天然酯絕緣油電力變壓器絕緣油與絕緣漆材料相容性研究

梁蘇寧， 楊 智， 邵先軍， 金凌峰， 王飛鵬， 王 強(qiáng)

（1.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，浙江 杭州 310014；2.重慶大學(xué) 電氣工程學(xué)院（輸變電裝備技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室），重慶 400044）

0 引 言

變壓器是電網(wǎng)的重要組成部分之一，擔(dān)負(fù)著電壓變換與能量傳輸?shù)闹厝巍＝^緣材料對(duì)于保證變壓器的安全性和使用壽命至關(guān)重要，其中絕緣油是電力變壓器的關(guān)鍵材料之一，對(duì)保持絕緣性能和延長(zhǎng)變壓器使用壽命起著重要作用。近年來(lái)，天然酯絕緣油變壓器因具有過(guò)載能力強(qiáng)、防火安全性高以及環(huán)保性能好等特點(diǎn)，得到了廣泛的研究和應(yīng)用[1-3]，尤其是對(duì)于特殊環(huán)境下的應(yīng)用領(lǐng)域，如海上風(fēng)電變壓器、移動(dòng)式變電站、牽引整流變壓器、水電站勵(lì)磁變壓器（發(fā)電機(jī)變壓器）等。研究表明，天然酯絕緣油比礦物油具有更高的閃點(diǎn)及燃點(diǎn)、更好的安全防火性能和電氣絕緣特性，同時(shí)擁有優(yōu)異的天然降解能力，還可以有效延長(zhǎng)變壓器絕緣材料的壽命[4]。總體上，天然酯在環(huán)保、完全生物降解性和無(wú)毒性上遠(yuǎn)勝礦物油，具備碳平衡的可持續(xù)性。絕緣油與其他變壓器材料的相容性是影響變壓器絕緣性能的關(guān)鍵因素[5]。I ATANASOVA-HOHLEIN[6]闡述了測(cè)試材料相容性的必要性以及材料不相容導(dǎo)致的系列后果，指出不相容的材料可能會(huì)影響絕緣油的介電性能，從而影響絕緣油的理化與電氣絕緣性能，或產(chǎn)生特征氣體，干擾油中氣體的分析判斷。鞏智利等[7]對(duì)油冷型電動(dòng)汽車電機(jī)用絕緣材料漆包圓線、漆包扁線、浸漬樹脂、橡膠密封材料與自動(dòng)變速箱油（ATF）的相容性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明漆包圓線、漆包扁線、浸漬樹脂與ATF 具有良好的相容性，而丙烯酸酯橡膠在試驗(yàn)過(guò)程中性能劣化明顯，不符合密封材料的性能要求。M MUZIK 等[8]研究了電纜扎帶、橡膠墊片等材料與菜籽油基天然酯絕緣油的相容性，討論了油品的介電常數(shù)、電阻率、耗散系數(shù)、黏度的變化，證明了不同變壓器材料與菜籽油基油之間存在不同的相互作用，指出設(shè)計(jì)使用新型絕緣液之前，所有使用的材料都需要進(jìn)行材料相容性測(cè)試。因此，在選擇變壓器絕緣油時(shí)，必須考慮變壓器材料與絕緣油之間的相容性，絕緣油與絕緣材料的相容性決定了變壓器的絕緣性能。已有研究表明，天然酯絕緣油與特定類型的絕緣漆具有良好的相容性[9-10]，但有關(guān)天然酯絕緣油與多種類型絕緣漆的相容性研究仍有限，特別是高電壓大容量電力變壓器使用了多種絕緣漆材料，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了以往研究的種類范圍。因此，天然酯絕緣油與變壓器生產(chǎn)中常用的各種絕緣漆材料之間的相容性還需要進(jìn)一步研究。

為了研究絕緣油與絕緣材料的相容性，對(duì)不同絕緣漆（R407 防銹漆、環(huán)氧富鋅底漆、丙烯酸酯面漆、淺綠色環(huán)氧酯底漆、片散內(nèi)膽漆、環(huán)氧云鐵中間漆）的老化特性進(jìn)行研究。將天然酯絕緣油放置在一個(gè)模擬油漆的絕緣系統(tǒng)中，研究不同油漆組合的熱老化特性，考察100℃下老化164 h 后絕緣漆和絕緣油的性能變化情況，并測(cè)試絕緣油的運(yùn)動(dòng)黏度、含水量、酸值、介質(zhì)損耗因數(shù)、擊穿電壓、氣相色譜等參數(shù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本文使用的絕緣漆為R407防銹漆、環(huán)氧富鋅底漆、丙烯酸酯面漆、淺綠色環(huán)氧酯底漆、片散內(nèi)膽漆、環(huán)氧云鐵中間漆。試驗(yàn)中絕緣漆的接觸面積為60 cm2，使用的天然酯絕緣油用量為750 mL。表1為每個(gè)樣品編號(hào)對(duì)應(yīng)的絕緣漆。

