解陽陽，劉四平，武藝寧，徐清沅，郭勇，韓玥鳴

（西安西測測試技術股份有限公司，西安 710000）

引言

在規(guī)定的條件下，絕緣油發(fā)生擊穿時的電壓為絕緣油的擊穿電壓，也稱為絕緣油的介電強度或耐壓強度。在產品的介電擊穿檢測時，通常被試品的擊穿電壓要求為45 kV，由于高電壓在空氣中難以升壓，需用到絕緣油達到絕緣保護作用，試驗時絕緣油的耐壓強度必須達到45 kV 以上，才能保證試驗的正常進行。經過驗證，目前國內市場上各種品牌型號絕緣油的擊穿值均在45 kV左右，且在實際測試中容易發(fā)生擊穿，只能作廢處理，不能循環(huán)使用，需要重新加入新的絕緣油，才能滿足正常測試。這樣會導致重復的“取缸→換油→清缸→加新絕緣油”的繁瑣環(huán)節(jié)，大大的浪費了人力、物力、財力。

1 現(xiàn)狀分析

絕緣油是介電擊穿檢測項目的必備品，一般高壓測試在空氣中難以達到規(guī)定的電壓（升壓至10 kV 以上，高電壓在空氣中會產生電火花），所以在檢測時需加入絕緣油起到絕緣保護作用。為了滿足試驗電壓的要求，絕緣油需經受住更高的耐壓強度。

目前國內各種品牌絕緣油的擊穿電壓均在45 kV 左右，且測試時油品容易發(fā)生擊穿，不能滿足持續(xù)測試需求?，F(xiàn)階段行業(yè)內的做法是“頻繁更換新的絕緣油來保證測試正常進行”。絕緣油的品牌及型號見圖1。

圖1 絕緣油品牌名稱

我們選取了剛開封的“殼牌”絕緣油與經過兩次使用后的“殼牌”絕緣油進行介電擊穿測試，結果對比見表1。

表1 新、舊絕緣油擊穿電壓數(shù)值

從以上結果可看出：使用過的絕緣油耐壓強度的平均值在41.4 kV 被擊穿（標準通常測試至45 kV 停止試驗），不能達到測試需求。經更換新的絕緣油后耐壓強度在45 kV 左右，且在更換新絕緣油后，轉換為逐級升壓條件也只能測試4 塊樣品左右，無法滿足持續(xù)測試需求，頻繁的更換新絕緣油，投入較大，不是可行的方法。

注：

1）自動升壓條件是從0 kV升至目標電壓45 kV，升壓速率：500 V/S 。

2）逐級升壓條件是以30 kV為起點，步進5 kV，每個目標電壓保持1 min升至45 kV停止，升壓速率：500 V/S 。

3）規(guī)定測試四塊樣品，其中三塊樣品做逐級升壓,一塊做自動升壓。自動測試可以考察絕緣油耐壓強度的最大值；手動測試主要考察絕緣油耐壓強度的持續(xù)性。本次考察主要是尋求提高絕緣油的耐壓強度，顧本課題試驗條件以自動升壓為主。

2 介電擊穿的測試流程分析及絕緣油的擊穿模型

絕緣油介電擊穿測試流程分析如圖2。

圖2 絕緣油介電擊穿測試流程圖

3 影響絕緣油耐壓強度的考察分析

經過研究分析后，總結出了影響絕緣油耐壓強度的主要影響因素有：雜質及碳化物、油里的氣泡及氣體、油里的水分導致耐壓強度的下降，對此我們采取了以下考察實驗。

3.1 雜質及碳化物對絕緣油耐壓強度的影響

在發(fā)生擊穿后，絕緣油中會產生少許的雜質及黑絲狀碳化物，沉淀后不易觀察到。擊穿后的絕緣油再次測試時，油的耐壓強度會大大的降低，無法正常測試。分析認為：雜質及碳化物在產生高壓時容易形成電橋導電，這是影響絕緣油耐壓強度的一個重要因素，而后我們對測試過的油品進行除雜過濾后，發(fā)現(xiàn)有少許的黑色物質可能是絕緣油擊穿后分解的物質。

