孫長(zhǎng)海，李天倫，馬 塽，王春逢，蘇曉敏，杭慧芳

（大連理工大學(xué) 電氣工程學(xué)院，遼寧 大連 116024）

0 引言

電力變壓器是輸電網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵設(shè)備之一，傳統(tǒng)油浸式變壓器大多是采用以石油為原料的礦物油作為液體絕緣介質(zhì)，而礦物絕緣油的燃點(diǎn)低、防火性差，并且生物降解率低，一旦發(fā)生運(yùn)行事故導(dǎo)致泄漏會(huì)嚴(yán)重危害生態(tài)環(huán)境。隨著可持續(xù)發(fā)展理念的深入，我國(guó)正大力推動(dòng)綠色電網(wǎng)的建設(shè)。天然酯絕緣油以其降解率高和燃點(diǎn)高等優(yōu)點(diǎn)，逐步在采礦、軍工、海上風(fēng)電等諸多領(lǐng)域代替?zhèn)鹘y(tǒng)的礦物絕緣油作為液體絕緣介質(zhì)[1]。天然酯絕緣油變壓器相比礦物油油浸式變壓器更加安全和環(huán)保，在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)廣泛應(yīng)用于輸電網(wǎng)絡(luò)中[2]。而受地理位置差異以及季節(jié)氣候變化的影響，變壓器實(shí)際的工作環(huán)境會(huì)有很大不同[3]。在我國(guó)北方部分地區(qū)運(yùn)行的天然酯絕緣油變壓器運(yùn)行環(huán)境最低溫度可達(dá)-30℃，溫度的降低會(huì)影響變壓器油的絕緣性能；而水分是影響變壓器穩(wěn)定運(yùn)行的主要因素，不僅會(huì)影響絕緣系統(tǒng)的介電性能，還會(huì)影響其內(nèi)部電場(chǎng)分布，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致絕緣擊穿[4]。因此研究低溫條件下水分含量對(duì)天然酯絕緣油介電特性的影響具有重要意義。

近年來(lái)，很多學(xué)者對(duì)礦物油的低溫?fù)舸┨匦赃M(jìn)行了研究。郭沖等[5]研究了低溫條件下水分含量對(duì)礦物油擊穿特性的影響，發(fā)現(xiàn)高水分含量的絕緣油擊穿強(qiáng)度在-10～0℃有極值存在，水分形態(tài)隨溫度變化是導(dǎo)致絕緣油擊穿強(qiáng)度發(fā)生變化的主要原因。徐征宇等[6]、高明[7]發(fā)現(xiàn)變壓器油的擊穿電壓與溫度的關(guān)系曲線呈U形，在低溫范圍（-20～10℃）內(nèi)，礦物絕緣油的介質(zhì)損耗因數(shù)基本無(wú)變化。張召濤[8]對(duì)植物絕緣油的擊穿特性和頻域介電性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)在常溫下只有含水量較高時(shí)才會(huì)嚴(yán)重影響天然酯絕緣油的擊穿電壓，介質(zhì)損耗因數(shù)在10-2～100Hz頻率區(qū)間存在最大值。

學(xué)者們對(duì)天然酯絕緣油的電氣特性也進(jìn)行了研究。李曉虎[9]研究了植物油紙的理化及電氣性能，發(fā)現(xiàn)與礦物油相比，植物油的分子極性較大，相對(duì)介電常數(shù)與介質(zhì)損耗因數(shù)較大。I L HOSIER等[10]發(fā)現(xiàn)橄欖油老化后導(dǎo)致的黏度上升是造成其交流擊穿電壓提高的原因，而葵花籽油在不形成水-油乳液的情況下才體現(xiàn)出較高的交流擊穿強(qiáng)度和低電導(dǎo)率。K KAMIDANI等[11]研究了FR3絕緣油在20～120℃的交流擊穿特性，發(fā)現(xiàn)在20～70℃條件下絕緣油的交流擊穿電壓隨溫度的升高而增大，在80～120℃時(shí)，溫度對(duì)其擊穿電壓大小的影響不明顯。

目前關(guān)于天然酯絕緣油的研究大多集中于常溫和高溫條件下，而關(guān)于低溫條件下天然酯絕緣油的研究還鮮有報(bào)道。本文主要研究低溫下水分對(duì)天然酯絕緣油絕緣特性的影響規(guī)律，為分析低溫環(huán)境下天然酯絕緣油變壓器的絕緣故障問題提供理論依據(jù)，為寒冷地區(qū)新型天然酯絕緣油變壓器的安全維護(hù)和穩(wěn)定運(yùn)行提供理論支持。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

