王偉龍，朱孟兆，葉文郁，潘 振，董永軍

(1.山東理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，山東 淄博 255000； 2.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，濟(jì)南 250002；3.山東中實(shí)易通集團(tuán)有限公司，濟(jì)南 250002)

天然酯絕緣油是一種新型環(huán)保高燃點(diǎn)液體絕緣介質(zhì)[1]，具有良好的理化性能、電氣性能[2-4]，應(yīng)用范圍與礦物絕緣油類似，已在許多國(guó)家得到應(yīng)用，全球應(yīng)用的植物絕緣油變壓器已超過75萬臺(tái)[5]。在我國(guó)，2015年8月工信部、質(zhì)檢總局、發(fā)改委聯(lián)合印發(fā)《配電變壓器能效提升計(jì)劃(2015—2017年)》，明確將天然酯絕緣油變壓器列為推廣的配電變壓器新技術(shù)產(chǎn)品。然而天然酯絕緣油因其自身成分的原因，傾點(diǎn)和黏度都高于礦物絕緣油，導(dǎo)致其低溫流動(dòng)性較差，不利于變壓器散熱[6-11]。改性天然酯絕緣油是在天然酯絕緣油的基礎(chǔ)上通過酯交換或其他化學(xué)反應(yīng)得到的天然酯絕緣油，其彌補(bǔ)了天然酯絕緣油的傾點(diǎn)和黏度高的問題。

國(guó)內(nèi)外有關(guān)變壓器絕緣油紙低溫特性的研究相對(duì)較少，有關(guān)天然酯絕緣油紙系統(tǒng)低溫特性的研究更少[12-16]。目前，有關(guān)天然酯絕緣油紙絕緣在耐壓方面的研究?jī)H涉及到高溫以及水分含量等相關(guān)因素的影響[17-19]，在低溫條件下的研究亟待完善。我國(guó)地域遼闊，很大一部分變壓器位于東北、新疆及內(nèi)蒙等高寒地區(qū)，研究天然酯絕緣油紙系統(tǒng)在低溫條件下的絕緣強(qiáng)度對(duì)天然酯絕緣油變壓器的低溫冷態(tài)啟動(dòng)與運(yùn)行具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[20-22]。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

大豆油基天然酯絕緣油、棕櫚油基改性天然酯絕緣油，兩種絕緣油的理化性能如表1所示；絕緣紙板(2 mm)。

表1 兩種絕緣油的理化性能

ZSGX型電熱恒溫干燥箱，南京卓實(shí)電氣有限責(zé)任公司；奧地利BAUR保爾DTA 100C全自動(dòng)絕緣油耐壓測(cè)試儀。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 樣品的處理

絕緣油預(yù)處理：對(duì)兩種絕緣油濾油處理，除掉油內(nèi)的水分及雜質(zhì)。

絕緣紙板預(yù)處理：將厚度為2 mm的絕緣紙板裁剪成60 mm×60 mm的正方形紙塊，置于ZSGX型電熱恒溫干燥箱(溫度110℃)中，干燥48 h，再將紙板置于絕緣油中浸泡48 h，使絕緣紙板浸油充分。

1.2.2 工頻擊穿電壓測(cè)試

準(zhǔn)備6個(gè)試驗(yàn)用的耐壓油杯，將經(jīng)預(yù)處理的絕緣油倒入6個(gè)油杯內(nèi)，將油杯密封，靜置2 h后放置冰箱，待油溫降至-20℃時(shí)，依次將6個(gè)油杯放置全自動(dòng)絕緣油耐壓測(cè)試儀中分別測(cè)量-20、-10、0、10℃時(shí)的擊穿電壓，耐壓油杯電極采用球蓋狀電極，電極間距為2.5 mm，升壓速度為2 kV/s。為保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，每個(gè)樣品每個(gè)溫度只測(cè)量1次，最終結(jié)果取每個(gè)溫度下6個(gè)樣品的平均值。絕緣油紙系統(tǒng)的耐壓試驗(yàn)跟絕緣油耐壓試驗(yàn)基本一致，將浸油后的絕緣紙板放于兩電極之間，倒入絕緣油，控制溫度、電極間距，試驗(yàn)電極模型如圖1所示。

2 結(jié)果與分析

2.1 兩種絕緣油工頻擊穿電壓測(cè)試結(jié)果

在4種溫度下對(duì)大豆油基天然酯絕緣油、棕櫚油基改性天然酯絕緣油進(jìn)行耐壓試驗(yàn)，擊穿電壓隨溫度的變化情況分別如圖2、圖3所示。

圖2 大豆油基天然酯絕緣油擊穿電壓隨溫度的變化曲線

圖3 棕櫚油基改性天然酯絕緣油擊穿電壓隨溫度的變化曲線

從圖2、圖3可以看出，兩種絕緣油擊穿電壓隨著溫度的升高都呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢(shì)，其擬合曲線都呈U型，兩種絕緣油擊穿電壓的最小值都在-10～0℃區(qū)間內(nèi)，大豆油基天然酯絕緣油擊穿電壓最小值在-5℃左右，棕櫚油基改性天然酯絕緣油擊穿電壓最小值在-10℃左右。