針對黑色雜質是否會影響到絕緣油的耐壓強度，我們選取未過濾與過濾后的舊絕緣油進行測試對比，試驗數(shù)據見表2。

表2 過濾后與未處理油品擊穿電壓對比數(shù)值

從表2 可看出：經過循環(huán)測試過的絕緣油，雖無明顯的雜質，但在過濾后，無塵紙上有細小的黑色物質。經分析，黑色污染物為擊穿后的碳化導電物質；從測試數(shù)據上看，過濾后，絕緣油的耐壓強度會有一定的提高，但結果不理想，絕緣油的耐壓強度不能滿足測試標準。說明雜質及碳化物是影響絕緣油的一個重要影響因素之一。

改善雜質影響的措施：

1）過濾：用濾紙過濾后，可除去絕緣油中纖維和碳化物等雜質。也可先在油中加一些白土、硅膠等吸附劑，吸附油中雜質，然后再過濾。在運行過程中，也常用過濾的方法來恢復油的絕緣性能。

2）防塵：必須要有防塵措施，每次使用絕緣油后，密閉容器，置油品于干燥地帶。在注油后，不讓灰塵入侵而降低油的絕緣性能。

總結：

使用后的絕緣油應分開保存，避免有雜質的絕緣油混入新絕緣油中，并做好密封措施。當發(fā)生擊穿后，會有黑色雜質覆蓋在油缸內壁上，通常不易觀察出，所以每次跟換絕緣油后，都應當清潔油缸及測試電極。當絕緣油中含有雜質時可使用過濾紙進行過濾除雜。

3.2 氣泡及氣體對絕緣油的耐壓強度影響

當儀器界面顯示擊穿后，打開油缸發(fā)現(xiàn)絕緣油與樣品表面有較多的氣泡存在，分析認為絕緣油中的氣泡及氣體導致了絕緣油耐壓強度的下降。原理為：氣泡中存有空氣及氣體，當升壓后，絕緣油產生熱量推動油分子的運動，這時絕緣油中的氣泡會產生氣泡鏈，升至一定的電壓直到擊穿各個氣泡后，空氣就會發(fā)生擊穿放電效應，氣泡擊穿原理如圖3。

圖3 絕緣油氣泡、氣體擊穿圖示

在通常測試當中發(fā)現(xiàn)，當放入樣品時，樣品表面會吸附較多的氣泡，即使清除掉絕緣油表面的氣泡，但在插入樣品后，還是會有氣泡附著于樣品表面。為了減少影響因素，要求要有正確的樣品插入方式。根據長時間的測試經驗，總結了樣品放置方式，見圖4。

圖4 樣品放入方式圖示

按圖4“正確做法”斜插入樣品后，樣品表面無明顯氣泡。按“錯誤做法”將樣品平整插入后，由于樣品表面積較大，插入的瞬間會帶有空氣擠入絕緣油中形成氣泡并附著在樣品表面上；而慢速將樣品斜插入絕緣油，減少了絕緣油與樣品的接觸表面積，這樣放入樣品時就很難有空氣擠入絕緣油。說明正確的插入方式可以減少絕緣油內部的氣泡?？偨Y：

氣泡及氣體是影響絕緣油耐壓強度的重要因素之一，所以要求每次測試前應當觀察絕緣油中有無氣泡存在。通常絕緣油的氣泡較難排出，當油缸內存有氣泡時，可采用震蕩的方式將氣泡漂浮于油品表面或采用加熱的方法將油里的氣泡及氣體排出；測試時，應當將樣品斜插入測試缸體內，以防止空氣進入絕緣油內。

3.3 水分對絕緣油的耐壓強度影響

一般新絕緣油的耐壓強度在（40 ～45）kV左右，但由于空氣濕度的變化，如果油品保存不善，會有水分進入而導致油品耐壓強度的下降。為此，我們利用微量注射器將20 ul、40 ul、60 ul、80 ul、100 ul、120 ul 不等量的純凈水注入油品，并用攪拌器進行充分攪拌，測量水分對油品耐壓強度的影響程度，試驗數(shù)據見表3 和圖5。