低溫?fù)舸┰囼?yàn)平臺(tái)由交直流高壓發(fā)生裝置、智能絕緣試驗(yàn)箱、測(cè)試電極、高壓探頭示波器構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 低溫試驗(yàn)平臺(tái)Fig.1 Low temperature test platform

高壓發(fā)生裝置可分別產(chǎn)生0～60 kV的工頻交流電壓和直流電壓。智能絕緣試驗(yàn)箱可以實(shí)現(xiàn)-20～150℃（步進(jìn)為1℃，誤差為±1℃）的溫度控制，保證箱體內(nèi)溫度均勻分布，內(nèi)部設(shè)有溫度傳感器可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)箱體內(nèi)部溫度。高壓接入側(cè)設(shè)有高壓套管，可保證裝備的良好絕緣。將高壓探頭連在試品高壓側(cè)，通過示波器波形精確監(jiān)測(cè)試品發(fā)生擊穿時(shí)的電壓值。

1.2 試驗(yàn)樣品預(yù)處理

本實(shí)驗(yàn)采用的植物絕緣油為FR3天然酯絕緣油，燃點(diǎn)為360℃，凝點(diǎn)為-20℃，生物降解率可達(dá)到98%。對(duì)絕緣油進(jìn)行如下預(yù)處理：采用濾紙過濾去除天然酯絕緣油中的雜質(zhì)，過濾不少于兩次，以保證雜質(zhì)盡可能濾除。設(shè)定干燥箱溫度為90℃，將絕緣油放入干燥箱中保持48 h，以去除絕緣油中的氣體和水分。

采用自然吸潮法制備不同含水量的絕緣油樣：將干燥后的絕緣油暴露在實(shí)驗(yàn)室空氣環(huán)境中自然吸潮，通過精密天平實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)試樣質(zhì)量的變化情況，直到試品質(zhì)量達(dá)到預(yù)定值，立刻放入密封瓶中，密封靜置保存10 d以保證油內(nèi)水分分布均勻。根據(jù)NB/SH/T 0207—2010規(guī)定，采用卡爾菲休測(cè)量法測(cè)量天然酯絕緣油樣中的含水量，測(cè)得3組油樣中的含水量分別為55、115、280 mg/kg，并將3組油樣按含水量由低到高的順序依次標(biāo)注為sample1、sample2和sample3。

1.3 測(cè)試方法

根據(jù)GB/T 507—2002規(guī)定，對(duì)植物絕緣油采用球-球電極進(jìn)行擊穿試驗(yàn)：將油杯放入溫控實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)，油隙距離設(shè)為1 mm，以5℃為一個(gè)溫度梯度，待試品達(dá)到設(shè)定溫度后，采用球隙電極進(jìn)行擊穿電壓測(cè)量試驗(yàn)，加壓方式采用逐步升壓法，升壓速率為1 kV/s，重復(fù)進(jìn)行6次擊穿試驗(yàn)，結(jié)果取平均值。

在與擊穿試驗(yàn)相同的試驗(yàn)溫度下進(jìn)行介質(zhì)損耗因數(shù)測(cè)量試驗(yàn)。采用標(biāo)準(zhǔn)圓形板-板電極，板電極半徑為20 mm，油隙距離設(shè)定為2 mm，測(cè)量不同溫度梯度下不同水分含量天然酯絕緣油的介質(zhì)損耗因數(shù)(tanδ)和等效容值(Cx)。然后根據(jù)Cx=εrS/0.036πd計(jì)算出相對(duì)介電常數(shù)(εr)，其中S為圓形極板面積，d為油隙距離。試驗(yàn)時(shí)，在油杯中將探針式溫度傳感器通過導(dǎo)線連接至低壓側(cè)，監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)的油溫，如圖2所示。

圖2 油杯結(jié)構(gòu)Fig.2 Oil cup structure

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 擊穿特性分析

通過-5～15℃區(qū)間的降溫過程發(fā)現(xiàn)，溫度高于0℃時(shí)，天然酯絕緣油呈現(xiàn)為透明綠色，而當(dāng)溫度低于0℃后，絕緣油慢慢由透明綠色變?yōu)槿榘咨?，這是由于隨著溫度的降低，天然酯絕緣油對(duì)水分的溶解度降低，使水分從溶解態(tài)的水析出轉(zhuǎn)化為微小液滴，而其在低溫環(huán)境下又慢慢凝結(jié)為微小冰晶，致使整個(gè)油體呈現(xiàn)一種乳濁態(tài)。在對(duì)低溫下天然酯絕緣油的操作過程發(fā)現(xiàn)，隨著溫度的降低，其黏度也在逐漸增大，這也印證了文獻(xiàn)[12]中的觀點(diǎn)。