絕緣油中的水分一般以溶解水、乳化(懸浮)水、游離水以及固體絕緣材料吸附水4種形態(tài)存在[23]。當(dāng)絕緣油處于低溫條件下(-20℃)，水分以懸浮冰的形式存在于絕緣油中，少量的懸浮冰在電場(chǎng)作用下不易形成“冰橋”，所以絕緣油擊穿電壓高；當(dāng)油溫從-20℃升高至0℃過程中，油中懸浮冰逐漸轉(zhuǎn)化為懸浮水，隨著溫度的上升，油中懸浮水的體積分?jǐn)?shù)逐漸增大，懸浮水的增多是影響油耐壓水平下降的重要因素，使得擊穿電壓在-20～0℃階段呈逐漸下降的趨勢(shì)；當(dāng)溫度繼續(xù)上升時(shí)，水由懸浮態(tài)逐漸轉(zhuǎn)化為溶解態(tài)，溶解水對(duì)擊穿電壓的影響很小，故在0～10℃階段擊穿電壓呈上升趨勢(shì)。

2.2 兩種絕緣油紙系統(tǒng)工頻擊穿電壓測(cè)試結(jié)果

當(dāng)電極間距2.5 mm，紙板厚度2 mm，兩種絕緣油紙系統(tǒng)擊穿電壓隨溫度的變化如圖4、圖5所示。

圖4 大豆油基天然酯絕緣油紙系統(tǒng)擊穿電壓隨溫度的變化曲線(電極間距2.5 mm)

圖5 棕櫚油基改性天然酯絕緣油紙系統(tǒng)擊穿電壓隨溫度的變化曲線(電極間距2.5 mm)

由圖4、圖5可以看出，隨溫度的升高，兩種絕緣油紙系統(tǒng)的擊穿電壓呈先下降后上升的趨勢(shì)，棕櫚油基改性天然酯絕緣油紙系統(tǒng)擊穿電壓最小值對(duì)應(yīng)的溫度略低于大豆油基天然酯絕緣油紙系統(tǒng)，與純絕緣油擊穿電壓隨溫度變化趨勢(shì)基本一致，這與電極與紙板之間存在油隙有關(guān)。但油紙系統(tǒng)的擊穿電壓波動(dòng)范圍較純絕緣油小很多。

考慮到電極間距對(duì)擊穿電壓有一定影響，因此在紙板厚度為2 mm下，改變電極間距為2 mm，考察電極間距的影響。兩種絕緣油紙系統(tǒng)擊穿電壓隨溫度的變化曲線如圖6、圖7所示。

圖6 大豆油基天然酯絕緣油紙系統(tǒng)擊穿電壓隨溫度的變化曲線(電極間距2 mm)

圖7 棕櫚油基改性天然酯絕緣油紙系統(tǒng)擊穿電壓隨溫度的變化曲線(電極間距2 mm)

由圖6、圖7可以看出，兩種絕緣油紙系統(tǒng)的擊穿電壓仍呈先下降后上升的趨勢(shì)，與電極間距為2.5 mm時(shí)變化趨勢(shì)基本一致。比較圖4、圖6或者比較圖5、圖7，即同一種絕緣油紙系統(tǒng)不同電極間距，可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電極間距2 mm時(shí)，擊穿電壓波動(dòng)范圍要比電極間距2.5 mm時(shí)小。

試驗(yàn)過程發(fā)現(xiàn)，在電極間距為2.5 mm時(shí)，當(dāng)試驗(yàn)電壓接近擊穿電壓時(shí)，可明顯觀察到電極表面對(duì)紙板表面放電，可理解為絕緣紙板表面易吸附水分，擊穿的過程電極與絕緣紙板之間的油隙先被擊穿，然后紙板被擊穿。理論上電極間距2.5 mm的擊穿電壓應(yīng)該大于電極間距2 mm的擊穿電壓，但是，當(dāng)紙板與電極存在油隙時(shí)，在紙板擊穿過程中會(huì)選擇紙板較為薄弱的點(diǎn)擊穿，所以紙板擊穿電壓較電極間距為2 mm時(shí)要小一些，因此對(duì)外表現(xiàn)出兩者擊穿電壓近似。同時(shí)可看出，電極間距為2 mm時(shí)擊穿電壓更穩(wěn)定一些。

3 結(jié) 論

通過研究天然酯絕緣油、改性天然酯絕緣油以及兩種絕緣油紙系統(tǒng)擊穿特性發(fā)現(xiàn)：

(1)兩種不同油基的絕緣油及其對(duì)應(yīng)的油紙系統(tǒng)在-20～10℃內(nèi)都呈先下降后上升的U型變化趨勢(shì)，大豆油基天然酯絕緣油及其油紙系統(tǒng)擊穿電壓最小值在-5℃左右，棕櫚油基改性天然酯絕緣油及其油紙系統(tǒng)擊穿電壓最小值在-10℃左右。

(2)在油紙系統(tǒng)中，當(dāng)紙板厚度為2 mm，電極間距為2 mm與2.5 mm下的工頻擊穿電壓曲線基本一致，電極間距為2 mm時(shí)擊穿電壓更穩(wěn)定。

(3)在-10～0℃范圍內(nèi)植物絕緣油擊穿電壓普遍較低，甚至?xí)霈F(xiàn)低于相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求的情況。為避免變壓器發(fā)生絕緣事故，若變壓器油溫在投運(yùn)前處于-10℃以下時(shí)，建議變壓器空載運(yùn)行一段時(shí)間，待油溫上升至10℃后再帶負(fù)荷運(yùn)行。