張重遠， 范名琳， 趙 濤， 劉云鵬， 季學彪

(1.華北電力大學 河北省輸變電設(shè)備安全防御重點實驗室，河北 保定 071003； 2.國網(wǎng)江蘇省電力有限公司南京供電分公司，江蘇 南京 210000)

0 引 言

目前電力變壓器中廣泛使用的礦物絕緣油雖然電氣性能優(yōu)異，但存在燃點較低，生物降解性差，泄漏后污染環(huán)境等缺點，在消防安全和環(huán)境保護為重要考慮因素的大環(huán)境下，替代礦物絕緣油的新型電力變壓器成為更可行的選擇。以植物油為原料煉制的天然酯絕緣油，以其高閃點、優(yōu)異的生物降解性、良好的電氣性能、廣泛的原料來源及可再生等優(yōu)勢，成為新型絕緣油的研究熱點[1-3]。相關(guān)學者對天然酯絕緣油的電氣、物理和化學性能進行了大量的測試和改進研究，隨著技術(shù)和工藝的進步，天然酯絕緣油和傳統(tǒng)礦物絕緣油在常規(guī)測試指標上已基本相當[4]。目前，天然酯絕緣油在配電變壓器中已獲得了良好的工程應用，正逐步開始應用于更高電壓等級和更大功率的電力變壓器中[5，6]。

工程實際中變壓器油會不可避免地混入顆粒物雜質(zhì)，主要包括金屬顆粒、碳顆粒、油紙絕緣中的纖維素顆粒等，相關(guān)測試顯示，纖維素顆粒含量比例可超過總顆粒物含量的90%[7-9]。顆粒雜質(zhì)的存在將會大大影響變壓器油的絕緣強度。試驗測試發(fā)現(xiàn)，顆粒雜質(zhì)含量增加，絕緣油的交流和直流擊穿電壓會逐漸降低[10]。沖擊電壓下的絕緣油擊穿試驗同樣顯示，纖維素顆粒含量的增加導致變壓器油間隙沖擊擊穿電壓下降[11]。

除了顆粒雜質(zhì)，水分同樣不可避免地存在于變壓器油中。水是一種強極性分子，易被其它極性分子所吸引。礦物油為弱極性液體介質(zhì)，吸水能力很弱，而天然酯中存在的酯鍵使其極性增強，導致天然酯容易吸引水分子，因此天然酯絕緣油和礦物絕緣油的飽和水分含量差別很大。表1為天然酯和礦物油室溫下的飽和水分含量對比[12]。目前實施的天然酯絕緣油使用標準對水分含量的規(guī)定也遠高于礦物絕緣油，如DL/T 1811-2018《電力變壓器用天然酯絕緣油選用導則》中規(guī)定35 kV配電變壓器投運前天然酯絕緣油中水分含量限值為300 mg/L，同等級下礦物絕緣油中水分含量限值僅為20 mg/L。

表1 兩種絕緣油室溫下的飽和水分含量

Tab.1 Saturated moisture content of two insulating oils at room temperature

(mg/L)

當絕緣油中同時存在纖維素顆粒和水分等雜質(zhì)時，由于纖維素顆粒的多孔性結(jié)構(gòu)以及纖維素分子中存在的大量羥基、糖醛酸基等極性基團，因此纖維素顆粒將吸附大量水分。運行中的天然酯絕緣油水分含量遠高于礦物絕緣油，可能導致纖維素顆粒吸附更多的水分。在水分和纖維素顆粒的聯(lián)合作用下，天然酯絕緣油的絕緣特性可能會出現(xiàn)較大變化。目前的相關(guān)研究主要關(guān)注水分或纖維素顆粒單方面對天然酯的影響，缺乏二者的聯(lián)合影響研究。

基于上述分析，本文以FR3天然酯為研究基質(zhì)，針對纖維素顆粒和水分含量對天然酯絕緣性能的聯(lián)合影響展開研究。首先，通過相對介電常數(shù)和直流電阻率的實驗測試，獲得了三種纖維素顆粒含量水平在五種水分含量區(qū)間情況下天然酯絕緣油的相對介電常數(shù)和直流電阻率的變化規(guī)律。然后，通過交流擊穿試驗，測試了水分和纖維素顆粒影響下，天然酯絕緣油的擊穿電壓變化規(guī)律。所得結(jié)論可為天然酯絕緣油中纖維素顆粒和水分含量的控制提供參考。

