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(jìn)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(gòu)脫蠟工藝，包括加氫裂化、異構(gòu)脫蠟和加氫后精制。文獻(xiàn)[2]研究了中石化上海某公司生產(chǎn)的加氫基礎(chǔ)油， 從理化性能和電性能方面對加氫基礎(chǔ)油和環(huán)烷基油進(jìn)行了比較，認(rèn)為加氫基礎(chǔ)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(xiàn)[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(jié)果， 認(rèn)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(nèi)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(shè)備的絕緣介質(zhì)， 應(yīng)當(dāng)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(zhì)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(yīng)力情況的非常重要的一項指標(biāo);介質(zhì)損耗因數(shù)tanδ 與電阻率，對油中存在的可溶性極性雜質(zhì)、老化產(chǎn)物以及帶電膠體等的反應(yīng)非常敏感。在較高溫度下介質(zhì)損耗因數(shù)與電阻率通常具有較好的相關(guān)性， 介質(zhì)損耗因數(shù)增大，電阻率降低。油品的介質(zhì)損耗因數(shù)與電阻率直接影響電氣設(shè)備的絕緣性能[4]。

本文中筆者采用國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T7595-2008 指定的實驗方法， 在同一測試平臺上測定國內(nèi)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(biāo)，并與GB/T7595-2008 要求的運(yùn)行中變壓器油質(zhì)量指標(biāo)中的電氣性能指標(biāo)進(jìn)行比較， 運(yùn)用實驗結(jié)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(yùn)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(biāo)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(zhì)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(qiáng)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(dǎo)則》[8]。

3 結(jié)果與討論

3.1 五種變壓器油樣介質(zhì)損耗因數(shù)的比較

介質(zhì)損耗因數(shù)表示在電場作用下， 電解質(zhì)極化和電導(dǎo)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(zhuǎn)位，但雜質(zhì)成分，如膠質(zhì)和酸類則為極性物，在電場作用下，隨電力線方向變化而轉(zhuǎn)位， 這種轉(zhuǎn)位消耗了部分電能而轉(zhuǎn)變?yōu)闊幔@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(zhì)。五種變壓器油樣品介質(zhì)損耗因數(shù)的測定結(jié)果列于表2。

介質(zhì)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(zhì)含量甚少，其介質(zhì)損耗因數(shù)也很小，但當(dāng)油劣化或混入其他雜質(zhì)時，隨著油中極性雜質(zhì)或膠體物質(zhì)含量的增加， 介質(zhì)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(zhì)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(zhì)最少。而日本進(jìn)口油的介質(zhì)損耗因數(shù)最大，達(dá)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(zhì)和極性氧化物比較多， 但不排除是化學(xué)組成不同所導(dǎo)致的。

瑞典進(jìn)口的兩種環(huán)烷基油， 樣品3 是最高等級的，樣品2 是標(biāo)準(zhǔn)等級的。標(biāo)準(zhǔn)級樣品2 的介質(zhì)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(zhì)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(zhì)損耗因數(shù)比其他進(jìn)口的環(huán)烷基油的都低， 最接近進(jìn)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(zhì)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(jié)論。

顯然， 各種油品的介質(zhì)損耗因數(shù)差異是由其化學(xué)組成和雜質(zhì)含量所決定的， 其中的構(gòu)效關(guān)系本研究組正在進(jìn)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(xué)性能指標(biāo)，它反映了油品的介電性能。如果該項指標(biāo)不合格，會引起油系統(tǒng)調(diào)速部件的電化學(xué)腐蝕，尤其在伺服閥內(nèi)，電阻率越低，電化學(xué)腐蝕越嚴(yán)重。變壓器油的體積電阻率同介質(zhì)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(zhì)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(jié)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(zhì)和酸性產(chǎn)物非常少(尚需進(jìn)一步實驗證實)。而日本進(jìn)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(zhì)可能比較多，但也有可能是加氫油與環(huán)烷基油化學(xué)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(biāo)準(zhǔn)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(zhì)損耗因數(shù)比其他進(jìn)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(zhì)損耗因數(shù)之間沒有相關(guān)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(jié)論。該結(jié)論與介質(zhì)損耗因數(shù)的比較結(jié)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(zhì)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(zhì)為電介質(zhì)和真空時的電容的比值， 表示電介質(zhì)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(jié)果列于表4。