對(duì)不同含水量油樣進(jìn)行不同溫度下的擊穿試驗(yàn)，結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出，隨著油樣中水分含量的增加，天然酯絕緣油的交流擊穿電壓值明顯減??；在降溫初期，隨著溫度的降低，擊穿電壓值減小，當(dāng)溫度降低到一定值時(shí)，擊穿電壓出現(xiàn)極小值，隨著溫度的繼續(xù)降低，擊穿電壓值增大。從圖3還可以看出，天然酯絕緣油的直流擊穿特性與交流擊穿特性呈現(xiàn)相同的變化趨勢(shì)，但變化幅度沒有交流電壓下那么明顯。此外，在同一含水量條件下，天然酯絕緣油的直流擊穿電壓普遍低于其交流擊穿電壓，并且隨著水分含量的增加，直流擊穿特性曲線與交流擊穿特性曲線逐漸接近。

圖3 不同水分含量天然酯絕緣油交流與直流擊穿電壓隨溫度的變化規(guī)律Fig.3 DC and AC breakdown voltages of natural ester insulating oils with different water content with temperature

實(shí)際運(yùn)行中變壓器內(nèi)存在水分是不可避免的，并以溶解水、游離水和乳化水3種形態(tài)存在于油中。其中，游離水和乳化水的存在會(huì)大幅影響絕緣油的擊穿強(qiáng)度[13]。這是因?yàn)樗畬儆跇O性介質(zhì)，在外加電場(chǎng)的影響下會(huì)沿著電場(chǎng)方向排列，這兩種水分會(huì)在外加電場(chǎng)的影響下形成導(dǎo)電“水橋”，從而顯著減小天然酯絕緣油的擊穿電壓。而水分在天然酯絕緣油中的形態(tài)又取決于環(huán)境的溫度和水分的含量。當(dāng)溫度較高時(shí)，天然酯絕緣油對(duì)水分的溶解度較大，水分以溶解水的形態(tài)存在，對(duì)擊穿電壓的影響較小。當(dāng)溫度緩慢降低時(shí)，天然酯絕緣油對(duì)水分的溶解度逐漸減小，溶于天然酯絕緣油中的水分會(huì)慢慢析出形成小液滴。由于水分子是極性分子，會(huì)在電場(chǎng)作用下拉長(zhǎng)形成橢球液滴，這種極性橢球液滴的存在會(huì)導(dǎo)致局部電場(chǎng)畸變，同時(shí)促進(jìn)導(dǎo)電小橋的建立，當(dāng)這種小橋形成貫穿的導(dǎo)電通道時(shí)，會(huì)明顯減小天然酯絕緣油的擊穿電壓。因此，在降溫過程中，水分析出，絕緣油的擊穿電壓逐漸減小，但當(dāng)溫度下降到一定程度時(shí)，析出的水分液滴會(huì)逐漸轉(zhuǎn)化為微小冰晶的形態(tài)，這種冰晶結(jié)構(gòu)不像液滴一樣易受電場(chǎng)影響且不易導(dǎo)電，致使“水橋”作用消失，而且隨著重力作用可能向下沉積，與礦物絕緣油的情況相近[14]。同時(shí)溫度的進(jìn)一步降低，使天然酯絕緣油的黏度增大，致使擊穿電壓增大，這是由于絕緣油的黏度增大，與之相關(guān)的雜質(zhì)離子活動(dòng)能力減弱，阻礙了雜質(zhì)小橋的形成，因而整體擊穿電壓呈現(xiàn)出隨溫度繼續(xù)降低而逐漸增大的現(xiàn)象。

實(shí)際情況下絕緣油不是完全純凈的，內(nèi)部或多或少存在一些雜質(zhì)，根據(jù)小橋理論，由于油中雜質(zhì)和水分的相對(duì)介電常數(shù)都比天然酯絕緣油的大，因此在電場(chǎng)的作用下，雜質(zhì)和水分會(huì)形成同向的小橋，這種小橋的排列會(huì)影響電場(chǎng)的分布，導(dǎo)致局部放電，降低天然酯絕緣油的絕緣性能[15]，而且在直流電場(chǎng)下這種雜質(zhì)小橋的作用更加明顯，因此呈現(xiàn)出更小的擊穿電壓。

2.2 介電特性分析

2.2.1 介質(zhì)損耗因數(shù)

圖4為工頻電壓下不同水分含量天然酯絕緣油介質(zhì)損耗因數(shù)(tanδ)隨溫度的變化規(guī)律。從圖4可以看出，在工頻電壓作用下，降溫初期，天然酯絕緣油的介質(zhì)損耗因數(shù)隨溫度的降低逐漸增大，達(dá)到一定峰值后隨溫度的進(jìn)一步降低而逐漸減小。

