張 綺，馬書杰，于會(huì)民，張培恒

（中國(guó)石油蘭州潤(rùn)滑油研究開發(fā)中心 中國(guó)石油潤(rùn)滑油重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 （克拉瑪依），新疆 克拉瑪依834003）

在電網(wǎng)輸送技術(shù)與工程中，電力變壓器和換流變壓器是交流和直流輸電系統(tǒng)的核心設(shè)備，其運(yùn)行狀態(tài)直接影響系統(tǒng)的安全穩(wěn)定。變壓器的安全可靠性主要取決于其絕緣性能，換流變壓器與電力變壓器都是采用油紙絕緣結(jié)構(gòu)，都要承受交流電壓、雷電沖擊電壓和操作過電壓的作用，且換流變壓器閥側(cè)繞組還承受直流、直流疊加交流和極性反轉(zhuǎn)電壓的作用［1］，因此作為電力變壓器和換流變壓器中主要絕緣材料的變壓器油，除了要求具備較好的電氣性能外，還應(yīng)具備較好的交流或直流電場(chǎng)下的氧化安定性。

由于變壓器油特有的性質(zhì)和組成結(jié)構(gòu)，在運(yùn)行期間變壓器油受到高壓交流電場(chǎng)、直流電場(chǎng)、交直流疊加電場(chǎng)、高溫、空氣及鐵芯、銅、銀等金屬的催化作用會(huì)發(fā)生氧化，氧化產(chǎn)生的酸物質(zhì)腐蝕固體絕緣材料，繼而生成油泥沉積于鐵芯及線圈表面又造成固體絕緣層傳熱差、溫升高，使固體絕緣材料老化裂解，嚴(yán)重威脅電力設(shè)備的長(zhǎng)周期運(yùn)行。因此，要求變壓器油具有優(yōu)良的氧化安定性。目前，變壓器油氧化安定性評(píng)定方法很多（如NB/SH/T 0811，SH/T 0206，ASTM D2440，IEC61125方法等），采用相似的原理，即在規(guī)定的溫度、試驗(yàn)周期下，在銅的催化作用下，通入氧氣或空氣進(jìn)行氧化試驗(yàn)，通過測(cè)定氧化后油的酸值和沉淀或介質(zhì)損耗因數(shù)的大小來判定變壓器油的氧化安定性。另外還可采用快速評(píng)定方法，如差示掃描量熱儀法（IEC62036）和旋轉(zhuǎn)氧彈法（SH/T 0193、ASTM D2112）。以上這些方法的最大缺陷是試驗(yàn)條件與變壓器的運(yùn)行工況相差較大，沒有考慮高壓電場(chǎng)對(duì)氧化的影響，其評(píng)定的結(jié)果很難反應(yīng)出變壓器油在實(shí)際設(shè)備中的氧化進(jìn)程。

美國(guó)Doble公司提出一種變壓器油的無沉淀時(shí)間測(cè)試方法，在氧化過程中連續(xù)地周期測(cè)量和記錄樣品的介質(zhì)損耗因數(shù)變化趨勢(shì)，以介質(zhì)損耗因數(shù)的增加值作為判定值。該方法的氧化原理與NB/SH/T 0811和IEC61125的原理相近，主要不同點(diǎn)是外接了一個(gè)功率因數(shù)測(cè)量?jī)x，能夠在線監(jiān)測(cè)試驗(yàn)樣品的介質(zhì)損耗因數(shù)。日本三菱公司也采用類似的試驗(yàn)方法，在氧化過程中連續(xù)地周期測(cè)量介質(zhì)損耗因數(shù)變化趨勢(shì)。這兩種方法與傳統(tǒng)的氧化安定性評(píng)定方法一樣，都不能反應(yīng)出在電場(chǎng)作用下變壓器油的氧化安定性能。

本課題在對(duì)國(guó)內(nèi)外變壓器油氧化臺(tái)架試驗(yàn)裝置調(diào)查研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并建立一套變壓器油帶電運(yùn)行臺(tái)架，提供一種在高壓交流或直流電場(chǎng)下評(píng)定變壓器油氧化安定性的模擬試驗(yàn)方法；在實(shí)驗(yàn)室采用該裝置對(duì)幾種不加劑變壓器油進(jìn)行交流、直流電場(chǎng)下的臺(tái)架氧化試驗(yàn)。