在表4 的測定結(jié)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(jìn)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(nèi)，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(jié)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(yīng)力情況的重要指標(biāo)， 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(shè)備前油品干燥和過濾程度的檢驗。運(yùn)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(jié)果列于表5。

表5 的測定結(jié)果顯示， 國產(chǎn)加氫變壓器油的擊穿電壓指標(biāo)達(dá)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(biāo)準(zhǔn)等級的好。國產(chǎn)環(huán)烷基油的擊穿電壓也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于日本進(jìn)口油和瑞典油的擊穿電壓。

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

3.5 五種變壓器油樣帶電傾向的比較

在強(qiáng)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(jié)構(gòu)(包括泵、散熱器、油箱等)、運(yùn)行狀況、油中雜質(zhì)、光照、油紙之間水分的遷移等因數(shù)有關(guān)。由于油流帶電引起變壓器內(nèi)部放電， 是威脅大型變壓器安全運(yùn)行的重要因數(shù)之一。油流帶電使變壓器內(nèi)各絕緣部件上積聚了一定的電荷， 這些電荷將建立一定強(qiáng)度的直流電場， 當(dāng)該電場強(qiáng)度超過油的擊穿強(qiáng)度或固體絕緣沿面放電強(qiáng)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(jìn)一步促使油質(zhì)劣化， 又使放電加強(qiáng)， 并在絕緣表面形成碳跡，使其絕緣性能大大降低，最終導(dǎo)致絕緣事故[9]。

五種變壓器油樣品帶電傾向的測定結(jié)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(jìn)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(jìn)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(biāo)并不與介質(zhì)損耗因數(shù)成正比關(guān)系。

3.6 五種變壓器油樣電氣性能測試數(shù)據(jù)與國家標(biāo)準(zhǔn)的比較

2007 年頒布執(zhí)行的中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T7595-2008《運(yùn)行中變壓器油質(zhì)量指標(biāo)》[10]中的電氣性能指標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)的比較結(jié)果分別見圖1～圖3(圖中序號6 為國家標(biāo)準(zhǔn))。

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

國家標(biāo)準(zhǔn)對于設(shè)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(shè)備;樣品5 擊穿電壓為52.1kV， 可以用于330kV 等級電力設(shè)備;樣品4 為40.9kV，可以用于66kV～220kV 等級電力設(shè)備;樣品2 為36.8kV，可以用于35kV 及其以下等級的電力設(shè)備。樣品3 連最低標(biāo)準(zhǔn)都達(dá)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(biāo)要求的的任何等級的電力設(shè)備。國家標(biāo)準(zhǔn)對油流帶電傾向和析氣性指標(biāo)沒有做出規(guī)定，不好比較。

4 結(jié)論

(1)除了樣品3 高級環(huán)烷基油的擊穿電壓指標(biāo)不達(dá)標(biāo)外， 其余四種變壓器油樣品的電氣性能測試數(shù)據(jù)都達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的指標(biāo)， 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(biāo)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(zhì)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(yùn)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(jìn)口或國產(chǎn)環(huán)烷基油好、運(yùn)行安全性更高的結(jié)論。

(4)介質(zhì)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(biāo)之間不存在正比例的關(guān)系。各指標(biāo)是相互獨(dú)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(xué)組成和雜質(zhì)含量所決定的，其中的構(gòu)效關(guān)系有待進(jìn)一步研究。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王紅梅. 電力用油(氣)[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

[2] 盛祖紅. 加氫變壓器油[J]. 合成潤滑材料，2008，35(2)：8-11.

[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.

[4] 連玉英. 變壓器油的性能與檢驗綜述[J]. 廣州電力，1997,(4):40-43.

[5] GB5654-2007-T，液體絕緣材料相對電容率、介質(zhì)損耗因數(shù)和直流電阻率的測量[S].

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

[7] DL421-91，絕緣油體積電阻率測定法[S].

[8] DL/T1095-2008，變壓器油帶電現(xiàn)場測試導(dǎo)則[S].

[9] 陳國元. 強(qiáng)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(shù)，1992,(8)：30-35.

[10] GB/T7595-2008，運(yùn)行油中變壓器油質(zhì)量[S].