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圖4 不同水分含量天然酯絕緣油介質(zhì)損耗因數(shù)隨溫度的變化規(guī)律Fig.4 Dielectric loss factor of natural ester insulating oils with different water content with temperature

試驗(yàn)油樣的介質(zhì)損耗只需要考慮電導(dǎo)損耗和極化損耗。天然酯絕緣油作為弱極性電介質(zhì)，在低溫條件下其黏度增大，分子熱運(yùn)動(dòng)減弱，與之相關(guān)的松弛極化過程建立緩慢，此時(shí)主要以電子位移極化過程為主導(dǎo)，該過程是指在外電場(chǎng)作用下，電介質(zhì)中帶正電的原子核和帶負(fù)電的電子層等效中心不重合產(chǎn)生偶極矩，由于電子質(zhì)量極小所以極化時(shí)間極短，且當(dāng)外界電場(chǎng)消失后可迅速恢復(fù)到正常狀態(tài)，相應(yīng)的極化強(qiáng)度與外界電場(chǎng)強(qiáng)度呈正比，與外界溫度變化關(guān)系不大，所以極化損耗極小[16]。實(shí)際上天然酯絕緣油在外加電場(chǎng)作用下，會(huì)由于帶電粒子的移動(dòng)而產(chǎn)生微小的漏導(dǎo)電流，這種電流流經(jīng)介質(zhì)時(shí)會(huì)發(fā)熱，從而產(chǎn)生損耗。而在降溫過程中，溶解水的析出會(huì)明顯增大絕緣油的電導(dǎo)率，導(dǎo)致其電導(dǎo)損耗增大，從而使得絕緣油的介損增大。當(dāng)溫度進(jìn)一步降低時(shí)，水分會(huì)以冰晶的形式存在，使得絕緣油的電導(dǎo)損耗減小，對(duì)介質(zhì)損耗的貢獻(xiàn)減小，使介質(zhì)損耗因數(shù)減小。

從圖4還可以看出，隨著天然酯絕緣油中水分含量的增加，溫度變化對(duì)絕緣油介質(zhì)損耗的影響顯著增大。當(dāng)絕緣油中的水分較少時(shí)，溫度變化對(duì)水分形態(tài)的影響不大，其介質(zhì)損耗因數(shù)受溫度影響變化不大；但隨著水分含量的增加，不同溫度下絕緣油的介質(zhì)損耗均顯著增加。這是由于水分作為極性電介質(zhì)，其在工頻電壓作用下會(huì)產(chǎn)生偶極子極化，導(dǎo)致極化損耗的產(chǎn)生，因此隨著水分含量的增加，天然酯絕緣油的極化損耗增加。

2.2.2 介電常數(shù)

圖5為工頻電壓下不同水分含量天然酯絕緣油相對(duì)介電常數(shù)(εr)隨溫度的變化規(guī)律。

圖5 不同水分含量天然酯絕緣油相對(duì)介電常數(shù)隨溫度的變化規(guī)律Fig.5 Relative dielectric constant of natural ester insulating oils with different water content with temperature

從圖5可以看出，天然酯絕緣油的相對(duì)介電常數(shù)隨溫度升高而逐漸減小，但是變化幅度不大。前文中提到，天然酯絕緣油作為弱極性電解質(zhì)在低溫下以電子位移極化為主導(dǎo)，而電子位移極化率與溫度關(guān)系不大。但由于降溫過程中，天然酯絕緣油分子體積減小，使得單位體積內(nèi)分子數(shù)增加，從而使介電常數(shù)輕微上升。由于水分子是極性介質(zhì)，會(huì)在電場(chǎng)作用下發(fā)生偶極子極化，所以隨著水分含量的增加，絕緣油的相對(duì)介電常數(shù)增大。

3 結(jié)論

（1）水分的存在和黏度會(huì)影響天然酯絕緣油的擊穿特性。低溫下天然酯絕緣油的擊穿電壓隨著溫度的降低先減小后增大，其中直流擊穿電壓比交流擊穿電壓小，隨著水分含量的增加，其交、直流特性曲線逐漸接近。

（2）低溫條件下，水分的形態(tài)變化影響著天然酯絕緣油的介質(zhì)損耗因數(shù)，隨著溫度的降低，其介質(zhì)損耗因數(shù)呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，在-5～0℃存在最大值，但在低含水量下，溫度對(duì)其介質(zhì)損耗因數(shù)影響不大。

（3）水分含量的增加會(huì)增大天然酯絕緣油的工頻相對(duì)介電常數(shù)，溫度變化對(duì)天然酯絕緣油的相對(duì)介電常數(shù)影響不大，隨溫度降低呈現(xiàn)出輕微上升的趨勢(shì)。