表3 不同水分含量耐壓強度數(shù)值

表4 新舊絕緣油水分含量損失對比表

圖5 不同水分含量的耐壓強度對比圖

從表3 和圖5 可看出：隨著水分量的加大，絕緣油耐壓強度呈現(xiàn)急劇下降趨勢，新絕緣油不加水分為45.1 Kv，當加入20 ul 水分后，急劇下降為39.4 kV，下降13 %，直至加入120 ul 后耐壓強度為26.0 kV，下降為42 %，說明水分對絕緣油耐壓強度影響最大。

總結：

水分是影響絕緣油耐壓強度的重要因素，即使品質十分純凈，沒有氧化的絕緣油，當含有微量水分時，絕緣油的耐壓強度呈現(xiàn)明顯下降，曲線圖見圖5。所以絕緣油存放時，應當要有較好的保存條件，當含有水分時，可進行適當?shù)募訜岢ニ锏乃郑部稍谟屠锛尤胛絼﹣矸乐顾值倪M入。

4 絕緣油的加熱處理測試

4.1 絕緣油TGA 水分測試

從以上的考察分析得出：絕緣油中的水分是其耐壓強度下降的直接因素，為此，我們進行了如下試驗。

選取“殼牌”廠家的新、舊絕緣油進行充分攪拌后，取相同分量的油品使用TGA 水分含量測試方法驗證分析其是否含有水分，試驗數(shù)據見圖6 和圖7。

圖7 舊絕緣油水分含量測試圖

從新、舊絕緣油水分測試結果可知：兩者都含有微量的水分，在（50 ～70）℃之間，新絕緣油的水分損失比舊絕緣油水分損失?。辉冢?0 ～100）℃之間，新絕緣油的損失比反而大于舊油的水分損失比，這種情況可能包含有其它物質的蒸發(fā)，兩種油品同時隨著溫度的升高，水分含量百分比都逐漸增大，即溫度越高水分蒸發(fā)量越大。說明加熱可很好的排除絕緣油中的水分。

4.2 絕緣油初步加熱處理

通過絕緣油水分含量測試后，我們分析查證了一些資料得知，絕緣油不允許含有水分（只是相對而言，我國電力行業(yè)規(guī)定最終注入變壓器的油品，其水含量要小于10 μg/g），因為水分對絕緣油的擊穿電壓影響甚大，通常油中含水量只有在0.003 %以下時，對油的絕緣性能影響不大，而在0.005 %以上就能影響油的絕緣強度。當水含量為0.03 %時，絕緣油的擊穿電壓降低達25 %。剛生產的絕緣油一般是不含有水分的，未經使用的絕緣油的水分主要來自空氣中潮濕氣的侵入，由于受試驗設備條件的限制，無法測出油品具體的含水量。

在得知水分對油品的重要影響后，對此我們采取加熱的方法進行試驗。采用90 ℃、120 ℃兩種溫度分別加熱30 min 后冷卻至室溫進行測試，驗證能否除去絕緣油中的水分，試驗數(shù)據見表5 和圖8。

表5 不同溫度處理后油品的耐壓強度數(shù)值

圖8 新、舊絕緣油不同溫度處理后耐壓強度圖示

經過兩種溫度分別加熱處理后，新、舊絕緣油耐壓強度都有不同程度的提高，而“22 ℃”常溫油品在44 kV 左右發(fā)生擊穿，無法滿足測試需求（通常測試至45 kV 后停止試驗）；在加熱處理后，絕緣油在“90 ℃”與“120 ℃”比“未處理”的耐壓強度高出5 kV 左右。說明經過適當?shù)募訜峥商岣哂推返哪蛪簭姸取Ｔ诳紤]到高溫會加速油品的老化，且每次加熱后絕緣油的氣味比較大，所以排除了處理“120 ℃”測試數(shù)據。在經過后期試驗中發(fā)現(xiàn)經過加熱后，按逐級升壓法測試，每缸絕緣油測試15 ～20 塊樣品后就會發(fā)生絕緣油擊穿的現(xiàn)象，導致絕緣油無法持續(xù)使用，該方法的測試量未能達到預定要求。

