梁蘇寧， 楊 智， 邵先軍， 金凌峰， 王飛鵬， 王 強

（1.國網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，浙江 杭州 310014；2.重慶大學(xué) 電氣工程學(xué)院（輸變電裝備技術(shù)全國重點實驗室），重慶 400044）

0 引 言

變壓器是電網(wǎng)的重要組成部分之一，擔(dān)負(fù)著電壓變換與能量傳輸?shù)闹厝?。絕緣材料對于保證變壓器的安全性和使用壽命至關(guān)重要，其中絕緣油是電力變壓器的關(guān)鍵材料之一，對保持絕緣性能和延長變壓器使用壽命起著重要作用。近年來，天然酯絕緣油變壓器因具有過載能力強、防火安全性高以及環(huán)保性能好等特點，得到了廣泛的研究和應(yīng)用[1-3]，尤其是對于特殊環(huán)境下的應(yīng)用領(lǐng)域，如海上風(fēng)電變壓器、移動式變電站、牽引整流變壓器、水電站勵磁變壓器（發(fā)電機變壓器）等。研究表明，天然酯絕緣油比礦物油具有更高的閃點及燃點、更好的安全防火性能和電氣絕緣特性，同時擁有優(yōu)異的天然降解能力，還可以有效延長變壓器絕緣材料的壽命[4]?？傮w上，天然酯在環(huán)保、完全生物降解性和無毒性上遠(yuǎn)勝礦物油，具備碳平衡的可持續(xù)性。絕緣油與其他變壓器材料的相容性是影響變壓器絕緣性能的關(guān)鍵因素[5]。I ATANASOVA-HOHLEIN[6]闡述了測試材料相容性的必要性以及材料不相容導(dǎo)致的系列后果，指出不相容的材料可能會影響絕緣油的介電性能，從而影響絕緣油的理化與電氣絕緣性能，或產(chǎn)生特征氣體，干擾油中氣體的分析判斷。鞏智利等[7]對油冷型電動汽車電機用絕緣材料漆包圓線、漆包扁線、浸漬樹脂、橡膠密封材料與自動變速箱油（ATF）的相容性進行了研究，結(jié)果表明漆包圓線、漆包扁線、浸漬樹脂與ATF 具有良好的相容性，而丙烯酸酯橡膠在試驗過程中性能劣化明顯，不符合密封材料的性能要求。M MUZIK 等[8]研究了電纜扎帶、橡膠墊片等材料與菜籽油基天然酯絕緣油的相容性，討論了油品的介電常數(shù)、電阻率、耗散系數(shù)、黏度的變化，證明了不同變壓器材料與菜籽油基油之間存在不同的相互作用，指出設(shè)計使用新型絕緣液之前，所有使用的材料都需要進行材料相容性測試。因此，在選擇變壓器絕緣油時，必須考慮變壓器材料與絕緣油之間的相容性，絕緣油與絕緣材料的相容性決定了變壓器的絕緣性能。已有研究表明，天然酯絕緣油與特定類型的絕緣漆具有良好的相容性[9-10]，但有關(guān)天然酯絕緣油與多種類型絕緣漆的相容性研究仍有限，特別是高電壓大容量電力變壓器使用了多種絕緣漆材料，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了以往研究的種類范圍。因此，天然酯絕緣油與變壓器生產(chǎn)中常用的各種絕緣漆材料之間的相容性還需要進一步研究。

為了研究絕緣油與絕緣材料的相容性，對不同絕緣漆（R407 防銹漆、環(huán)氧富鋅底漆、丙烯酸酯面漆、淺綠色環(huán)氧酯底漆、片散內(nèi)膽漆、環(huán)氧云鐵中間漆）的老化特性進行研究。將天然酯絕緣油放置在一個模擬油漆的絕緣系統(tǒng)中，研究不同油漆組合的熱老化特性，考察100℃下老化164 h 后絕緣漆和絕緣油的性能變化情況，并測試絕緣油的運動黏度、含水量、酸值、介質(zhì)損耗因數(shù)、擊穿電壓、氣相色譜等參數(shù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本文使用的絕緣漆為R407防銹漆、環(huán)氧富鋅底漆、丙烯酸酯面漆、淺綠色環(huán)氧酯底漆、片散內(nèi)膽漆、環(huán)氧云鐵中間漆。試驗中絕緣漆的接觸面積為60 cm2，使用的天然酯絕緣油用量為750 mL。表1為每個樣品編號對應(yīng)的絕緣漆。

