不同變壓器油電氣性能的對比研究

1 引言

變壓器油是源于石油的一種分餾產(chǎn)物， 它的主要成分是具有特定分子量的烷烴、環(huán)烷族飽和烴及芳香族不飽和烴等化合物。變壓器油主要裝在電力變壓器、斷路器、電流互感器和電壓互感器里，以起到絕緣、散熱冷卻和熄滅電弧的作用[1]。

加氫變壓器油是近年來采用先進精制工藝煉制的一類變壓器油。生產(chǎn)過程中采用的是異構脫蠟工藝，包括加氫裂化、異構脫蠟和加氫后精制。文獻[2]研究了中石化上海某公司生產(chǎn)的加氫基礎油， 從理化性能和電性能方面對加氫基礎油和環(huán)烷基油進行了比較，認為加氫基礎油粘度小，且具有優(yōu)異的氧化安定性，性能比環(huán)烷基油有明顯的優(yōu)勢，具有良好的市場前景。文獻[3]中采用多種方法評價了加氫變壓器油和環(huán)烷基變壓器油的抗氧化性能， 得出了加氫變壓器油優(yōu)于環(huán)烷基變壓器油的結果， 認為這主要是加氫變壓器油的烷烴含量高于環(huán)烷基變壓器油所致?？偟膩碚f，國內對加氫變壓器油性能的研究報道還不多。

變壓器油作為電氣設備的絕緣介質， 應當具備良好的電氣性能。變壓器油電氣性能的基本參數(shù)有擊穿電壓、介質損耗因數(shù)、相對介電常數(shù)和體積電阻率等。絕緣擊穿電壓是檢驗油耐受極限電應力情況的非常重要的一項指標;介質損耗因數(shù)tanδ 與電阻率，對油中存在的可溶性極性雜質、老化產(chǎn)物以及帶電膠體等的反應非常敏感。在較高溫度下介質損耗因數(shù)與電阻率通常具有較好的相關性， 介質損耗因數(shù)增大，電阻率降低。油品的介質損耗因數(shù)與電阻率直接影響電氣設備的絕緣性能[4]。

本文中筆者采用國家標準GB/T7595-2008 指定的實驗方法， 在同一測試平臺上測定國內外四種環(huán)烷基變壓器油和一種加氫變壓器油的電氣性能指標，并與GB/T7595-2008 要求的運行中變壓器油質量指標中的電氣性能指標進行比較， 運用實驗結果評價各種變壓器油電氣性能的差異性， 旨在為電力部門選用變壓器油提供參考依據(jù)。

2 實驗部分

2.1 實驗材料

從市場上收集五種變壓器油產(chǎn)品列于表1。油樣均為投入運行之前的未使用油， 未經(jīng)脫水或凈化處理，直接用于各項電氣性能指標測試。

2.2 檢測儀器

DTL 全自動介損儀， 奧地利BAUR 公司生產(chǎn);DTA100C 全自動絕緣油耐壓試驗儀，奧地利BAUR公司生產(chǎn);ZHYD3002 變壓器油帶電傾向性全自動測定儀，山東中惠儀器有限公司。

2.3 分析方法

GB 5654-2007-T《液體絕緣材料相對電容率、介質損耗因數(shù)和直流電阻率的測量》[5]。DL 429.9-91《絕緣油介電強度測定法》[6]。DL 421-09《電力用油體積電阻率測定法》[7]。DL/T 1095-2008《變壓器油帶電現(xiàn)場測試導則》[8]。

3 結果與討論

3.1 五種變壓器油樣介質損耗因數(shù)的比較

介質損耗因數(shù)表示在電場作用下， 電解質極化和電導所引起的電能損失。純烴系非極性化合物，在電場作用下不發(fā)生或很少發(fā)生轉位，但雜質成分，如膠質和酸類則為極性物，在電場作用下，隨電力線方向變化而轉位， 這種轉位消耗了部分電能而轉變?yōu)闊?，這不但損失電能，而且使變壓器的溫度增高，降低了變壓器油的工作能力， 使變壓器加速老化和變質。五種變壓器油樣品介質損耗因數(shù)的測定結果列于表2。

