高压交流、直流电场下变压器油氧化安定性试验台架的建立

2013-09-15马书杰于会民张培恒

石油炼制与化工 2013年10期

张绮，马书杰，于会民，张培恒

（中国石油兰州润滑油研究开发中心中国石油润滑油重点实验室（克拉玛依），新疆克拉玛依834003）

在电网输送技术与工程中，电力变压器和换流变压器是交流和直流输电系统的核心设备，其运行状态直接影响系统的安全稳定。变压器的安全可靠性主要取决于其绝缘性能，换流变压器与电力变压器都是采用油纸绝缘结构，都要承受交流电压、雷电冲击电压和操作过电压的作用，且换流变压器阀侧绕组还承受直流、直流叠加交流和极性反转电压的作用［1］，因此作为电力变压器和换流变压器中主要绝缘材料的变压器油，除了要求具备较好的电气性能外，还应具备较好的交流或直流电场下的氧化安定性。

由于变压器油特有的性质和组成结构，在运行期间变压器油受到高压交流电场、直流电场、交直流叠加电场、高温、空气及铁芯、铜、银等金属的催化作用会发生氧化，氧化产生的酸物质腐蚀固体绝缘材料，继而生成油泥沉积于铁芯及线圈表面又造成固体绝缘层传热差、温升高，使固体绝缘材料老化裂解，严重威胁电力设备的长周期运行。因此，要求变压器油具有优良的氧化安定性。目前，变压器油氧化安定性评定方法很多（如NB/SH/T 0811，SH/T 0206，ASTM D2440，IEC61125方法等），采用相似的原理，即在规定的温度、试验周期下，在铜的催化作用下，通入氧气或空气进行氧化试验，通过测定氧化后油的酸值和沉淀或介质损耗因数的大小来判定变压器油的氧化安定性。另外还可采用快速评定方法，如差示扫描量热仪法（IEC62036）和旋转氧弹法（SH/T 0193、ASTM D2112）。以上这些方法的最大缺陷是试验条件与变压器的运行工况相差较大，没有考虑高压电场对氧化的影响，其评定的结果很难反应出变压器油在实际设备中的氧化进程。

美国Doble公司提出一种变压器油的无沉淀时间测试方法，在氧化过程中连续地周期测量和记录样品的介质损耗因数变化趋势，以介质损耗因数的增加值作为判定值。该方法的氧化原理与NB/SH/T 0811和IEC61125的原理相近，主要不同点是外接了一个功率因数测量仪，能够在线监测试验样品的介质损耗因数。日本三菱公司也采用类似的试验方法，在氧化过程中连续地周期测量介质损耗因数变化趋势。这两种方法与传统的氧化安定性评定方法一样，都不能反应出在电场作用下变压器油的氧化安定性能。

本课题在对国内外变压器油氧化台架试验装置调查研究的基础上，设计并建立一套变压器油带电运行台架，提供一种在高压交流或直流电场下评定变压器油氧化安定性的模拟试验方法；在实验室采用该装置对几种不加剂变压器油进行交流、直流电场下的台架氧化试验。

1 高压交流、直流电场下变压器油氧化安定性试验台架的建立

我国早期为了考察国产变压器油工业应用的可行性，首次设计制造了变压器油台架试验装置，该试验装置由控制柜和试验台两部分组成，其工作原理是：通过在变压器油中设置裸露的、有载荷的特殊性能参数的变压器，使变压器油与变压器充分接触，在模拟变压器油实际工作中存在的有氧、高温、电场、金属、绝缘材料的应用环境基础上，通过技术手段强化试验备件，使变压器油加速氧化反应而快速劣化，来模拟现场变压器设备的工作状态［2］。该设备为交流电场条件下评定变压器油氧化安定性的台架试验，在超高压变压器油研制过程中发挥了重要作用，但是，就目前发展状况而言存在以下不足：①只能在交流电场下评定变压器油的抗氧化性能，不能在直流电场下评定；②电场强度为固定值，不能调整，且电场强度较小；③通入的氧气无分配管，导致氧气在试验油样中分布不均匀，不能实现全部试验油样的均匀氧化；④将氧化后变压器油的酸值达到规定指标时所需时间作为“氧化寿命”，与变压器油作为绝缘用油的运行工况不符，不能直接体现变压器油绝缘性能的下降趋势和程度；⑤受当时技术水平限制，自控水平低，测量过程不能实现自动测量和数据自动采集。

针对目前变压器油氧化安定性评定台架方法的不足，以及我国高压交流变压器和换流变压器的发展状况，中国石油兰州润滑油研究开发中心新开发了一套在高压交流或直流电场下评定变压器油抗氧化性能的模拟试验台架装置，台架装置控制系统示意见图1，该装置主要包括计算机控制系统、控制柜和试验台。该装置的试验原理是：变压器油在高温和高压交流或直流电场下，与380V/220V降压变压器充分接触，同时通入一定量的空气，使变压器油加速氧化，并利用在线监测变压器油的介质损耗因数的技术，监测介质损耗因数达到规定值时所需要的时间，考察变压器油的氧化安定性能。

