配电变压器过载油纸绝缘老化特性研究

2021-08-28黄正勇周少喻王向东

电气化铁道 2021年4期

黄正勇，周少喻，王向东，金淼

0 引言

中国高速铁路建设发展迅速，全国80%的城市覆盖高速铁路网[1]。配电变压器是高速铁路电力供电系统的关键设备，尤其是35 kV及以下电压等级配电变压器。截至目前，高铁用油浸式配电变压器一直使用矿物油[2]，然而矿物油的闪点低，容易诱发火灾，同时，矿物油的降解能力较差[3]。植物绝缘油作为变压器中矿物油的替代品，由于其具有可再生性、生物降解性和较低的可燃性等优点，越来越受到人们的重视。有关试验表明，植物绝缘油的热老化速率低于矿物绝缘油[4～7]。矿物绝缘油的老化绝缘特性已被学者研究[8，9]。文献[10]研究了变压器材料对合成酯老化性能的影响。文献[11]研究对油纸试样在不同温度条件下进行加速热老化试验，得到不同老化程度的油纸试样。然而，目前对于高铁用植物绝缘油配电变压器研究较为鲜见。

2017年，中国铁路总公司《35 kV及以下植物绝缘油配电变压器研制与应用》科研课题立项，由多家高校和企业参与联合研发。植物绝缘油变压器过载油纸绝缘老化特性研究是该课题的研究内容之一，重点研究绝缘油击穿电压、水分、酸值、介损等老化特性，以及绝缘纸含水量、聚合度、机械强度等老化特性，为研制环保节能型高过载能力植物绝缘油高铁配电变压器提供技术支撑。

1 试验装置及材料

1.1 试验装置

热老化试验采用不锈钢老化罐（作为容器）及老化试验箱，如图1所示。不锈钢老化罐能够阻止外部空气进入，避免外界因素对老化试验产生干扰。老化试验箱内置加热器用于加热，通过内部风扇保持温度均匀分布，提供所需要的老化试验温度环境。

图1 植物油纸绝缘老化试验装置

1.2 试验材料

试验中采用的绝缘油分别为菜籽油、大豆油、酯交换油及矿物绝缘油，绝缘纸采用A级、B级绝缘纸。具体信息如表1所示。

表1 热老化试验材料

2 试验方法及步骤

热老化试验需保证老化机理不变，老化试验所选取的温度是试验的关键参数，温度太低或太高均不利于试验，温度太低将导致老化试验时间过长，温度过高将导致植物绝缘油裂化、热氧化、蒸发。通常情况下，变压器的正常运行油温最高不高于95 ℃，综合考虑变压器过载情况，最终选定植物绝缘油老化试验温度为130、145 ℃。热老化试验步骤如下：

（1）为保证绝缘油中的含水量低于5 mg/kg，先将大豆油、酯交换油、菜籽植物绝缘油放入90 ℃/50 Pa的真空箱中干燥48 h；A级、B级绝缘纸在空气中自然吸湿，使得试验用绝缘纸的含水量低于0.5%，将质量比为15∶1的绝缘油与绝缘纸加入到不锈钢密封罐中，再加入表面积与绝缘油体积比为1∶6的漆包铜条；在40 ℃/50 Pa条件下真空浸渍装有绝缘油、绝缘纸和漆包铜条的密封罐24 h，完成试验材料预处理。试验样品预处理结束后，开展老化试验。

（2）考虑氧化作用对植物绝缘油和绝缘纸板老化初期的影响，将不锈钢密封罐充满氮气后密封，并将密封后的不锈钢罐置于设定温度下的老化箱中进行加速老化试验。老化箱设定温度区间为120～180 ℃，每5 ℃为一个梯度，使用脉冲加热装置精确加热至准确的温度梯度值。

（3）为了获取不同老化程度的绝缘油纸绝缘组合，老化试验设定不同长度的试验时间后并取样，取样时间设定为0、7、15、30、80天。

（4）为了减少操作等因素引起的误差，各种绝缘油和绝缘纸板的组合在相同老化状态下每次取3个样品进行化验分析，试验数据结果取计算平均值。

热老化试验流程如图2所示。

图2 热老化试验流程

3 热老化试验结果

3.1 油中水分含量

变压器绝缘油中水分含量是老化试验的重要参数，图3所示为不同油纸组合下油中水分含量随老化时间的变化曲线。可以看出，老化过程中矿物油纸绝缘油中水分含量最少，但植物绝缘油的饱和含水量在1 000～2 000 mL/L范围内，矿物绝缘油则在100 mL/L以下，因此植物绝缘油相对含水量低于矿物绝缘油。3种植物油纸绝缘组合老化过程中，油中水分含量均是最初呈增加趋势，然后随着老化时间的延续呈减小的趋势。对于矿物油纸绝缘组合则是有所区别。矿物绝缘油与A级绝缘纸组合在105 ℃与120 ℃老化结果中，油中水分随老化时间的变化趋势是在0～15天时段内随老化时间增加油中水分含量增加，而15～30天时段内油中水分呈现下降的趋势，随着老化时间的继续增加，油中水分含量继续增加。矿物绝缘油与B级绝缘纸的组合老化试验结果中，油中水分的变化规律均是先随着老化时间的增加而增加，然后趋于稳定。植物油纸绝缘组合中，在老化初期，老化速率变化加快，产生大量微水并且扩散到绝缘油中，油中水分增大；随着老化时间的增加，老化速率变化减慢，油纸绝缘裂化程度也逐渐稳定，随着老化时间进一步增加，油中水分含量继续增加，由于长链脂肪酸甘油酯水解反应的加强消耗了水分，因此造成绝缘油中水分含量呈下降趋势。

