì)更高一些。對(duì)此我們選取了“20 ℃、30 ℃、40 ℃、50 ℃、60 ℃、70 ℃、80 ℃不同溫度下進(jìn)行恒溫試驗(yàn)，考察絕緣油在不同恒溫條件下的耐壓強(qiáng)度，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表6 和圖9。

表6 不同溫度恒溫狀態(tài)下油品的耐壓強(qiáng)度數(shù)值

圖9 新、舊絕緣油與溫度的曲線圖

從以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知：新、舊絕緣油在20 ℃下，發(fā)生擊穿的平均值分別為：43.8 kV、48.0 kV，兩者三組測(cè)試數(shù)據(jù)波動(dòng)較大；加熱后，在（20 ～40）℃之間絕緣油擊穿值急劇上升；在（50 ～70）℃下，新、舊絕緣油油擊穿值趨于穩(wěn)定，新絕緣油恒定在55 kV 左右，舊油恒定在58 kV 左右；在80 ℃下，新、舊油耐壓強(qiáng)度有了更大的提高，但考慮到油缸的耐受溫度，不建議加熱80 ℃測(cè)試。

分析得出：在（50 ～70）℃恒溫下，新、舊油的耐壓強(qiáng)度最為穩(wěn)定且比規(guī)定提高（10 ～13）kV，可滿足測(cè)試要求。試驗(yàn)后舊的絕緣油在經(jīng)過恒溫加熱后反而比新絕緣油耐壓強(qiáng)度更高，經(jīng)過分析：在（50 ～70）℃加熱時(shí)，舊油水分蒸發(fā)較快加上長(zhǎng)期的加熱循環(huán)使用，減少了舊絕緣油中的水分，從而提高了舊絕緣油的耐壓強(qiáng)度（從表4 中的水分損失比可看出此結(jié)果）。

4.4 加熱后不同溫度下絕緣油的色度分析

絕緣油的色度是表觀油品精制深度最直觀的指標(biāo)，如果色度上升表明絕緣油已開始氧化、變質(zhì)，對(duì)此我們引入了油品的色度，分析不同溫度下的色度變化，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表7 和表8。

表7 絕緣油不同溫度下的色度數(shù)值

表8 不同溫度的色差數(shù)值

色差公式：

式中：

N—代表：30 ℃、40 ℃、50 ℃、60 ℃、70 ℃、80 ℃。

通過色差公式計(jì)算可得：

從上可知：（30 ～40）℃之間色差急劇上升，（40 ～60）℃之間色差有所降低，60 ℃以上色差急劇升高，說明加熱至一定溫度后，絕緣油的顏色會(huì)發(fā)生較大變化，在60 ℃以后絕緣油會(huì)出現(xiàn)氧化、變質(zhì)的跡象。綜合上圖分析，絕緣油在60 ℃恒溫處理后，最為安全、可靠。

經(jīng)過長(zhǎng)期的試驗(yàn)驗(yàn)證，在60 ℃恒溫下油品的耐壓強(qiáng)度持續(xù)性最好，可滿足測(cè)試要求；通過分析考察發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過測(cè)試擊穿后的舊絕緣油在通過過濾后，在恒溫條件下也可滿足正常測(cè)試要求。

5 總結(jié)

通過考察研究，影響絕緣油耐壓強(qiáng)度最主要的因素是絕緣油中的水分，由于油品在存貯及使用過程中有了濕氣的進(jìn)入而導(dǎo)致油品耐壓強(qiáng)度的下降，所以在使用過程中，應(yīng)注意外來水氣及濕氣的影響。

本課題主要針對(duì)性的分析絕緣油的各種影響因素并提出了相應(yīng)改進(jìn)措施。并考察出了采用60 ℃恒溫測(cè)試的方法，可使絕緣油耐壓強(qiáng)度提高（10 ～13）kV，經(jīng)過長(zhǎng)期的測(cè)試驗(yàn)證，該方法徹底的解決了絕緣油耐壓強(qiáng)度偏低的技術(shù)難題。