介質損耗因數(shù)的大小對判斷油品劣化或污染程度是很敏感的。通常新油中極性雜質含量甚少，其介質損耗因數(shù)也很小，但當油劣化或混入其他雜質時，隨著油中極性雜質或膠體物質含量的增加， 介質損耗因數(shù)也會隨之增大。

從表2 可以看出， 國產(chǎn)加氫變壓器油的介質損耗因數(shù)為0.000 36，比其他四種油品低很多，說明國產(chǎn)加氫油中含有的極性氧化物和雜質最少。而日本進口油的介質損耗因數(shù)最大，達到0.001 35，是國產(chǎn)加氫變壓器油的3.75 倍，很可能其中含有的雜質和極性氧化物比較多， 但不排除是化學組成不同所導致的。

瑞典進口的兩種環(huán)烷基油， 樣品3 是最高等級的，樣品2 是標準等級的。標準級樣品2 的介質損耗因數(shù)是國產(chǎn)加氫油的2.86 倍，最高級的樣品3 的介質損耗因數(shù)也是國產(chǎn)加氫油的1.94 倍，明顯不如國產(chǎn)加氫油。國產(chǎn)的環(huán)烷基油的介質損耗因數(shù)比其他進口的環(huán)烷基油的都低， 最接近進口樣品3 的最高等級的環(huán)烷基油，但也無法與國產(chǎn)加氫油相比。

從介質損耗因數(shù)的角度可得出國產(chǎn)加氫油比其他四種環(huán)烷基油優(yōu)越的結論。

顯然， 各種油品的介質損耗因數(shù)差異是由其化學組成和雜質含量所決定的， 其中的構效關系本研究組正在進行深入研究。

3.2 五種變壓器油樣體積電阻率的比較

體積電阻率是變壓器油的一項重要電化學性能指標，它反映了油品的介電性能。如果該項指標不合格，會引起油系統(tǒng)調速部件的電化學腐蝕，尤其在伺服閥內，電阻率越低，電化學腐蝕越嚴重。變壓器油的體積電阻率同介質損耗因數(shù)一樣， 可以判斷變壓器油的老化程度與污染程度。油中的水分、污染雜質和酸性產(chǎn)物均可使電阻率降低。五種變壓器油樣品體積電阻率的測定結果列于表3。

從表3 可以看出， 國產(chǎn)加氫變壓器油的體積電阻率是609.1×1010，遠遠比其他環(huán)烷基油的高很多，反映出加氫油中的水分、污染雜質和酸性產(chǎn)物非常少(尚需進一步實驗證實)。而日本進口油的體積電阻率最小，為146.9×1010，只有國產(chǎn)加氫變壓器油的24%，說明其含有的雜質可能比較多，但也有可能是加氫油與環(huán)烷基油化學成分的差異造成的。

最高等級樣品3 環(huán)烷基油的體積電阻率(375.1×1010)比其標準等級的樣品2 的(274.2×1010)高37%，已經(jīng)很好了，但是比國產(chǎn)加氫變壓器油的體積電阻率(609.1×1010)還是大幅度地低了62%。

雖然國產(chǎn)的樣品5 環(huán)烷基油的介質損耗因數(shù)比其他進口的環(huán)烷基油都低， 但是它的體積電阻率(254.0×1010)比瑞典兩種油的體積電阻率都低，說明體積電阻率與介質損耗因數(shù)之間沒有相關性。

從體積電阻率數(shù)據(jù)比較， 同樣可以得出國產(chǎn)加氫變壓器油比其他四種環(huán)烷基油更優(yōu)越的結論。該結論與介質損耗因數(shù)的比較結果是一致的， 兩組數(shù)據(jù)得到互相引證。

3.3 五種變壓器油樣介電常數(shù)的比較

介電常數(shù)又稱電容率或相對電容率， 是表征電介質或絕緣材料電性能的一個重要數(shù)據(jù)， 常用ε 表示。它是指在同一電容器中用同一物質為電介質和真空時的電容的比值， 表示電介質在電場中貯存靜電能的相對能力。材料的介電常數(shù)愈小，表示其絕緣性愈好。五種變壓器油樣品介電常數(shù)的測定結果列于表4。