图3 油中水分随老化时间的变化曲线

3.2 绝缘纸中水分含量

纤维素是绝缘纸的主要成分，具有极强的水分束缚能力，含有大量亲水基团的长链极性分子。绝缘纸含有油纸组合中的绝大部分水分。水分含量和绝缘纸的机械寿命成反比。绝缘油和纤维素降解产物的水分还促使纤维素水解，使绝缘纸劣化过程加速。可采用组合水分测试仪对油中含水量进行测定试验。

将干燥炉温度设定为140 ℃进行绝缘纸样微水蒸发，并通过惰性气体的作用使微水进入电解池。库伦滴定基于标准卡式反应：

通过单质碘与定量的微水进行反应，阳极产生碘的量通过测量电流和平衡时间获得，计算出绝缘纸中蒸发微水的含量。图4所示绝缘纸中水分含量随老化时间的变化曲线。

图4 绝缘纸水分随老化时间的变化曲线

试验结果表明，植物油纸绝缘与矿物油纸绝缘纸中水分含量均表现出先剧烈上升而后逐渐下降至波动稳定的特性。在不同油纸绝缘组合中，矿物油纸绝缘组合的纸中水分含量在老化过程中最高，植物油菜籽油纸绝缘组合的纸中水分含量最低。

3.3 油中酸值

绝缘油酸值是变压器运行中表征绝缘油老化状态的重要指标。植物绝缘油与矿物绝缘油的酸性物质种类及含量变化规律差异很大，矿物绝缘油酸值测试标准不能适用于植物绝缘油。图5所示为油中酸值随老化时间的变化曲线。

图5 油中酸值随老化时间的变化曲线

试验结果表明，植物绝缘油的酸值在整个老化周期内变化非常显著，酸值增幅较为明显，但与矿物油纸组合相比，其老化速率在相同试验条件下更低。这是由于植物绝缘油主要成分为长链脂肪酸甘油酯，在老化过程中会分解出长链脂肪酸，导致酸值大于矿物绝缘油，但长链脂肪酸对植物绝缘油性能影响较小。

3.4 绝缘油界面张力

界面张力的测量是一种用于检查绝缘油中是否存在老化产生的可溶性极性杂质的间接方法，通过DT-102(A)型全自动界面张力仪测量绝缘油试样的界面张力，测试结果如图6所示。

图6 绝缘油界面张力随老化时间的变化曲线

由图6可以看出，试验初期植物绝缘油的界面张力约为矿物绝缘油的一半，随着老化时间的增加，植物绝缘油与矿物绝缘油的界面张力均呈下降趋势，但下降趋势逐渐放缓。界面张力对绝缘油老化生成物的存在非常敏感，老化生成物将明显降低绝缘油的界面张力。

3.5 绝缘油介质损耗

绝缘油介质损耗试验结果如图7所示。

由图7可以看出，随着老化时间的增加，植物油纸与矿物油纸绝缘组合中油的介质损耗均呈现增大的规律，这是因为在老化过程中极性老化生成物增大了绝缘油的介质损耗。在相同条件下植物绝缘油的介质损耗高于矿物油的介质损耗。

图7 绝缘油介质损耗随老化时间的变化曲线

3.6 绝缘油击穿电压

绝缘油的击穿电压是最直接体现绝缘性能的重要参数，绝缘油击穿电压测量采用DL/429.9-91《绝缘油介电强度测定法》，试验结果如图8所示。

由图8可以看出，随着老化时间的增加，植物油纸和矿物油纸的绝缘油击穿电压均下降；在各种老化时间下，植物绝缘油的击穿电压比矿物绝缘油击穿电压高。

图8 绝缘油的击穿电压随老化时间的变化曲线

3.7 绝缘纸聚合度

绝缘纸的主要成分为纤维素，纤维素聚合度是评估绝缘纸老化状态的重要指标。随着变压器的运行，会出现绝缘纸纤维脱落、变脆等现象。通常将绝缘纸聚合度作为变压器内绝缘老化程度最直接的评判参数。新投运变压器的绝缘纸聚合度约为 1 100；当聚合度为500时，油纸绝缘性能下降一半；聚合度为250左右时，油纸绝缘完全破坏。图9所示为绝缘纸聚合度随老化时间的变化曲线。

图9 A级绝缘纸聚合度随老化时间的变化曲线

由于B级纸为DMD材料绝缘纸，不具有聚合度测试意义，故只进行A级纸的测试。由图9可以看出：随老化时间延长聚合度明显下降；在老化试验前期，植物油纸组合与矿物油纸组合的聚合度下降速率差异较小；随着老化试验时间加长，植物油纸组合聚合度下降速度逐渐变小，相同老化温度下，其与矿物油纸组合聚合度差距逐渐变大且更加明显，植物油纸系统在老化末期聚合度较高，植物油可以明显延缓绝缘纸的整体老化速度。