表1 各樣品編號(hào)對(duì)應(yīng)的絕緣漆Tab.1 The number of each sample corresponding to the insulating paint

1.2 試驗(yàn)過(guò)程

按照ASTM D5282-2020 和ASTM D3455-2002中的相關(guān)規(guī)定，試驗(yàn)所用的絕緣油體積與固體材料接觸面積的比例與變壓器正式運(yùn)行過(guò)程中的一致，絕緣漆片的表面積（cm2）與絕緣油的體積（mL）之比為1∶12.5。天然酯絕緣油與絕緣漆之間的相容性試驗(yàn)流程如圖1所示。

圖1 相容性試驗(yàn)流程圖Fig.1 The flow chart of compatibility test

首先將所有試驗(yàn)材料按照要求進(jìn)行脫水脫氣處理，將過(guò)濾后的天然酯絕緣油置于90℃、50 Pa 的真空干燥箱中烘焙24 h，將絕緣漆片放入90℃、50 Pa 的真空干燥箱中干燥脫水16 h；然后將干燥后的絕緣漆片浸在干燥的天然酯絕緣油中，置于60℃、50 Pa的真空干燥箱中進(jìn)行浸油48 h，再將絕緣油與絕緣漆片放入密封罐中進(jìn)行抽真空充氮?dú)馓幚恚蛔詈髮⒚芊夤薹湃牒銣乩匣鋬?nèi)進(jìn)行相容性老化試驗(yàn)，溫度設(shè)置為100℃，測(cè)試周期為164 h。測(cè)試周期結(jié)束后，將樣品冷卻至室溫，分別按照GB/T 7600—2014《運(yùn)行中變壓器油水分含量測(cè)定法（庫(kù)侖法）》、GB/T 265—1988《石油產(chǎn)品運(yùn)動(dòng)黏度測(cè)定法和動(dòng)力黏度測(cè)定法》、GB/T 5654—2007《液體絕緣材料工頻相對(duì)介電常數(shù)、介質(zhì)損耗因數(shù)和體積電阻率的測(cè)量》、GB/T 28552—2012《變壓器油、汽輪機(jī)油酸值測(cè)定法（BTB 法）》、GB/T 507—2002《絕緣油介電強(qiáng)度測(cè)定法》和GC-9560-HD 型變壓器油專用色譜儀對(duì)絕緣油的含水量、黏度、介質(zhì)損耗因數(shù)、酸值、擊穿電壓、氣相色譜進(jìn)行測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 運(yùn)動(dòng)黏度

天然酯絕緣油和絕緣漆片在100℃下熱老化164 h 前后的運(yùn)動(dòng)黏度如圖2 所示，其中0#表示空白對(duì)照組，即該組只有絕緣油老化，未放入絕緣漆片。從圖2 可以看出，測(cè)試前后天然酯絕緣油的運(yùn)動(dòng)黏度變化不明顯，表明在100℃下熱老化164 h 條件下，絕緣漆片對(duì)天然酯絕緣油運(yùn)動(dòng)黏度的影響較小，這與文獻(xiàn)[11]的試驗(yàn)結(jié)果較為一致。

圖2 加熱老化164 h前后天然酯絕緣油的運(yùn)動(dòng)黏度Fig.2 The kinematic viscosity of natural ester insulating oil before and after thermal ageing for 164 hours

2.2 水分含量

天然酯絕緣油和絕緣漆片在100℃下熱老化164 h 前后的含水量如圖3 所示。從圖3 可以看出，隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，大部分試驗(yàn)組的含水量都有所增加，其中2#的水分含量基本與空白對(duì)照組0#相同，其余試驗(yàn)組的水分含量較空白對(duì)照組的少。與空白對(duì)照組相比，4#的含水量增加幅度較小，說(shuō)明淺綠色環(huán)氧酯底漆與天然酯絕緣油的相容性較好。值得注意的是，6#的含水量較老化前的試驗(yàn)樣本的含水量有所減少，可能的原因是6#的環(huán)氧云鐵中間漆漆膜相較于其他絕緣漆漆膜吸水率更高，可將天然酯絕緣油中的水分束縛在漆膜表面，使得油漆絕緣組合中的大部分水分轉(zhuǎn)移到絕緣漆膜中，從而導(dǎo)致油-漆絕緣組合的絕緣油中水分含量降低[12]。