图1 台架装置控制系统示意

2 试验

2.1 变压器油带电运行台架试验条件

为了与实际运行工况更为接近，确定了变压器油带电运行台架的关键试验条件：①试验温度为90℃，与目前GB 2536—2011变压器油标准［3］和GB/T 7595—2008运行油质量标准［4］中介质损耗因数检测温度相同；②通空气量为100mL/min，通空气是为了与变压器实际运行环境更为接近；③运行油质量标准GB/T 7595中规定500kV以上电压等级的变压器油介质损耗因数达到0．02时就需要换油，因此，以氧化油的介质损耗因数达到0．02时所需的时间来表示其“使用寿命”；④在无局部放电的条件下，在中部出线超高压变压器的主绝缘结构中，长期最高工作电压时的许用场强一般要求小于4kV/mm，电压等级越高，此值越小。对端部出线的绝缘结构，此值要求小于2kV/mm［5］，因此，试验电压确定为20kV交流电压或20kV直流电压（即电场强度为2kV/mm），与设计的实际变压器许用场强相接近。

确定的变压器油带电运行台架试验条件与早期台架的试验条件对比见表1。

表1 变压器油带电运行台架与早期台架试验条件对比

2.2 试验方案

分别在交流电场、直流电场和不加电场的条件下，考察几种不加剂变压器油（A，B，C）的氧化安定性，具体试验方案见表2。

表2 变压器油带电运行台架试验方案

2.3 试验样品

几种不加剂变压器油试验样品的性质见表3。从表3可以看出：3种样品为同一黏度级别、芳烃含量不同的变压器油，其中A为深精制石蜡基油，芳烃含量为0；B、C均为环烷基变压器油，C的密度较大，芳烃含量最高。从旋转氧弹试验结果看，3种样品的氧化安定性从好到坏的顺序为A＞B＞C。但从NB/SH/T 0811氧化试验结果看，B的氧化安定性最好，其次是A和C。这两种氧化试验结果均显示芳烃含量高的C氧化安定性最差。

表3 试验样品性质分析

3 结果与讨论

3.1 不同样品在交流、直流电场下的试验结果

采用高压交流、直流电场下变压器油氧化安定性试验台架对变压器油A，B，C进行氧化安定性试验和重复试验，以考察其氧化安定性，其中重复性试验采用的试样用下角标1、2区分。20kV交流电压下变压器油介质损耗因数随氧化时间的变化曲线见图2；20kV直流电压下变压器油介质损耗因数随氧化时间的变化曲线见图3；氧化油酸值见表4。

从图2可以看出：在20kV的交流电压下，随氧化时间的增加，C的介质损耗因数增长最快，说明其氧化速率最快；A与B的介质损耗因数增加缓慢，在530h以前两种样品的氧化速率相近，而在接近试验终点时A的介质损耗因数增长较快，氧化速率变快，说明B的氧化安定性好于A。从图3可以看出，在20kV直流电压下，C的氧化速率也是最快，其次是A，而B的氧化速率最慢。以上直流和交流两组台架试验结果均反映试验样品的氧化安定性从好到坏的顺序是B＞A＞C，说明变压器油带电运行台架能够在不同电场类型下很好地区分变压器油氧化安定性的优劣，并且重复性较好。

从表4可以看出，无论是台架氧化试验还是NB/SH/T 0811氧化试验，均表现为A的酸值最大，C次之，B的酸值最小。这是因为A属于石蜡基油，直链烷烃含量高，在加速氧化的条件下更容易形成酸，因而其氧化后酸值很大。

图2 20kV交流电压变压器油的介质损耗因数随氧化时间的变化—A1； —A2； —B1； —B2；—C1； —C2； —终点值。图3同

图3 20kV直流电压变压器油的介质损耗因数随氧化时间的变化

通过以上试验可知：采用高压交流、直流电场下变压器油氧化安定性试验台架对不加剂变压器油（芳烃含量不同）进行氧化安定性评价，CA值为3．7%的B氧化安定性最好，其次是CA值为0的A，而芳烃含量最高的C氧化安定性最差。

表4 变压器油台架氧化试验酸值与NB/SH/T 0811氧化酸值对比

3.2 同一样品在不同电场下氧化安定性台架试验

选用样品C，考察变压器油在交流电场、直流电场以及不加任何电场情况下的氧化安定性，不同电场下的介质损耗因数和氧化酸值分别见图4和表5。从图4可以看出，变压器油C在20kV交流电压、20kV直流电压、不加电压的介质损耗因数曲线有明显区别，其中交流电场下的介质损耗因数随氧化时间的增加增长最快，即氧化速率最快；其次是直流电场，而不加电场下的氧化速率最慢。从表5可以看出，不同类型电场下氧化后酸值基本在同一水平。以上试验结果表明，芳烃含量较高的变压器油在不同类型的电场下的氧化安定性有所不同，在交流电场下的抗氧化性能要比在直流电场下差，而不加任何电场时的氧化安定性最好，高压电场对变压器油氧化具有较强的加速作用。