1 高壓交流、直流電場(chǎng)下變壓器油氧化安定性試驗(yàn)臺(tái)架的建立

我國(guó)早期為了考察國(guó)產(chǎn)變壓器油工業(yè)應(yīng)用的可行性，首次設(shè)計(jì)制造了變壓器油臺(tái)架試驗(yàn)裝置，該試驗(yàn)裝置由控制柜和試驗(yàn)臺(tái)兩部分組成，其工作原理是：通過在變壓器油中設(shè)置裸露的、有載荷的特殊性能參數(shù)的變壓器，使變壓器油與變壓器充分接觸，在模擬變壓器油實(shí)際工作中存在的有氧、高溫、電場(chǎng)、金屬、絕緣材料的應(yīng)用環(huán)境基礎(chǔ)上，通過技術(shù)手段強(qiáng)化試驗(yàn)備件，使變壓器油加速氧化反應(yīng)而快速劣化，來模擬現(xiàn)場(chǎng)變壓器設(shè)備的工作狀態(tài)［2］。該設(shè)備為交流電場(chǎng)條件下評(píng)定變壓器油氧化安定性的臺(tái)架試驗(yàn)，在超高壓變壓器油研制過程中發(fā)揮了重要作用，但是，就目前發(fā)展?fàn)顩r而言存在以下不足：①只能在交流電場(chǎng)下評(píng)定變壓器油的抗氧化性能，不能在直流電場(chǎng)下評(píng)定；②電場(chǎng)強(qiáng)度為固定值，不能調(diào)整，且電場(chǎng)強(qiáng)度較?。虎弁ㄈ氲难鯕鉄o分配管，導(dǎo)致氧氣在試驗(yàn)油樣中分布不均勻，不能實(shí)現(xiàn)全部試驗(yàn)油樣的均勻氧化；④將氧化后變壓器油的酸值達(dá)到規(guī)定指標(biāo)時(shí)所需時(shí)間作為“氧化壽命”，與變壓器油作為絕緣用油的運(yùn)行工況不符，不能直接體現(xiàn)變壓器油絕緣性能的下降趨勢(shì)和程度；⑤受當(dāng)時(shí)技術(shù)水平限制，自控水平低，測(cè)量過程不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量和數(shù)據(jù)自動(dòng)采集。

針對(duì)目前變壓器油氧化安定性評(píng)定臺(tái)架方法的不足，以及我國(guó)高壓交流變壓器和換流變壓器的發(fā)展?fàn)顩r，中國(guó)石油蘭州潤(rùn)滑油研究開發(fā)中心新開發(fā)了一套在高壓交流或直流電場(chǎng)下評(píng)定變壓器油抗氧化性能的模擬試驗(yàn)臺(tái)架裝置，臺(tái)架裝置控制系統(tǒng)示意見圖1，該裝置主要包括計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、控制柜和試驗(yàn)臺(tái)。該裝置的試驗(yàn)原理是：變壓器油在高溫和高壓交流或直流電場(chǎng)下，與380V/220V降壓變壓器充分接觸，同時(shí)通入一定量的空氣，使變壓器油加速氧化，并利用在線監(jiān)測(cè)變壓器油的介質(zhì)損耗因數(shù)的技術(shù)，監(jiān)測(cè)介質(zhì)損耗因數(shù)達(dá)到規(guī)定值時(shí)所需要的時(shí)間，考察變壓器油的氧化安定性能。

圖1 臺(tái)架裝置控制系統(tǒng)示意

2 試 驗(yàn)

