新型抗老化混合油-纸板绝缘热老化特性

廖瑞金　郭　沛,2　周年荣　夏桓桓　林元棣　柳海滨

新型抗老化混合油-纸板绝缘热老化特性

廖瑞金1郭沛1,2周年荣3夏桓桓3林元棣1柳海滨1

（1. 输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室（重庆大学） 重庆 400044 2. 国网宁波供电公司 宁波 315016 3. 云南电力实验研究院（集团）有限公司电力研究院 昆明 650217）

为了促进混合绝缘油向变压器中推广应用，研究了可大规模批量化生产的新型抗老化混合绝缘油制备方法，并将该绝缘油与矿物油分别与绝缘纸板组成油纸绝缘进行130℃加速热老化实验，对比分析了其老化产物及介电、击穿特性。结果表明：新型混合绝缘油性能基本满足国标GB 2536—2011要求，并能延缓油纸绝缘的老化；不同老化时间新型混合绝缘油及其浸绝缘纸板的击穿电压大部分高于相应的矿物油及其浸绝缘纸板，老化初期两种绝缘纸板击穿电压随温度的升高逐渐降低，老化后期两种绝缘纸板击穿电压随着温度的升高先降低再升高；不同老化时间新型混合绝缘油及其浸绝缘纸板的介电常数和两者介电常数比高于相应的矿物油及其浸绝缘纸板，说明新型混合绝缘油提高了绝缘油和绝缘纸板电场分布均匀性，有利于变压器制造的小型化。

新型混合绝缘油 绝缘纸板 热老化 介电特性 击穿电压

0　引言

目前，电力系统中大部分电力变压器都是用绝缘油来填充，绝缘油起到绝缘和散热的作用[1]。变压器油和绝缘纸一起成为变压器内绝缘的主要组成部分，二者在长期运行过程中受到电、热等因素影响逐渐老化，引起变压器绝缘性能和机械性能的下降[2]。绝缘油的劣化会导致绝缘油吸湿性增加，含水量加大，绝缘性能下降，冷却、散热和灭弧性能大大降低。老化后产生的油泥会堵塞油道，影响散热，同时也会加速变压器内部零件及绝缘元器件老化，从而缩短油和设备的寿命，严重时还会造成重大的设备事故[3]。因而，选用抗老化性能更好的绝缘油，从而有效提高油纸绝缘的绝缘性能以及延缓其老化，对变压器长期安全稳定运行有着决定性影响。

电力变压器中应用最广泛的绝缘油为矿物油，但矿物油属于一次能源，其闪点和燃点低、水饱和度很低、生物降解性差。天然酯具有高闪点、高生物降解率以及良好的电气性能等优点，但存在凝点高、氧化安定性差、粘度和酸值大等问题[3]。兼顾矿物油和天然酯优缺点，将矿物油与天然酯的优势互补，通过将两种绝缘油按照一定工序混合起来组成混合绝缘油近年来受到了国内外越来越多学者的关注。

文献[1,3-5]对比分析了矿物油和酯按不同比例混合后的混合油的理化电气性能，发现混合油中酯最佳添加比例为20%。但目前国内外对混合绝缘油都是在实验室内进行少量研制，且国外所研制的混合油中的液体酯[4,5]并未进行脱酸精炼处理，介质损耗和酸值偏高；国内所研制的混合油中天然酯采用是高成本的橄榄油，且未对其进行脱色处理[1,3]。因此，如果研制出成本较低可批量化大规模生产且满足国标GB 2536—2011《电工流体 变压器和开关用的未使用过的矿物绝缘油》要求的新型抗老化混合绝缘油，将对其推广应用具有深远意义。文献[6,7]研究了混合油纸绝缘在热老化过程中绝缘油和绝缘纸理化电气参数特性，但不同老化时间混合油的击穿电压和介电特性、不同老化时间混合油浸绝缘纸板在不同温度下的击穿电压和介电特性以及两者之间相互关系的研究罕见报道。此外，目前国内外在混合油纸绝缘热老化实验中大多使用厚度在0.3mm及以下的用于缠绕绕组的绝缘纸，而实际变压器油纸绝缘系统中1mm及以上厚的绝缘纸板占了较大比例。因此，抗老化混合油-纸板绝缘系统的热老化特性将更具有重要的研究意义。

为了促进混合绝缘油在变压器中安全应用，本文首先利用精炼菜籽油和矿物油，研究了成本较低，可大规模批量化生产的新型抗老化混合绝缘油制备方法，然后将新型混合绝缘油和矿物油分别与普通绝缘纸板组成油纸绝缘进行130℃加速热老化实验，最后对比分析了两种油纸绝缘的老化产物及介电、击穿特性。