表1 各樣品編號對應(yīng)的絕緣漆Tab.1 The number of each sample corresponding to the insulating paint

1.2 試驗過程

按照ASTM D5282-2020 和ASTM D3455-2002中的相關(guān)規(guī)定，試驗所用的絕緣油體積與固體材料接觸面積的比例與變壓器正式運行過程中的一致，絕緣漆片的表面積（cm2）與絕緣油的體積（mL）之比為1∶12.5。天然酯絕緣油與絕緣漆之間的相容性試驗流程如圖1所示。

圖1 相容性試驗流程圖Fig.1 The flow chart of compatibility test

首先將所有試驗材料按照要求進行脫水脫氣處理，將過濾后的天然酯絕緣油置于90℃、50 Pa 的真空干燥箱中烘焙24 h，將絕緣漆片放入90℃、50 Pa 的真空干燥箱中干燥脫水16 h；然后將干燥后的絕緣漆片浸在干燥的天然酯絕緣油中，置于60℃、50 Pa的真空干燥箱中進行浸油48 h，再將絕緣油與絕緣漆片放入密封罐中進行抽真空充氮氣處理；最后將密封罐放入恒溫老化箱內(nèi)進行相容性老化試驗，溫度設(shè)置為100℃，測試周期為164 h。測試周期結(jié)束后，將樣品冷卻至室溫，分別按照GB/T 7600—2014《運行中變壓器油水分含量測定法（庫侖法）》、GB/T 265—1988《石油產(chǎn)品運動黏度測定法和動力黏度測定法》、GB/T 5654—2007《液體絕緣材料工頻相對介電常數(shù)、介質(zhì)損耗因數(shù)和體積電阻率的測量》、GB/T 28552—2012《變壓器油、汽輪機油酸值測定法（BTB 法）》、GB/T 507—2002《絕緣油介電強度測定法》和GC-9560-HD 型變壓器油專用色譜儀對絕緣油的含水量、黏度、介質(zhì)損耗因數(shù)、酸值、擊穿電壓、氣相色譜進行測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 運動黏度

天然酯絕緣油和絕緣漆片在100℃下熱老化164 h 前后的運動黏度如圖2 所示，其中0#表示空白對照組，即該組只有絕緣油老化，未放入絕緣漆片。從圖2 可以看出，測試前后天然酯絕緣油的運動黏度變化不明顯，表明在100℃下熱老化164 h 條件下，絕緣漆片對天然酯絕緣油運動黏度的影響較小，這與文獻[11]的試驗結(jié)果較為一致。

圖2 加熱老化164 h前后天然酯絕緣油的運動黏度Fig.2 The kinematic viscosity of natural ester insulating oil before and after thermal ageing for 164 hours

2.2 水分含量

天然酯絕緣油和絕緣漆片在100℃下熱老化164 h 前后的含水量如圖3 所示。從圖3 可以看出，隨著試驗的進行，大部分試驗組的含水量都有所增加，其中2#的水分含量基本與空白對照組0#相同，其余試驗組的水分含量較空白對照組的少。與空白對照組相比，4#的含水量增加幅度較小，說明淺綠色環(huán)氧酯底漆與天然酯絕緣油的相容性較好。值得注意的是，6#的含水量較老化前的試驗樣本的含水量有所減少，可能的原因是6#的環(huán)氧云鐵中間漆漆膜相較于其他絕緣漆漆膜吸水率更高，可將天然酯絕緣油中的水分束縛在漆膜表面，使得油漆絕緣組合中的大部分水分轉(zhuǎn)移到絕緣漆膜中，從而導(dǎo)致油-漆絕緣組合的絕緣油中水分含量降低[12]。