圖3 加熱老化164 h前后天然酯絕緣油的含水量Fig.3 The moisture content of natural ester insulating oil before and after thermal ageing for 164 hours

2.3 酸值

天然酯絕緣油和絕緣漆在100℃下熱老化164 h 前后的酸值如圖4 所示。從圖4 可以看出，空白對(duì)照組（0#）的酸值增加了0.02 mgKOH/g，1#、3#、5#的酸值增加了0.01 mgKOH/g，4#、6#酸值無(wú)變化，2#的酸值增加了0.02 mgKOH/g。這說(shuō)明熱老化處理對(duì)天然酯絕緣油的酸值有一定的影響，可能是由于油分子降解或氧化反應(yīng)導(dǎo)致酸值升高。與空白對(duì)照組相比，在天然酯絕緣油體系中加入絕緣漆片后，除2#外，其他試驗(yàn)組的酸值與對(duì)照組相比略低，這可能是絕緣漆片的加入在一定程度上減緩了油分子的降解及氧化，從而使得絕緣油的酸值增加幅度較小。

圖4 加熱老化164 h前后天然酯絕緣油的酸值Fig.4 The acid value of natural ester insulating oil before and after thermal ageing for 164 hours

天然酯絕緣油的主要成分是甘油三酯，在高溫下會(huì)逐漸水解成甘油和游離脂肪酸。不飽和鏈斷裂會(huì)形成過(guò)氧化物和自由基，進(jìn)一步生成短鏈脂肪酸、醛、酮等物質(zhì)，導(dǎo)致酸值升高。但油液中游離脂肪酸與絕緣漆表面存在擴(kuò)散平衡關(guān)系，這可能導(dǎo)致油液中游離脂肪酸含量下降，同時(shí)游離脂肪酸與絕緣漆表面的羥基結(jié)合發(fā)生酯交換反應(yīng)，降低了酸值，由此產(chǎn)生的脂肪酸酯附著在絕緣漆膜表面，進(jìn)一步延緩了固體材料的老化分解，抑制了酸值的增加。此外，試驗(yàn)結(jié)果還表明，不同試驗(yàn)組的酸值增加幅度存在差異，這可能與絕緣漆與天然酯絕緣油在不同組合下的相容性有關(guān)。綜上所述，2#中的環(huán)氧富鋅底漆與天然酯絕緣油的相容性略差于其他試驗(yàn)組。

2.4 介質(zhì)損耗因數(shù)

圖5 為天然酯絕緣油和絕緣漆片在100℃下熱老化164 h前后的介質(zhì)損耗因數(shù)。從圖5可以看出，在相容性方面，各試驗(yàn)組表現(xiàn)出不同的性能，其中2#的介質(zhì)損耗因數(shù)大于空白對(duì)照組，其余試驗(yàn)組的介質(zhì)損耗因數(shù)均小于空白對(duì)照組，且6#的絕緣油介質(zhì)損耗因數(shù)最小，說(shuō)明6#的絕緣組合相容性較好。

圖5 加熱老化164 h前后天然酯絕緣油的介質(zhì)損耗因數(shù)Fig.5 The dielectric loss factor of natural ester insulating oil before and after thermal ageing for 164 hours

2.5 擊穿電壓

擊穿電壓是評(píng)價(jià)系統(tǒng)絕緣狀態(tài)的重要性能指標(biāo)。圖6 為熱老化164 h 前后天然酯絕緣油的擊穿電壓。從圖6 可以觀察到，熱老化后各試驗(yàn)組的擊穿電壓都有所下降，說(shuō)明絕緣系統(tǒng)的絕緣性能變差。其中4#和6#的擊穿電壓下降最顯著，說(shuō)明淺綠色環(huán)氧酯底漆和環(huán)氧云鐵中間漆與天然酯絕緣油相容性較差。相比之下，2#、5#在熱老化后天然酯絕緣油的擊穿電壓下降較小，說(shuō)明環(huán)氧富鋅底漆片散內(nèi)膽漆與天然酯絕緣油具有更好的相容性，但結(jié)合圖5 可以發(fā)現(xiàn)，2#的介質(zhì)損耗因數(shù)卻較大，這可能是因?yàn)闇y(cè)量介質(zhì)損耗因數(shù)時(shí)浸入了部分水分。綜上所述，絕緣系統(tǒng)的絕緣性能受絕緣材料與植物油相容性的影響，某些類型的絕緣材料可能表現(xiàn)出較好的相容性。

