柴淑颖

0 引言

牵引变压器是一种特殊变压器，作为高铁和电气化铁路牵引供电系统的关键设备，其寿命和可靠性直接关系到运行成本及安全性。近年来，天然酯绝缘油由于其环保和安全的特性，日益为电力用户和变压器生产厂家所关注，特别是国产天然酯绝缘油具备供货能力以来，已有不少配电变压器更新改造项目采用该产品[1]。据统计，目前国内投运的天然酯绝缘油配电变压器已有3千多台。除了配电变压器，更高电压等级的电力变压器能否采用天然酯绝缘油正成为新的研究课题。随着天然酯绝缘油产品价格的下降和性能的不断改进提高，天然酯绝缘油或有更大的应用空间。本文就天然酯绝缘油在牵引变压器中使用时对变压器寿命的影响进行分析，以期为牵引变压器的绝缘系统选择提供参考。

1 牵引变压器的运行特点与寿命评估

与普通变压器相比，牵引变压器经常承受过负荷和短路冲击，其故障发生率和绝缘老化程度明显高于普通电力变压器，运行条件较恶劣。牵引变压器的使用寿命取决于变压器运行时长期经受电气、机械、热环境和其他条件以及其联合作用的考验，变压器固体绝缘纤维素大分子的老化过程即纤维素的降解过程是多种外界因素、多种降解过程综合作用的结果，绝缘的老化是温度、含水量、含氧量和含酸量的时间函数，迄今为止还没有简单且唯一的寿命终止准则用于定量变压器的剩余寿命。Montsinger首次利用拉伸强度（Tensile Strength，简称TS）来确定不同温度下绝缘纸的老化速率，并建议将TS值下降至初始值的一半时作为绝缘纸绝缘寿命的终点。20世纪80年代，国外学者提出了用粘度法测量绝缘纸聚合度（Degree of Polymerization，简称DP）作为变压器内绝缘老化程度的判别依据，普遍认为新绝缘纸的聚合度为1 000左右，当DP值下降到500时，变压器整体寿命已进入中期；当DP值下降到200时，已到寿命晚期。除了根据变压器固体绝缘纸板在水、高温和化学反应等条件下产生的糠醛、CO、CO2等含量预测变压器寿命外，比较可行的方法是依据油纸绝缘系统的聚合度、抗张强度等参数的变化预测变压器的寿命，根据相关参数对牵引变压器的寿命作出大致估算。

GB/T 1094.7—2008《电力变压器 第7部分：油浸式电力变压器负荷导则》列出了在110 ℃参考温度下充分干燥、无氧气的热改性绝缘系统正常绝缘寿命，见表1[2]。

表1 在110 ℃参考温度下充分干燥、无氧气的热改性绝缘系统正常绝缘寿命

以热点温度为基准，采用非热改性纸绝缘材料时热点温度值为98 ℃时的相对老化率为1，相对热老化率V定义为

式中：θh为热点温度，℃。

在一定时期内的寿命损失L为

式中：Vn为第n个时间间隔内的相对热老化率；tn为第n个时间间隔的时长；n为所考虑期间内时间间隔的序数；N为所考虑期间内时间间隔的总数。

TB/T 3159—2007《电气化铁路牵引变压器技术条件》规定牵引变压器的正常使用寿命不少于30年，客运专线牵引变压器的典型负荷曲线如图1[3]所示，且规定环境温度为30 ℃时线圈最热点温度不超过140 ℃，顶层油温不超过105 ℃。

按照GB/T 1094.7—2008的计算方法，设变压器的负载损耗与空载损耗之比为5，变压器的顶油温升和绕组温升按牵引变压器的特殊工况设计，按照图1所示负荷曲线计算得到变压器在负载系数为0.8、2、3倍时的最热点温度分别为70 ℃、131.5 ℃、140 ℃。则该变压器的日寿命损失为

图1 牵引变压器典型负荷曲线

式（3）表明虽然变压器设计满足变压器最热点温度不超过140 ℃的要求，但远达不到变压器的理论寿命，而且1小时2倍过负荷后绕组热点温度计算值约为135 ℃，这不仅会降低变压器的计算寿命，而且采用非热改性纸也会降低变压器绝缘材料的可靠性。如果既要满足变压器最热点温度不超过140 ℃的要求，又要满足变压器的理论寿命，变压器的设计温升仍需降低，必然加大变压器铜材和变压器油的用量。如果既要满足经济性，又要满足正常寿命要求，选择耐热性更好的材料或许是一个可行的选择。

2 天然酯绝缘油与矿物油的热性能差异

天然酯绝缘油由大豆、菜籽、山茶籽和橄榄等油料种子提炼而成，其主要成分为脂肪酸甘油三酸酯，该特殊成分决定了天然酯绝缘油的特殊性能。表2[4]为典型天然酯绝缘油和矿物油的性能对比。

表2 天然酯绝缘油与矿物油热性能对比

由表2可以看出，天然酯绝缘油的闪点和燃点比矿物油高很多，因此天然酯绝缘油变压器过负荷运行条件下绝缘液体的耐受温度可以提高一个水平，只要绝缘纸的耐热温度高，变压器完全可以承受更高的负荷，换言之，如果保持原有的负荷水平，则变压器的标称容量可以降低一个等级。