圖3 加熱老化164 h前后天然酯絕緣油的含水量Fig.3 The moisture content of natural ester insulating oil before and after thermal ageing for 164 hours

2.3 酸值

天然酯絕緣油和絕緣漆在100℃下熱老化164 h 前后的酸值如圖4 所示。從圖4 可以看出，空白對照組（0#）的酸值增加了0.02 mgKOH/g，1#、3#、5#的酸值增加了0.01 mgKOH/g，4#、6#酸值無變化，2#的酸值增加了0.02 mgKOH/g。這說明熱老化處理對天然酯絕緣油的酸值有一定的影響，可能是由于油分子降解或氧化反應(yīng)導(dǎo)致酸值升高。與空白對照組相比，在天然酯絕緣油體系中加入絕緣漆片后，除2#外，其他試驗組的酸值與對照組相比略低，這可能是絕緣漆片的加入在一定程度上減緩了油分子的降解及氧化，從而使得絕緣油的酸值增加幅度較小。

圖4 加熱老化164 h前后天然酯絕緣油的酸值Fig.4 The acid value of natural ester insulating oil before and after thermal ageing for 164 hours

天然酯絕緣油的主要成分是甘油三酯，在高溫下會逐漸水解成甘油和游離脂肪酸。不飽和鏈斷裂會形成過氧化物和自由基，進一步生成短鏈脂肪酸、醛、酮等物質(zhì)，導(dǎo)致酸值升高。但油液中游離脂肪酸與絕緣漆表面存在擴散平衡關(guān)系，這可能導(dǎo)致油液中游離脂肪酸含量下降，同時游離脂肪酸與絕緣漆表面的羥基結(jié)合發(fā)生酯交換反應(yīng)，降低了酸值，由此產(chǎn)生的脂肪酸酯附著在絕緣漆膜表面，進一步延緩了固體材料的老化分解，抑制了酸值的增加。此外，試驗結(jié)果還表明，不同試驗組的酸值增加幅度存在差異，這可能與絕緣漆與天然酯絕緣油在不同組合下的相容性有關(guān)。綜上所述，2#中的環(huán)氧富鋅底漆與天然酯絕緣油的相容性略差于其他試驗組。

2.4 介質(zhì)損耗因數(shù)

圖5 為天然酯絕緣油和絕緣漆片在100℃下熱老化164 h前后的介質(zhì)損耗因數(shù)。從圖5可以看出，在相容性方面，各試驗組表現(xiàn)出不同的性能，其中2#的介質(zhì)損耗因數(shù)大于空白對照組，其余試驗組的介質(zhì)損耗因數(shù)均小于空白對照組，且6#的絕緣油介質(zhì)損耗因數(shù)最小，說明6#的絕緣組合相容性較好。

圖5 加熱老化164 h前后天然酯絕緣油的介質(zhì)損耗因數(shù)Fig.5 The dielectric loss factor of natural ester insulating oil before and after thermal ageing for 164 hours

2.5 擊穿電壓

擊穿電壓是評價系統(tǒng)絕緣狀態(tài)的重要性能指標(biāo)。圖6 為熱老化164 h 前后天然酯絕緣油的擊穿電壓。從圖6 可以觀察到，熱老化后各試驗組的擊穿電壓都有所下降，說明絕緣系統(tǒng)的絕緣性能變差。其中4#和6#的擊穿電壓下降最顯著，說明淺綠色環(huán)氧酯底漆和環(huán)氧云鐵中間漆與天然酯絕緣油相容性較差。相比之下，2#、5#在熱老化后天然酯絕緣油的擊穿電壓下降較小，說明環(huán)氧富鋅底漆片散內(nèi)膽漆與天然酯絕緣油具有更好的相容性，但結(jié)合圖5 可以發(fā)現(xiàn)，2#的介質(zhì)損耗因數(shù)卻較大，這可能是因為測量介質(zhì)損耗因數(shù)時浸入了部分水分。綜上所述，絕緣系統(tǒng)的絕緣性能受絕緣材料與植物油相容性的影響，某些類型的絕緣材料可能表現(xiàn)出較好的相容性。