圖6 加熱老化164 h前后天然酯絕緣油的擊穿電壓Fig.6 The breakdown voltage of natural ester insulating oil before and after thermal ageing for 164 hours

2.6 油中溶解氣體

在老化試驗(yàn)前后，采用氣相色譜法分析絕緣油中氣體含量的變化。碳?xì)浠衔铩⑻佳趸衔锖蜌錃獾暮颗c變壓器的各種內(nèi)部故障有關(guān)[11-12]。加熱老化164 h 前后天然酯絕緣油中溶解氣體的氣相色譜如圖7 所示。從圖7 可以看出，熱老化會(huì)導(dǎo)致更多的氣體釋放，其中3#中的CH4、C2H6和C2H4含量均高于其他試驗(yàn)組。此外，3#和5#中的CO含量顯著高于其他試驗(yàn)組，2#和4#中的H2含量顯著高于其他試驗(yàn)組，各組CO2的含量無(wú)顯著差異。說(shuō)明這些試驗(yàn)組的絕緣材料可能對(duì)油中放電產(chǎn)生的氣體有一定的促進(jìn)作用。而1#和6#中的各氣體濃度變化較小，這可能是由于R407防銹漆和環(huán)氧云鐵中間漆與天然酯絕緣油的相容性較好，絕緣漆產(chǎn)氣量較少。天然酯絕緣油的相容性較好，絕緣漆產(chǎn)氣量較少。總之，氣相色譜的結(jié)果進(jìn)一步證明了絕緣材料和天然酯絕緣油之間的相容性對(duì)絕緣系統(tǒng)性能的重要性。

圖7 加熱老化164 h前后天然酯絕緣油中溶解氣體的氣相色譜圖Fig.7 The gas chromatography chart of dissolved gases in natural ester insulating oil before and after thermal ageing for 164 hours

2.7 試驗(yàn)前后天然酯絕緣油和固體材料的物化性質(zhì)變化

圖8 為熱老化164 h 前后天然酯絕緣油的變化情況。從圖8可以看出，絕緣油最初呈淡黃色，在熱老化164 h 后，空白油樣的顏色發(fā)生了輕微的變化，顏色變得稍微深一些。而油-漆體系中天然酯絕緣油的顏色在老化后顏色較之前略深，但仍保持透明。這可能是由于在長(zhǎng)期的老化過(guò)程中，一些老化產(chǎn)物從絕緣漆中脫落并溶解在油中，造成油色稍微變暗。但由于老化時(shí)間較短，顏色變化不明顯，說(shuō)明在熱老化164 h 后，油漆體系結(jié)構(gòu)沒(méi)有發(fā)生明顯的變化，也沒(méi)有出現(xiàn)明顯的脫落和雜質(zhì)顆粒，進(jìn)一步證明了天然酯絕緣油與試驗(yàn)中使用的各類絕緣漆具有良好的相容性。

圖8 天然酯絕緣油樣品在熱老化164 h前后的變化Fig.8 The changes of natural ester insulating oil samples before and after 164 hours of thermal ageing

圖9 為絕緣漆片樣品在熱老化164 h 前后的變化情況。從圖9 可以看出，絕緣漆片樣品在老化164 h 后外觀稍亮、光滑，且光澤度更高，表面更光滑，這可能是由于絕緣油中溶解的氣體或老化產(chǎn)物填充了絕緣漆片樣品的微觀孔隙。且各絕緣漆片樣品表面沒(méi)有發(fā)現(xiàn)損壞、劃痕或起泡的跡象，說(shuō)明絕緣漆在長(zhǎng)時(shí)間老化后仍能保持結(jié)構(gòu)的完整性。

圖9 不同絕緣漆片樣品在熱老化164 h前后的變化Fig.9 The changes of various insulating paint samples before and after 164 hours of thermal ageing

3 結(jié) 論

通過(guò)天然酯絕緣油和絕緣漆片樣品的加速熱老化試驗(yàn)，研究天然酯絕緣油與變壓器中涉及的常用絕緣漆的相容性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)天然酯絕緣油老化164 h后在酸值方面表現(xiàn)出顯著的穩(wěn)定性，在老化過(guò)程中絕緣漆膜表面未觀察到明顯的劣化，并且保持了結(jié)構(gòu)的完整性和功能的穩(wěn)定性。在老化性能方面，環(huán)氧云鐵中間漆和淺綠色環(huán)氧酯底漆漆與天然酯絕緣油的相容性較好。