在表4 的測定結果中， 國產(chǎn)加氫變壓器油的介電常數(shù)是2.07，比其他四種樣品(平均2.125)略低一些，也就是說其絕緣性比其他的稍好一點。其他四種環(huán)烷基油，不管國產(chǎn)的還是進口的，也不管牌號，介電常數(shù)的測定數(shù)據(jù)大體上是一樣的， 絕對差值在0.03 之內，沒有明顯差別。從介電常數(shù)比較，五種樣品的數(shù)據(jù)大體相同，不能得出國產(chǎn)加氫變壓器油比其他四種環(huán)烷基油明顯更好的結論。

3.4 五種變壓器油樣擊穿電壓的比較

擊穿電壓是檢驗變壓器油耐受極限電應力情況的重要指標， 可用來判斷變壓器油含水和其他懸浮物污染的程度， 以及對注入設備前油品干燥和過濾程度的檢驗。運行中油的擊穿電壓低是變壓器工作處于危險狀態(tài)的信號。五種變壓器油樣品擊穿電壓的測定結果列于表5。

表5 的測定結果顯示， 國產(chǎn)加氫變壓器油的擊穿電壓指標達到66.9kV，比其他四種油樣高一個臺階，是最低的樣品3 的擊穿電壓的2.2 倍。在此，又可以發(fā)現(xiàn)加氫油比環(huán)烷基油電氣性能更好。

樣品2 的擊穿電壓比最高級樣品3 的擊穿電壓高1.2 倍， 說明最高等級樣品3 油并不是什么性能都比標準等級的好。國產(chǎn)環(huán)烷基油的擊穿電壓也遠遠高于日本進口油和瑞典油的擊穿電壓。

在介質損耗因數(shù)、體積電阻率、介電常數(shù)三項指標測試中落后的日本油樣， 在擊穿電壓指標方面比瑞典兩種環(huán)烷基油都要好。這一結果反映出擊穿電壓指標與其他三項指標之間不存在正比例的關系。

3.5 五種變壓器油樣帶電傾向的比較

在強迫油循環(huán)的大型電力變壓器中， 由于變壓器油流過絕緣紙及絕緣紙板的表面時， 會發(fā)生油流帶電現(xiàn)象。大型電力變壓器的油流帶電現(xiàn)象，除上述外，還與變壓器油的加工精制工藝、油的老化、變壓器的結構(包括泵、散熱器、油箱等)、運行狀況、油中雜質、光照、油紙之間水分的遷移等因數(shù)有關。由于油流帶電引起變壓器內部放電， 是威脅大型變壓器安全運行的重要因數(shù)之一。油流帶電使變壓器內各絕緣部件上積聚了一定的電荷， 這些電荷將建立一定強度的直流電場， 當該電場強度超過油的擊穿強度或固體絕緣沿面放電強度時， 便會發(fā)生油的擊穿和沿面放電，油中放電和沿面放電的發(fā)展，進一步促使油質劣化， 又使放電加強， 并在絕緣表面形成碳跡，使其絕緣性能大大降低，最終導致絕緣事故[9]。

五種變壓器油樣品帶電傾向的測定結果列于表6。

由表6 可知， 最高級別的樣品3 環(huán)烷基油的油流帶電傾向最小。國產(chǎn)加氫變壓器油的油流帶電傾向也很小，不過不是最低的，說明并不是加氫變壓器油的所有電氣性能都最好。從總體來看，國產(chǎn)加氫變壓器油的油流帶電傾向還是明顯比其他環(huán)烷基油的小得多。瑞典普通級別的樣品2 環(huán)烷基油油流帶電傾向是國產(chǎn)加氫油的2.6 倍， 日本進口油是國產(chǎn)加氫油的4.1 倍。國產(chǎn)的環(huán)烷基油表現(xiàn)不錯，比樣品2和日本進口油超出一大截， 但是仍然明顯比不上國產(chǎn)加氫油。