3 天然酯绝缘油-纤维素绝缘基纸系统与矿物油-纤维素绝缘基纸系统比较

3.1 抗张强度

传统油浸式变压器主要采用的油纸绝缘系统为矿物绝缘油与纤维素基纸相结合，当采用天然酯绝缘油，纤维素基纸抗张强度参数与之前的绝缘系统存在很大区别。图2[5]所示为IEEE C57.154纤维素基纸在矿物油中和天然酯绝缘油中的抗张强度加速老化试验结果比较，其中纵坐标为材料的抗张强度TS（%），横坐标为150 ℃时的老化时间（单位：h，下同）。

图2 150 ℃时纤维素基纸在矿物油中和天然酯绝缘油中的抗张强度加速老化试验结果比较

由图2可以看出，如按照前述的抗张强度达到50%作为绝缘纸绝缘寿命的终点，置于天然酯绝缘油150 ℃试验条件下，纤维绝缘纸达到其50%抗张强度所需时间约为2 000 h。纤维绝缘纸在150 ℃矿物油中的单位寿命为0.005，若按照纤维绝缘纸在矿物油中正常绝缘寿命65 000 h计算，其在150 ℃时的老化时间为65 000×0.005 = 325 h。因此，同等条件下天然酯绝缘油-纤维素绝缘基纸系统与矿物油-纤维素绝缘基纸系统寿命比为2 000 / 325 = 6.15。

3.2 聚合度

图3[5]所示为IEEE C57.154纤维素基纸在矿物油中和天然酯绝缘油中的聚合度加速老化试验结果比较，其中纵坐标为材料的聚合度DP，横坐标为150 ℃时的老化时间。

图3 150 ℃时纤维素基纸在矿物油中和天然酯绝缘油中的聚合度加速老化试验结果比较

由图3可知，150 ℃时纤维素基纸在天然酯绝缘油中4 000 h老化试验后其聚合度约为250，而在矿物油中500 h其聚合度约为210，说明纤维素基纸与天然酯绝缘油相容性较好。

3.3 绝缘寿命

由于纤维素基纸在天然酯与在矿物油中抗张强度和聚合度有显著区别，天然酯绝缘油纸系统与矿物油绝缘油纸系统的寿命计算方法也不同，按照IEEE C57.154的说明，矿物绝缘油-纤维素基纸绝缘系统的单位寿命为

天然酯绝缘油-纤维素基纸绝缘系统的单位寿命为

二者的寿命曲线见图4。仍以第1节的牵引变压器负荷曲线（图1）和变压器温升计算值为例，对于矿物绝缘油-纤维素基纸系统，相对老化率为

图4 纤维素基纸绝缘系统寿命曲线

变压器的日寿命损失计算值为

对于天然酯绝缘油-纤维素基纸系统，相对老化率为

变压器的日寿命损失计算值为

显然，当采用天然酯绝缘油，负荷曲线下变压器的限值温度和理论寿命同时满足。

3.4 容水性

变压器中的水分主要聚集在绝缘纸（板）和变压器油中，会使绝缘电阻降低、介质损耗因数增加，局放起始电压和击穿强度也随绝缘系统含水量增加而急剧下降。此外，水分还直接参与油、纸纤维素等高分子材料的化学降解反应，促使这些材料降解老化，从而再加速绝缘系统介电强度的降低和各项性能的劣化。天然酯绝缘油与矿物绝缘油分子结构差异大，矿物绝缘油中含有一定量的不饱和烃、烷烃、芳香烃等烃类物质，属于憎水基团。天然酯绝缘油的主要成分是甘油三酸酯，含有羟基和羰基等亲水基团，在相同温度下天然酯绝缘油的相对饱和含水量远远大于矿物绝缘油，如表3所示。

表3 不同温度下绝缘油饱和溶解度 mg/kg

由于天然酯绝缘油吸收固体绝缘材料中水分的能力强于矿物绝缘油，使得绝缘纸板中的含水量保持在较低水平，这也是其能延长绝缘材料使用寿命的原因之一。

4 结论

（1）天然酯绝缘油作为一种新型绝缘材料，由于其环保和高燃点特性，已有不少配电变压器更新改造采用该产品，更高电压等级的电力变压器是否适宜采用该产品引起各方关注。

（2）由于牵引变压器经常承受过负荷和短路冲击，其绝缘老化程度明显高于普通电力变压器，选择纤维素基纸-矿物油绝缘系统在最大程度满足牵引变压器特殊负荷限值温度条件下常常不满足产品的理论寿命要求。

（3）由于天然酯绝缘油吸收固体绝缘材料中水分的能力强于矿物绝缘油，纤维素基纸-天然酯油绝缘系统与纤维素基纸-矿物油绝缘系统相比，同等条件下其抗张强度和聚合度等老化参数指标明显较优，可以在最大程度满足牵引变压器特殊负荷限值温度的条件下符合理论寿命要求。

（4）由于目前天然酯绝缘油与矿物油的价格和性能差别较大，选择用于变压器的液体绝缘材料需综合考虑技术和经济两方面的因素。