1 相對介電常數(shù)和直流電阻率的測量

1.1 油樣制備

選用Cargill公司的天然酯絕緣油FR3為試驗用油。依據(jù)CIGRE 發(fā)布的Brochure 157對油中纖維素顆粒濃度進行級別劃分。CIGRE 12.17 工作組通過對實際變壓器油中顆粒物的統(tǒng)計，按照顆粒含量的不同將絕緣油中的顆粒含量分成了nil、low、normal、marginal和high 5個級別。本文對購買的桶裝原始FR3油樣采用孔徑為0.2 μm的有機濾膜過濾后，采用HIAC Particle Counter 8 000 A進行顆粒度測試粒徑大于5 μm的顆粒含量總數(shù)約為1 000個/100 mL，對應上述low級別。進一步測試發(fā)現(xiàn)，擊穿試驗中，油樣與空氣接觸會導致油中顆粒含量升高，low含量水平在實驗中難以維持，因此本文最終選擇了normal、marginal和high三種不同纖維素顆粒含量水平的油樣進行試驗測試。

相應纖維素顆粒含量水平油樣的配置是通過對制備出的low級別油樣中定量添加纖維素粉獲得。纖維素粉的微觀形貌如圖1所示，顆粒呈長條或橢球形狀，長度分布范圍為10～150 μm。油樣中定量添加纖維素粉后通過磁力攪拌使纖維顆粒分布盡量均勻。然后將油樣放入真空干燥箱，在低于100 Pa氣壓，溫度80 ℃環(huán)境下持續(xù)48小時，使纖維素顆粒充分浸油，同時去除油中溶解的氣體和水分，封存待用。

圖1 顯微鏡下纖維素顆粒形貌 Fig.1 Microscopic morphology of cellulose particles

將制備的不同顆粒含量水平的油樣放入恒溫恒濕箱，通過對溫濕度和時間的控制獲得不同水分含量的油樣，制備出不同顆粒含量水平不同水分含量的油樣。為保證纖維顆粒與絕緣油間的水分平衡，將上述制備好的油樣密封，常溫靜置48小時后再進行試驗。

1.2 測試方法

使用YCYJS9絕緣油介損及電阻率測試儀對試驗油樣的介電參數(shù)進行測試，油杯采用三極式結(jié)構(gòu)，極間距離設(shè)定為2 mm，以消除雜散電容及泄漏對介損測試結(jié)果的影響，測試條件設(shè)定為直流電壓500 V，交流電壓2 000 V，另外，考慮到室溫以及變壓器實際運行溫度的差別，試驗中分別測試了 25 ℃和90 ℃兩種溫度情況下的絕緣油參數(shù)。三電極油杯的內(nèi)、外電極如圖2所示。

為了降低顆粒團聚對測試結(jié)果的影響，測試前對油樣置于水浴中進行超聲振蕩10 min。考慮到試驗數(shù)據(jù)的有效性并且便于統(tǒng)計分析，將同一次制備出的油樣等量分成三杯，逐個測試，最后取測試結(jié)果的平均值作為最終結(jié)果。

圖2 三電極油杯Fig.2 Test electrodes

1.3 測量結(jié)果

為便于數(shù)據(jù)整理和分析研究，試驗以100 mg/L為區(qū)間間隔，在0～500 mg/L水分含量區(qū)間內(nèi)選取0～100 mg/L、100～200 mg/L、200～300 mg/L、300～400 mg/L及400～500 mg/L五個水分含量區(qū)間進行測試和分析，并取各區(qū)間的中值(即50 mg/L、150 mg/L、250 mg/L、350 mg/L和450 mg/L)作為油樣的水分含量表征。

圖3為normal、marginal和high三組含纖維顆粒油樣在25 ℃和90 ℃兩種情況下的相對介電常數(shù)隨水分含量的變化曲線，曲線為散點數(shù)值經(jīng)二次多項式擬合獲得。對比兩種溫度對油樣相對介電常數(shù)的影響，可看出室溫下油樣的相對介電常數(shù)明顯高于90 ℃下的絕緣油樣，主要原因是溫度升高加強了絕緣油分子的無規(guī)則熱運動，導致絕緣油中極性分子的轉(zhuǎn)向極化減弱。

兩種溫度情況下，水分含量和纖維素顆粒對相對介電常數(shù)的影響規(guī)律保持一致。相同纖維素顆粒含量水平情況下，水分含量的增加導致油樣的相對介電常數(shù)隨之增加；相同水分含量情況下，油樣的相對介電常數(shù)隨纖維素顆粒含量的增加而增大。

圖3 相對介電常數(shù)隨纖維素濃度和水分含量變化規(guī)律Fig.3 Relationship between relative dielectric constant and moisture content for different cellulose particle contaminations