2.1 變壓器油帶電運(yùn)行臺(tái)架試驗(yàn)條件

為了與實(shí)際運(yùn)行工況更為接近，確定了變壓器油帶電運(yùn)行臺(tái)架的關(guān)鍵試驗(yàn)條件：①試驗(yàn)溫度為90℃，與目前GB 2536—2011變壓器油標(biāo)準(zhǔn)［3］和GB/T 7595—2008運(yùn)行油質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)［4］中介質(zhì)損耗因數(shù)檢測(cè)溫度相同；②通空氣量為100mL/min，通空氣是為了與變壓器實(shí)際運(yùn)行環(huán)境更為接近；③運(yùn)行油質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)GB/T 7595中規(guī)定500kV以上電壓等級(jí)的變壓器油介質(zhì)損耗因數(shù)達(dá)到0．02時(shí)就需要換油，因此，以氧化油的介質(zhì)損耗因數(shù)達(dá)到0．02時(shí)所需的時(shí)間來表示其“使用壽命”；④在無局部放電的條件下，在中部出線超高壓變壓器的主絕緣結(jié)構(gòu)中，長(zhǎng)期最高工作電壓時(shí)的許用場(chǎng)強(qiáng)一般要求小于4kV/mm，電壓等級(jí)越高，此值越小。對(duì)端部出線的絕緣結(jié)構(gòu)，此值要求小于2kV/mm［5］，因此，試驗(yàn)電壓確定為20kV交流電壓或20kV直流電壓（即電場(chǎng)強(qiáng)度為2kV/mm），與設(shè)計(jì)的實(shí)際變壓器許用場(chǎng)強(qiáng)相接近。

確定的變壓器油帶電運(yùn)行臺(tái)架試驗(yàn)條件與早期臺(tái)架的試驗(yàn)條件對(duì)比見表1。

表1 變壓器油帶電運(yùn)行臺(tái)架與早期臺(tái)架試驗(yàn)條件對(duì)比

2.2 試驗(yàn)方案

分別在交流電場(chǎng)、直流電場(chǎng)和不加電場(chǎng)的條件下，考察幾種不加劑變壓器油（A，B，C）的氧化安定性，具體試驗(yàn)方案見表2。

表2 變壓器油帶電運(yùn)行臺(tái)架試驗(yàn)方案

2.3 試驗(yàn)樣品

幾種不加劑變壓器油試驗(yàn)樣品的性質(zhì)見表3。從表3可以看出：3種樣品為同一黏度級(jí)別、芳烴含量不同的變壓器油，其中A為深精制石蠟基油，芳烴含量為0；B、C均為環(huán)烷基變壓器油，C的密度較大，芳烴含量最高。從旋轉(zhuǎn)氧彈試驗(yàn)結(jié)果看，3種樣品的氧化安定性從好到壞的順序?yàn)锳＞B＞C。但從NB/SH/T 0811氧化試驗(yàn)結(jié)果看，B的氧化安定性最好，其次是A和C。這兩種氧化試驗(yàn)結(jié)果均顯示芳烴含量高的C氧化安定性最差。

表3 試驗(yàn)樣品性質(zhì)分析

3 結(jié)果與討論

3.1 不同樣品在交流、直流電場(chǎng)下的試驗(yàn)結(jié)果

采用高壓交流、直流電場(chǎng)下變壓器油氧化安定性試驗(yàn)臺(tái)架對(duì)變壓器油A，B，C進(jìn)行氧化安定性試驗(yàn)和重復(fù)試驗(yàn)，以考察其氧化安定性，其中重復(fù)性試驗(yàn)采用的試樣用下角標(biāo)1、2區(qū)分。20kV交流電壓下變壓器油介質(zhì)損耗因數(shù)隨氧化時(shí)間的變化曲線見圖2；20kV直流電壓下變壓器油介質(zhì)損耗因數(shù)隨氧化時(shí)間的變化曲線見圖3；氧化油酸值見表4。

從圖2可以看出：在20kV的交流電壓下，隨氧化時(shí)間的增加，C的介質(zhì)損耗因數(shù)增長(zhǎng)最快，說明其氧化速率最快；A與B的介質(zhì)損耗因數(shù)增加緩慢，在530h以前兩種樣品的氧化速率相近，而在接近試驗(yàn)終點(diǎn)時(shí)A的介質(zhì)損耗因數(shù)增長(zhǎng)較快，氧化速率變快，說明B的氧化安定性好于A。從圖3可以看出，在20kV直流電壓下，C的氧化速率也是最快，其次是A，而B的氧化速率最慢。以上直流和交流兩組臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果均反映試驗(yàn)樣品的氧化安定性從好到壞的順序是B＞A＞C，說明變壓器油帶電運(yùn)行臺(tái)架能夠在不同電場(chǎng)類型下很好地區(qū)分變壓器油氧化安定性的優(yōu)劣，并且重復(fù)性較好。

從表4可以看出，無論是臺(tái)架氧化試驗(yàn)還是NB/SH/T 0811氧化試驗(yàn)，均表現(xiàn)為A的酸值最大，C次之，B的酸值最小。這是因?yàn)锳屬于石蠟基油，直鏈烷烴含量高，在加速氧化的條件下更容易形成酸，因而其氧化后酸值很大。