1　试验流程

1.1试验材料及样品的制备

试验材料：重庆市涪陵变压器厂提供的1mm绝缘纸板，通过碱炼脱酸、吸附脱色和减压蒸馏3个步骤精炼得到的菜籽绝缘油[8]、新疆克拉玛依产的矿物绝缘油（25#变压器油）和重庆川润石化集团提供的99.7%纯度的无水乙醇（萃取剂）。

1.1.1 新型抗老化混合绝缘油的制备

综合考虑国标GB 2536—2011对绝缘油粘度、酸值的要求以及萃取降酸[3]的成本，新型抗老化混合绝缘油大规模批量化制备流程如下：首先利用无水乙醇先对精炼后的菜籽绝缘油进行萃取降酸：菜籽绝缘油和无水乙醇体积比为1∶3，萃取次数为2次，萃取温度25℃，搅拌速度为700r/min，并且2次的搅拌时间和静置时间分别为60min、40min，60min、40min。为了脱出无水乙醇和水分，将菜籽绝缘油放入密闭的烘干箱中在90℃/50Pa的条件下真空干燥12h；然后将菜籽绝缘油和矿物油按照1∶4体积比机械搅拌混合1h，并添加一定比例的抗氧化剂；最后放入密闭的烘干箱中在100℃/50Pa条件下真空干燥12h；制备的新型抗老化混合绝缘油性能参数见表1（酸值、闪点、击穿电压和水分由重庆市电力科学研究院提供）。可以看出抗老化混合油除介损、粘度稍高外其他理化电气参数都满足国标GB 2536—2011要求，并且闪点、击穿电压和起始氧化温度都优于矿物油。

表1　新型抗老化混合绝缘油理化性能和主要电气参数Tab.1 Physical and chemical properties and Primary electrical properties of new anti-aging mixed insulation oil

1.1.2 加速热老化试验

（1）将1mm厚的绝缘纸板加工成直径为45mm和80mm两种圆片并放入真空箱中，在温度为90℃、真空度为50Pa的状态下干燥48h。

（2）在真空的状态下，将经真空脱气脱水后的新型混合绝缘油（或矿物油）加热到40℃，然后注入到真空箱中，在50Pa真空度下以40℃浸渍绝缘纸板48h。

（3）将浸渍新型混合绝缘油（或矿物绝缘油）绝缘纸板样品分别放入5个2.5L钢罐中，每个钢罐中放入20个直径80mm样品和5个直径为45mm的样品，然后按照油和纸20:1的质量比注入新型混合绝缘油（或矿物绝缘油）。为使老化试验接近变压器实际情况，在每个钢罐中放入面积为45 mm2的铜片（厚度为1mm）。

（4）将聚四氟乙烯的密封圈填充在与顶部盖子相接触的罐体环形槽内，装配时用螺杆和螺母固定。将密封好的钢罐放入真空箱中，打开钢罐阀门抽真空再充入氮气至1标准大气压，如此抽真空充氮气反复3次。

（5）关闭钢罐阀门并将钢罐放入130℃老化箱中开展加速热老化试验，在老化0d、10d、25d、50d和80d取出钢罐测量绝缘纸板和绝缘油样品的理化和电气参量。

1.2聚合度、水分含量和酸值的测量

绝缘纸板聚合度（Degree of Polymerization，DP）根据GB/T 1548—2004《纸浆粘度的测定》和ASTM D4243—1999(2009)《测量新的和老化的电绝缘纸和纸板聚合作用的平均粘滞程度的试验方法》进行测定。

采用DL32卡尔菲休库仑滴定仪测量绝缘油样品中的水分含量，采用DL32卡尔菲休库仑滴定仪和梅特勒-托利多DO308干燥炉测量绝缘纸板中水分含量。

矿物油的酸值采用GB 7599—1987《运行中变压器油、汽轮机油酸值测定法（BTB法）》进行测量，新型混合绝缘油酸值依据GB/T 5530—2005《动植物油脂酸值和酸度测定》进行测量。

1.3介电谱的测量

采用Concept80宽频介电谱仪测量绝缘油和绝缘纸板样品相对介电常数的温度介电谱和介质损耗的频域介电谱。温度介电谱测量频率为50Hz，测量温度为30～90℃（接近变压器正常运行温度范围）。频域介电谱测量温度为30℃，频率范围为10-2～107Hz。