為對比三種顆粒含量水平絕緣油的相對介電常數(shù)隨水分含量的變化幅度，以變壓器實際運行溫度90 ℃的測試數(shù)據(jù)為參考，取5個水分區(qū)間的中間值作為含水量測量點，以normal顆粒含量油樣在水分含量為50 mg/L狀態(tài)下測得的相對介電常數(shù)為基準值，計算顆粒和水分影響下油樣相對介電常數(shù)的上升幅度，結(jié)果如表2所示。

表2 相對介電常數(shù)隨纖維素濃度和水分含量增加百分比

Tab.2 Relative dielectric constant of oil samples varies with particle concentration and moisture content

(%)

由表2可知，對于3種顆粒含量水平的油樣，相對介電常數(shù)均隨著水分含量的增加而逐漸增大；對比分析不同水分含量和不同纖維素含量水平下相對介電常數(shù)增長幅度，發(fā)現(xiàn)當油樣較干燥時(50 mg/L)，顆粒含量由normal水平上升至high水平導致相對介電常數(shù)增長了1.6%左右；當顆粒含量為normal水平時，油樣中水分含量由50 mg/L上升至450 mg/L，導致相對介電常數(shù)增長了約1.9%。

綜合顆粒濃度和水分含量對絕緣油的聯(lián)合影響，顆粒含量為high水平，水分含量為450 mg/L的絕緣油樣與顆粒含量為normal水平，水分含量為50 mg/L的絕緣油樣相對介電常數(shù)相比，其增加幅度約為5.4%，增長趨勢較弱，但增長幅度高于水分和纖維素顆粒單獨作用情況。

圖4為試驗測量的三組含纖維素顆粒油樣在25 ℃和90 ℃兩種情況下的直流電阻率隨水分含量的變化規(guī)律，其中曲線為散點數(shù)據(jù)經(jīng)二次多項式擬合獲得。對比兩種溫度下的直流電阻率的變化趨勢可知， 25 ℃下的直流電阻率約為90 ℃條件下的直流電阻率若干倍，但二者變化趨勢基本保持一致。同一纖維素顆粒含量水平的絕緣油樣，水分含量的增加導致油樣的直流電阻率呈現(xiàn)大幅降低的趨勢；相同水分含量情況下，纖維素顆粒含量的增加同樣導致絕緣油直流電阻率的降低。

圖4 直流電阻率隨纖維素濃度和水分含量變化規(guī)律Fig.4 Relationship between DC resistivity and moisture content for different cellulose particle contaminations

參考相對介電常數(shù)的分析方法，以90 ℃條件下normal顆粒含量油樣在水分含量為50 mg/L狀態(tài)下測得的直流電阻率為基準值，計算油樣的直流電阻率隨顆粒和水分含量的下降百分比，結(jié)果如表3所示。

表3 直流電阻率隨纖維素濃度和水分含量下降百分比

Tab.3 DC resistivity of oil samples varies with particle concentration and moisture content

(%)

由表3可知，對于三種顆粒含量水平的油樣，直流電阻率下降百分比均隨著水分含量的增加而逐漸增大；對比分析不同水分含量和不同纖維素含量水平下直流電阻率的下降百分比，發(fā)現(xiàn)當油樣較干燥時(50 mg/L)，顆粒含量由normal水平上升至high水平導致直流電阻率降低了40.3%左右；當顆粒含量為normal水平時，油樣中水分含量由50 mg/L上升至450 mg/L，導致直流電阻率減小約53.2%。

考慮顆粒濃度和水分含量對油樣的聯(lián)合影響，顆粒含量為high水平，水分含量為450 mg/L的絕緣油樣與顆粒含量為normal水平，水分含量為50 mg/L的絕緣油樣直流電阻率相比，其降低幅度約為90.5%，降低幅度顯著，并且明顯高于水分和纖維素顆粒單獨作用情況。

2 交流擊穿試驗

為了測試纖維素顆粒和水分雜質(zhì)對天然酯絕緣油擊穿特性的聯(lián)合影響，依據(jù)IEC 60156標準，搭建了天然酯絕緣油交流電壓擊穿試驗平臺，如圖5所示。試驗采用曲率半徑為25 mm的球蓋-球蓋型銅電極，電極間隙設(shè)置為2.5 mm。采用連續(xù)加壓的方式，以2 kV/s的速度逐步升壓，直至擊穿。