圖2 20kV交流電壓變壓器油的介質(zhì)損耗因數(shù)隨氧化時(shí)間的變化—A1； —A2； —B1； —B2；—C1； —C2； —終點(diǎn)值。圖3同

圖3 20kV直流電壓變壓器油的介質(zhì)損耗因數(shù)隨氧化時(shí)間的變化

通過以上試驗(yàn)可知：采用高壓交流、直流電場(chǎng)下變壓器油氧化安定性試驗(yàn)臺(tái)架對(duì)不加劑變壓器油（芳烴含量不同）進(jìn)行氧化安定性評(píng)價(jià)，CA值為3．7%的B氧化安定性最好，其次是CA值為0的A，而芳烴含量最高的C氧化安定性最差。

表4 變壓器油臺(tái)架氧化試驗(yàn)酸值與NB/SH/T 0811氧化酸值對(duì)比

3.2 同一樣品在不同電場(chǎng)下氧化安定性臺(tái)架試驗(yàn)

選用樣品C，考察變壓器油在交流電場(chǎng)、直流電場(chǎng)以及不加任何電場(chǎng)情況下的氧化安定性，不同電場(chǎng)下的介質(zhì)損耗因數(shù)和氧化酸值分別見圖4和表5。從圖4可以看出，變壓器油C在20kV交流電壓、20kV直流電壓、不加電壓的介質(zhì)損耗因數(shù)曲線有明顯區(qū)別，其中交流電場(chǎng)下的介質(zhì)損耗因數(shù)隨氧化時(shí)間的增加增長(zhǎng)最快，即氧化速率最快；其次是直流電場(chǎng)，而不加電場(chǎng)下的氧化速率最慢。從表5可以看出，不同類型電場(chǎng)下氧化后酸值基本在同一水平。以上試驗(yàn)結(jié)果表明，芳烴含量較高的變壓器油在不同類型的電場(chǎng)下的氧化安定性有所不同，在交流電場(chǎng)下的抗氧化性能要比在直流電場(chǎng)下差，而不加任何電場(chǎng)時(shí)的氧化安定性最好，高壓電場(chǎng)對(duì)變壓器油氧化具有較強(qiáng)的加速作用。

圖4 樣品C在不同電場(chǎng)下的介質(zhì)損耗因數(shù)—交流電場(chǎng)； —直流電場(chǎng)； —不加電場(chǎng)； —終點(diǎn)值

表5 樣品C在不同電場(chǎng)下的氧化酸值

4 結(jié) 論

（1）在對(duì)國(guó)內(nèi)外變壓器油氧化臺(tái)架試驗(yàn)裝置調(diào)查研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并建立了一套變壓器油帶電運(yùn)行臺(tái)架，提供一種在高壓交流或直流電場(chǎng)下評(píng)定變壓器油氧化安定性的模擬試驗(yàn)方法。

（2）采用所建立的臺(tái)架裝置對(duì)幾種不加劑變壓器油進(jìn)行交流、直流電場(chǎng)下的臺(tái)架氧化試驗(yàn)，結(jié)果表明，無論是在交流電場(chǎng)還是直流電場(chǎng)，變壓器油帶電運(yùn)行臺(tái)架均能夠很好地區(qū)分變壓器油氧化安定性的優(yōu)劣。

（3）對(duì)于同一種變壓器油，在不同類型電場(chǎng)下所表現(xiàn)出的氧化安定性有所不同，通常在交流電場(chǎng)下的抗氧化性能要比在直流電場(chǎng)下差，而不加電場(chǎng)的變壓器油氧化安定性最好。

［1］ 聶德鑫．UHVDC換流變壓器油紙絕緣缺陷直流局部放電發(fā)展過程［J］．高電壓技術(shù)，2012，38（12）：3249-3260

［2］ 傅繼瑜．臺(tái)架評(píng)定技術(shù)在變壓器油抗氧化性能評(píng)價(jià)中的應(yīng)用［J］．石油商技，2010，（6）：21-23

［3］ GB 2536，電工流體變壓器和開關(guān)用的未使用過的礦物絕緣油［S］．2011

［4］ GB/T 7595，運(yùn)行中變壓器油質(zhì)量［S］．2008

［5］ 路長(zhǎng)柏．電力變壓器絕緣技術(shù)［M］．哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1997：236