4.3 絕緣油恒溫測試

前期的油品測試都是在加熱處理后晾至室溫進行測試，但在測試后隨著高壓及高溫對油品的老化，每次發(fā)生擊穿后，再次進行測試，油品的耐壓強度則會更低，無法滿足日常測試需求。在前期的試驗中，我們發(fā)現(xiàn)在恒溫條件下測試，油品的耐壓值會相對更高一些。對此我們選取了“20 ℃、30 ℃、40 ℃、50 ℃、60 ℃、70 ℃、80 ℃不同溫度下進行恒溫試驗，考察絕緣油在不同恒溫條件下的耐壓強度，試驗數(shù)據見表6 和圖9。

表6 不同溫度恒溫狀態(tài)下油品的耐壓強度數(shù)值

圖9 新、舊絕緣油與溫度的曲線圖

從以上試驗數(shù)據可知：新、舊絕緣油在20 ℃下，發(fā)生擊穿的平均值分別為：43.8 kV、48.0 kV，兩者三組測試數(shù)據波動較大；加熱后，在（20 ～40）℃之間絕緣油擊穿值急劇上升；在（50 ～70）℃下，新、舊絕緣油油擊穿值趨于穩(wěn)定，新絕緣油恒定在55 kV 左右，舊油恒定在58 kV 左右；在80 ℃下，新、舊油耐壓強度有了更大的提高，但考慮到油缸的耐受溫度，不建議加熱80 ℃測試。

分析得出：在（50 ～70）℃恒溫下，新、舊油的耐壓強度最為穩(wěn)定且比規(guī)定提高（10 ～13）kV，可滿足測試要求。試驗后舊的絕緣油在經過恒溫加熱后反而比新絕緣油耐壓強度更高，經過分析：在（50 ～70）℃加熱時，舊油水分蒸發(fā)較快加上長期的加熱循環(huán)使用，減少了舊絕緣油中的水分，從而提高了舊絕緣油的耐壓強度（從表4 中的水分損失比可看出此結果）。

4.4 加熱后不同溫度下絕緣油的色度分析

絕緣油的色度是表觀油品精制深度最直觀的指標，如果色度上升表明絕緣油已開始氧化、變質，對此我們引入了油品的色度，分析不同溫度下的色度變化，試驗數(shù)據如表7 和表8。

表7 絕緣油不同溫度下的色度數(shù)值

表8 不同溫度的色差數(shù)值

色差公式：

式中：

N—代表：30 ℃、40 ℃、50 ℃、60 ℃、70 ℃、80 ℃。

通過色差公式計算可得：

從上可知：（30 ～40）℃之間色差急劇上升，（40 ～60）℃之間色差有所降低，60 ℃以上色差急劇升高，說明加熱至一定溫度后，絕緣油的顏色會發(fā)生較大變化，在60 ℃以后絕緣油會出現(xiàn)氧化、變質的跡象。綜合上圖分析，絕緣油在60 ℃恒溫處理后，最為安全、可靠。

經過長期的試驗驗證，在60 ℃恒溫下油品的耐壓強度持續(xù)性最好，可滿足測試要求；通過分析考察發(fā)現(xiàn)，經過測試擊穿后的舊絕緣油在通過過濾后，在恒溫條件下也可滿足正常測試要求。

5 總結

通過考察研究，影響絕緣油耐壓強度最主要的因素是絕緣油中的水分，由于油品在存貯及使用過程中有了濕氣的進入而導致油品耐壓強度的下降，所以在使用過程中，應注意外來水氣及濕氣的影響。

本課題主要針對性的分析絕緣油的各種影響因素并提出了相應改進措施。并考察出了采用60 ℃恒溫測試的方法，可使絕緣油耐壓強度提高（10 ～13）kV，經過長期的測試驗證，該方法徹底的解決了絕緣油耐壓強度偏低的技術難題。