圖5 交流擊穿試驗平臺示意圖 Fig.5 Platform diagram of AC breakdown test

圖6為不同纖維素顆粒和水分含量油樣的擊穿電壓測試結(jié)果。通過對比可知，相同水分含量的油樣，其擊穿電壓隨著纖維素含量的增加而逐漸降低；而相同纖維素顆粒濃度下，油樣擊穿電壓隨水分含量增加的變化存在“轉(zhuǎn)變閾值”，特別是normal和marginal兩種顆粒濃度情況，當水分含量小于“轉(zhuǎn)變閾值”時，油樣的擊穿電壓基本保持不變，但當水分含量超過“轉(zhuǎn)變閾值”時，油樣的擊穿電壓急劇下降。

圖6 不同纖維素濃度和水分含量油樣擊穿電壓Fig.6 Breakdown voltage of oil samples

3 分析與討論

根據(jù)2.3節(jié)中的測試結(jié)果，當天然酯油樣中水分含量較低時(50 mg/L)，纖維素顆粒含量的增加，會導致絕緣油的相對介電常數(shù)增加約1.6%，直流電阻率降低40.3%左右。油中纖維素顆粒含量較低時(normal水平)，油中水分含量的增加，可導致絕緣油的相對介電常數(shù)增加約1.9%，直流電阻率降低53.2%左右。由此也反映出直流電阻率對天然酯中的水分含量的變化以及纖維素顆粒污染程度非常敏感。測試結(jié)果的進一步分析顯示，天然酯中纖維素顆粒和水分的聯(lián)合作用會明顯增強上述影響。顆粒含量為high水平，水分含量為450 mg/L的絕緣油樣與顆粒含量為normal水平，水分含量為50 mg/L的絕緣油樣相比，相對介電常數(shù)增長了5.3%，而直流電阻率降低幅度約為90.5%。

上述結(jié)果是由天然酯、纖維素顆粒和水分的理化性質(zhì)決定的。天然酯的主要成分為脂肪酸甘油三酯，結(jié)構(gòu)式可用圖7的公式來表示，其中R1、R2、R3分別代表三個不同或相同的脂肪酸基團。脂肪酸基團中含有的C=C和C=O雙鍵使得脂肪酸甘油三酯帶有極性。電場作用下的甘油酸三酯極化形式主要為偶極子轉(zhuǎn)向極化。纖維素顆粒是由葡萄糖單元在1-4-β-糖苷鍵的鏈接下組成的高分子聚合糖，亦為極性分子，所以纖維素顆粒的加入會使偶極子轉(zhuǎn)向加劇，導致天然酯絕緣油相對介電常數(shù)增大[16]。

圖7 脂肪酸甘油三酯結(jié)構(gòu)式 Fig.7 Structural formula of fatty acid triglycerides

纖維素顆粒在電場中會受到各種力的作用而在絕緣油中定向運動并發(fā)生聚集現(xiàn)象，有利于在電極間形成“纖維素小橋”，使得電極間傳導電流增大，直流電阻率減小。

水的相對介電常數(shù)遠高于天然酯，所以混入水分的絕緣油相對介電常數(shù)會相應增大。同時，混入的水分會溶解油中的某些雜質(zhì)，使得偶極子轉(zhuǎn)向更加容易，極化更易形成，也會相應提高天然酯絕緣油的相對介電常數(shù)。

水分存在使得絕緣油中載流子濃度增加，絕緣油中的游離水還會在電場作用下被拉長，有利于在油間隙中形成“水橋”[17]，使得油間隙傳導電流增加，直流電阻率減小。

上述纖維素顆粒和水分對天然酯相對介電常數(shù)和直流電阻率的影響規(guī)律并未完全一致的體現(xiàn)在對交流擊穿電壓的影響上。由圖6可知，F(xiàn)R3油樣擊穿電壓隨水分含量增加的變化存在“轉(zhuǎn)變閾值”，當水分含量小于“轉(zhuǎn)變閾值”時，油樣的擊穿電壓基本保持不變，只有當水分含量超過“轉(zhuǎn)變閾值”時，油樣的擊穿電壓才呈現(xiàn)明顯下降趨勢。

圖8 CIGRE 436技術(shù)手冊中液體電介質(zhì)擊穿電壓隨水分含量變化關(guān)系Fig.8 Relationship between breakdown voltage and moisture content in CIGRE 436

CIGRE 436技術(shù)手冊中給出了室溫條件下清潔礦物油、硅油、天然酯和合成酯在不同水分含量情況下的交流擊穿電壓，如圖8所示。由圖8可知，礦物油中即使微量的水分侵入，擊穿電壓也會迅速下降。相反，天然酯即使在溶解了大量水分的情況下(320 mg/L)也能保持較高的擊穿電壓。