圖6 加熱老化164 h前后天然酯絕緣油的擊穿電壓Fig.6 The breakdown voltage of natural ester insulating oil before and after thermal ageing for 164 hours

2.6 油中溶解氣體

在老化試驗前后，采用氣相色譜法分析絕緣油中氣體含量的變化。碳?xì)浠衔铩⑻佳趸衔锖蜌錃獾暮颗c變壓器的各種內(nèi)部故障有關(guān)[11-12]。加熱老化164 h 前后天然酯絕緣油中溶解氣體的氣相色譜如圖7 所示。從圖7 可以看出，熱老化會導(dǎo)致更多的氣體釋放，其中3#中的CH4、C2H6和C2H4含量均高于其他試驗組。此外，3#和5#中的CO含量顯著高于其他試驗組，2#和4#中的H2含量顯著高于其他試驗組，各組CO2的含量無顯著差異。說明這些試驗組的絕緣材料可能對油中放電產(chǎn)生的氣體有一定的促進作用。而1#和6#中的各氣體濃度變化較小，這可能是由于R407防銹漆和環(huán)氧云鐵中間漆與天然酯絕緣油的相容性較好，絕緣漆產(chǎn)氣量較少。天然酯絕緣油的相容性較好，絕緣漆產(chǎn)氣量較少。總之，氣相色譜的結(jié)果進一步證明了絕緣材料和天然酯絕緣油之間的相容性對絕緣系統(tǒng)性能的重要性。

圖7 加熱老化164 h前后天然酯絕緣油中溶解氣體的氣相色譜圖Fig.7 The gas chromatography chart of dissolved gases in natural ester insulating oil before and after thermal ageing for 164 hours

2.7 試驗前后天然酯絕緣油和固體材料的物化性質(zhì)變化

圖8 為熱老化164 h 前后天然酯絕緣油的變化情況。從圖8可以看出，絕緣油最初呈淡黃色，在熱老化164 h 后，空白油樣的顏色發(fā)生了輕微的變化，顏色變得稍微深一些。而油-漆體系中天然酯絕緣油的顏色在老化后顏色較之前略深，但仍保持透明。這可能是由于在長期的老化過程中，一些老化產(chǎn)物從絕緣漆中脫落并溶解在油中，造成油色稍微變暗。但由于老化時間較短，顏色變化不明顯，說明在熱老化164 h 后，油漆體系結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生明顯的變化，也沒有出現(xiàn)明顯的脫落和雜質(zhì)顆粒，進一步證明了天然酯絕緣油與試驗中使用的各類絕緣漆具有良好的相容性。

圖8 天然酯絕緣油樣品在熱老化164 h前后的變化Fig.8 The changes of natural ester insulating oil samples before and after 164 hours of thermal ageing

圖9 為絕緣漆片樣品在熱老化164 h 前后的變化情況。從圖9 可以看出，絕緣漆片樣品在老化164 h 后外觀稍亮、光滑，且光澤度更高，表面更光滑，這可能是由于絕緣油中溶解的氣體或老化產(chǎn)物填充了絕緣漆片樣品的微觀孔隙。且各絕緣漆片樣品表面沒有發(fā)現(xiàn)損壞、劃痕或起泡的跡象，說明絕緣漆在長時間老化后仍能保持結(jié)構(gòu)的完整性。

圖9 不同絕緣漆片樣品在熱老化164 h前后的變化Fig.9 The changes of various insulating paint samples before and after 164 hours of thermal ageing

3 結(jié) 論

通過天然酯絕緣油和絕緣漆片樣品的加速熱老化試驗，研究天然酯絕緣油與變壓器中涉及的常用絕緣漆的相容性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)天然酯絕緣油老化164 h后在酸值方面表現(xiàn)出顯著的穩(wěn)定性，在老化過程中絕緣漆膜表面未觀察到明顯的劣化，并且保持了結(jié)構(gòu)的完整性和功能的穩(wěn)定性。在老化性能方面，環(huán)氧云鐵中間漆和淺綠色環(huán)氧酯底漆漆與天然酯絕緣油的相容性較好。