1.4击穿电压的测量

变压器油的工频击穿电压依据GB/T 507—1986《绝缘油介电强度测定法》，使用IJJD—80绝缘油介电强度自动测试仪，其电极为平板圆形电极，直径25mm，厚度6mm，间距为2.5mm。每个油样进行6次击穿电压试验，以5次的算术平均值作为该油样的击穿电压。

绝缘纸板工频击穿场强按照GB/T 1408—2006进行，采用25#矿物油作为周围媒质，测量铜电极直径为40mm，试验变压器容量为50kV·A/50kV，升压速度为500V/s。纸板样品厚度为1mm，每次测量5个样品，最后求取平均值。在测量不同温度下绝缘纸板的击穿电压时，先将装好测量电极和媒质的油杯以及装油纸绝缘的钢罐放入恒温箱中，在设定的测量温度（30℃、50℃、70℃和90℃）下加热1h，使得油杯和钢罐达到设定的温度值，然后从钢罐中取出绝缘纸板样品放入油杯中测量其击穿电压。

图1　不同老化时间绝缘油颜色Fig.1　Color of insulation oil at different aging time

2　试验结果与分析

2.1绝缘油颜色

GB 2536—2011规定油的目测外观颜色要透明、无悬浮物和机械杂质。油颜色越深表明油老化越严重，老化过程中油颜色变化速度的快慢也反映了油老化速度的快慢。从图1可以看出在老化初期，混合油的颜色要比矿物油的颜色略深一些，这主要是由于精炼后菜籽绝缘油仍还有少量色素。在老化末期，矿物油的颜色要深于混合绝缘油，说明新型混合绝缘油的抗老化特性确实优于矿物油。

2.2绝缘纸板聚合度

聚合度是最能表征绝缘纸老化程度的指标，是非常准确、可靠、有效的判据：若以新纸聚合度1 000为基准，当聚合度下降到500时，变压器整体绝缘寿命已进入中期；当聚合度下降到250时，变压器整体绝缘寿命已达到晚期[9]。聚合度随时间的变化情况通常采用式（1）所示的动力学模型[10]来描述。

式中，t为老化时间；dDP0、dDPt分别为绝缘纸板初始和老化t时聚合度；k为绝缘纸板热老化的平均降解速度。

图2为不同老化时间下两种绝缘油浸纸板的聚合度，将老化过程中两种绝缘油浸纸板的聚合度与老化时间按式（1）进行拟合，结果见表2。可以看出，两种绝缘油浸纸板聚合度具有相同的下降规律，并且混合油浸绝缘纸板聚合度平均下降速率为矿物油浸绝缘纸板聚合度平均下降速率73.8%。同时在相同老化时间下，混合油浸绝缘纸板的聚合度相对较高，因此混合油对绝缘纸的老化起到了较好的抑制作用。

图2　热老化过程中绝缘纸板聚合度Fig.2 DP of insulation pressboards during the thermal aging process

表2　热老化过程中绝缘纸板聚合度平均降解速度Tab.2　Degradation velocity constants of DP of insulation pressboards during the thermal aging process

2.3绝缘油中水分含量

从图3可以看出随着老化时间的增加，混合油和矿物油中水分含量都是波动的，即都有一个先略微增加然后降低一段时间后再逐渐增加的趋势，且在整个老化时间范围内，混合油水分都高于矿物油。这是因为水分在油-纸绝缘系统中的平衡是一个动态平衡过程[11]，混合油中含有20%的天然酯，天然酯的水饱和度远大于矿物油，在热老化过程中绝缘纸板产生的水分会迅速被混合油吸收，而矿物油只能缓慢地溶解吸收较少的水分，故混合油中水分含量高于矿物油。

图3　热老化过程中绝缘油中水分含量Fig.3　Water content of insulation oil during the thermal aging process

2.4绝缘纸板中水分含量

从图4可以看出混合油浸纸板和矿物油浸纸板初始水分几乎相同，都在0.5%以下。在老化过程中两种绝缘纸板中的水分含量是波动变化的，但都具有相同的变化趋势。在整个老化时间范围内，混合油浸绝缘纸板的水分含量略高于矿物油浸绝缘纸板。

图4　热老化过程中绝缘纸板中水分含量Fig.4　Water content of insulation pressboards during the thermal aging process