為方便對比分析，將圖8中天然酯的測試結(jié)果添加到圖6中，并近似標出油樣擊穿電壓隨水分含量增加而驟降的水分含量“轉(zhuǎn)變閾值”，如圖9所示。對比可知，纖維素顆粒濃度的增加，改變了水分對天然酯擊穿電壓的影響規(guī)律。4種顆粒濃度油樣由低到高對應的水分“轉(zhuǎn)變閾值”分別約為320 mg/L、290 mg/L、250 mg/L和200 mg/L。隨著顆粒濃度的增加，油樣交流擊穿電壓的水分“轉(zhuǎn)變閾值”逐漸降低。

圖9 油樣交流擊穿電壓的水分“轉(zhuǎn)變閾值”Fig.9 Moisture transition threshold of AC breakdown voltage

上述水分“轉(zhuǎn)變閾值”的變化規(guī)律顯然是由纖維素顆粒和水分對天然酯交流擊穿電壓的聯(lián)合作用導致。當纖維素顆粒含量較低時，油樣交流擊穿電壓的水分“轉(zhuǎn)變閾值”較高，纖維素顆粒含量增加，油樣交流擊穿電壓的水分“轉(zhuǎn)變閾值”減小。這種相關(guān)性可能與交流電壓下，天然酯、纖維素和水分三者分子間的相互作用有關(guān)。

礦物油由于其弱極性的分子結(jié)構(gòu)，難以溶解水分，故對水分含量特別敏感。極性FR3分子傾向于與水分子形成氫鍵，因此具有更強的飽和水分含量，如圖10(a)所示。纖維素微管的活性位點容易吸附水分子，一旦所有活性位點吸附了水分子，將形成單層吸附狀態(tài)，而額外的水分子還將被吸引到已經(jīng)吸附的水分子上，形成多層吸附狀態(tài)，繼續(xù)吸附水分子將出現(xiàn)毛細凝結(jié)狀態(tài)，如圖10(b)所示[18]。

圖10 酯、纖維素分別與水分子的相互作用Fig.10 Interaction of ester and cellulose with water molecules

由于纖維素顆粒的多孔性結(jié)構(gòu)以及纖維素分子中存在的大量羥基、糖醛酸基等極性基團，因此纖維素顆粒具有比天然酯更強的水分吸附能力。當天然酯絕緣油中同時存在較多的水分和纖維素顆粒時，纖維素顆粒與水分子相互吸引并結(jié)合在一起，二者的聯(lián)合作用可導致天然酯絕緣油的絕緣特性發(fā)生較大變化，極性增強，直流電阻率下降，同時加劇纖維素顆粒在絕緣油中的定向運動和聚集現(xiàn)象，交流擊穿電壓會隨著纖維素顆粒和水分含量的增加而急劇降低。當纖維素顆粒和水分含量較低時，由于天然酯較強的水溶解能力，導致水分與纖維素顆粒的聯(lián)合作用難以體現(xiàn)，因此天然酯仍能保持較高的擊穿電壓。

根據(jù)圖9交流擊穿試驗測試結(jié)果，在較高水分含量情況下，天然酯的擊穿電壓受到纖維素顆粒的影響，水分“轉(zhuǎn)變閾值”逐漸降低。因此，實際天然酯變壓器運行中需要考慮纖維素顆粒和水分聯(lián)合影響可能帶來的風險。

4 結(jié) 論

(1) 纖維素顆粒和水分對天然酯絕緣性能有一定影響。天然酯油樣較干燥時(50 mg/L)，纖維素顆粒含量由normal水平上升至high水平導致絕緣油的相對介電常數(shù)增加約1.6%，直流電阻率降低約40.3%。當顆粒含量為normal水平時，油樣中水分含量由50 mg/L上升至450 mg/L，可導致絕緣油的相對介電常數(shù)增加約1.9%，直流電阻率降低約53.2%。

(2) 纖維素顆粒和水分的聯(lián)合作用會明顯增大對天然酯絕緣性能的影響。顆粒含量為high水平，水分含量為450 mg/L的絕緣油樣與顆粒含量為normal水平，水分含量為50 mg/L的絕緣油樣相比，相對介電常數(shù)增加約5.4%，直流電阻率下降約90.5%。

(3) 在較高水分含量情況下，天然酯的擊穿電壓受到纖維素顆粒濃度的影響，隨顆粒濃度的增加，擊穿電壓的水分“轉(zhuǎn)變閾值”逐漸降低。