從數(shù)據(jù)分析可以發(fā)現(xiàn)， 油流帶電傾向指標并不與介質損耗因數(shù)成正比關系。

3.6 五種變壓器油樣電氣性能測試數(shù)據(jù)與國家標準的比較

2007 年頒布執(zhí)行的中華人民共和國國家標準GB/T7595-2008《運行中變壓器油質量指標》[10]中的電氣性能指標要求摘錄于表7 中。

五種變壓器油電氣性能測試數(shù)據(jù)與國家標準的比較結果分別見圖1～圖3(圖中序號6 為國家標準)。

本實驗采用的油樣均為未處理的投入運行前的油。由圖1 可知，五種油的介質損耗因數(shù)均遠遠小于國家標準值0.005，數(shù)值最高的4 號樣品(日本進口環(huán)烷基油)也只有標準最高限定值的27%，說明所有被測試樣品都符合國家標準要求的500kV ～1000kV 電力設備質量指標。0.005 的指標只是最低的準入標準， 五種油的介質損耗因數(shù)還是存在明顯優(yōu)劣的。

國家標準對于設備電壓最低等級35kV 及以下的變壓器油的擊穿電壓要求是大于35kV，較高等級500kV 的變壓器油的擊穿電壓要求是大于60kV。五種油中只有樣品1 的擊穿電壓為66.9kV， 大于60kV，可以用于500kV 等級電力設備;樣品5 擊穿電壓為52.1kV， 可以用于330kV 等級電力設備;樣品4 為40.9kV，可以用于66kV～220kV 等級電力設備;樣品2 為36.8kV，可以用于35kV 及其以下等級的電力設備。樣品3 連最低標準都達不到，因此必需經(jīng)過處理才能投入使用。

五種油的體積電阻率均大于6×1010Ω·m 兩個數(shù)量級，即符合國標要求的的任何等級的電力設備。國家標準對油流帶電傾向和析氣性指標沒有做出規(guī)定，不好比較。

4 結論

(1)除了樣品3 高級環(huán)烷基油的擊穿電壓指標不達標外， 其余四種變壓器油樣品的電氣性能測試數(shù)據(jù)都達到國家標準規(guī)定的指標， 可以滿足使用要求。

(2)被測的五種變壓器油樣品的電氣性能指標存在很大的差距。國產(chǎn)加氫變壓器油的各種電氣性能表現(xiàn)優(yōu)異， 其介質損耗因數(shù)最低、體積電阻率最大、擊穿電壓最高，明顯比其他四個環(huán)烷基油樣品高一個臺階。國產(chǎn)加氫變壓器油介電常數(shù)與其他四個環(huán)烷基油樣品基本一樣，沒有明顯差別，也就是說絕緣性相同。從總體來看，國產(chǎn)加氫變壓器油的油流帶電傾向比其他環(huán)烷基油小得多，運行安全性比較高。

(3)五種樣品相互比較，可以得出國產(chǎn)加氫油電氣性能普遍比其他四種進口或國產(chǎn)環(huán)烷基油好、運行安全性更高的結論。

(4)介質損耗因數(shù)、體積電阻率、介電常數(shù)和擊穿電壓以及帶電傾向五項項指標之間不存在正比例的關系。各指標是相互獨立的，要綜合考慮才能對油樣的電氣性能做出正確評價。

(5)各種油品的電氣性能差異是由其化學組成和雜質含量所決定的，其中的構效關系有待進一步研究。

參考文獻：

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[3] 張燕, 張金芳. 加氫變壓器油和環(huán)烷基變壓器油抗氧化性能的評價[J]. 合成潤滑材料. 2010，37(3)：10-12.

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[6] DL429.9-91， 電力系統(tǒng)油質試驗方法絕緣油介電強度測定法[S].

[7] DL421-91，絕緣油體積電阻率測定法[S].

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[9] 陳國元. 強迫油循環(huán)變壓器油流帶電的危害及其抑制[J]. 華北電力技術，1992,(8)：30-35.

[10] GB/T7595-2008，運行油中變壓器油質量[S].