2.5绝缘油中酸值

从图5可知，混合油初始酸值略高于矿物油，随着老化时间的增加，混合油和矿物油的酸值都呈递增趋势，且混合油酸值的增加速度明显大于矿物油。这是因为混合油中的酯可以吸收老化生成的水分发生水解反应，生成大分子酸所导致[3]。此外，在老化50d时出现快速变化的拐点，拐点之前两种油中酸值的增加速度较低，拐点之后两种油中酸值迅速增大。根据图4老化末期混合油浸纸板中水分迅速降低及图3中老化末期混合油中水分突然增大可知，老化末期混合绝缘油更容易吸收混合油浸绝缘纸板中的水分，加速自身的水解反应生成更多大分子酸，从而导致混合油中酸值在老化末期迅速上升。而矿物油酸值突然增大可能是因为老化后期矿物油中的抗氧化剂消耗殆尽从而导致矿物油老化加快生成更多的酸类产物，这和图1中老化末期矿物油的颜色严重变深相一致。

图5　热老化过程中绝缘油中酸值Fig.5　Acid of insulation oil during the thermal aging process

2.6绝缘油和绝缘纸板介电谱

根据图2中老化时间和聚合度的关系，本文选择老化0d、25d和50d分别代表未老化、老化中期和老化后期对试验结果进行讨论分析。

2.6.1 绝缘油介电谱

从图6可以看出在整个测量温度范围内，混合绝缘油的相对介电常数都是高于矿物油，同时随着老化时间的增加，两种绝缘油的相对介电常数在四种测量温度下都是变大的。矿物油主要成分是由烷烃、环烷烃和芳香烃组成的碳氢化合物，属于弱极性电介质，而混合油里面包含20%体积比的由甘油三酯组成的天然酯，该天然酯不仅含有碳、氢两种原子，还含有氧原子，属于强极性电介质，并且混合绝缘油的密度略高于矿物油，即单位体积中的极化粒子数要比矿物油多，所以相对介电常数比矿物油大[3]。随着老化时间的增大，混合油和矿物油中的老化产物（比如水分、酸等）增多，等效于偶极子数目增多，所以两种绝缘油的相对介电常数变大。从图6还可看出随着测量温度的升高，未老化的两种绝缘油的相对介电常数都是下降的，而老化后的两种绝缘油的相对介电常数在高温时反而升高。对于未老化的两种绝缘油，随着温度升高，体积膨胀，密度减小，单位体积中分子数减小，故工频相对介电常数减小。在测量温度范围内，随着温度的升高，松弛时间τ 减小，偶极子极化逐渐跟上电场变化，极化强度增大[12]。老化末期两种绝缘油中老化产物较多，即偶极子数目较多，当温度比较高（高于70℃），偶极子极化强度的增大量大于由于温度升高体积变大而导致的极化强度减小量时，相对介电常数就反而升高了。

图6　绝缘油相对介电常数温度介电谱（50Hz）Fig.6　Temperature domain spectroscopy of relative permittivity of insulation oil at 50Hz

从图7还可以看出，随着老化时间的增大，在低频部分两种绝缘油介质损耗都逐渐上升，同时在老化初期混合绝缘油介质损耗曲线要高于矿物油，然而在老化后期混合绝缘油的介质损耗曲线要低于矿物油。这是因为在油纸绝缘老化过程中，油中老化产物如水分、酸和糠醛等强极性物质的增多，导致油的电导率和偶极松弛损耗增大，从而介质损耗逐渐上升[13]。从图3和图5可以看出，在老化初期混合绝缘油的水分和酸值要大于矿物油，并且混合绝缘油中含有20%的天然酯。一方面天然酯电导率要高于矿物油[8]；另一方面，天然酯属于极性电介质，而矿物油为弱极性电介质，故老化初期混合绝缘油介质损耗要略大于矿物油。但在老化后期，绝缘油因抗氧化剂消耗殆尽加速了其老化过程，氧化生成了具有强电导率和强极性产物，比如油泥等，颜色会变深，介质损耗迅速上升。图1表明老化后期混合绝缘油的颜色要浅于矿物油，使得混合绝缘油介质损耗在老化后期低于矿物油，这也说明了新型混合绝缘油抗老化性能优于矿物油。

图7　绝缘油介质损耗频域介电谱(30℃)Fig.7　Frequency domain spectroscopy of dissipation factor of insulation oil at 30℃

2.6.2 绝缘纸板介电谱

从图8可以看出在整个测量温度范围内，混合油浸纸板相对介电常数都高于矿物油浸纸板。在较低的温度下，随着温度升高，两种油浸绝缘纸板介电常数逐渐增大，当温度较高（高于70℃）时，随着温度的升高，未老化两种绝缘纸板介电常数逐渐升高，老化25天两种绝缘纸板介电常数几乎不变，老化50天两种绝缘纸板介电常数反而下降。这是因为绝缘纸板是由含有OH极性基团的纤维素组成的，属于极性电介质，混合油纸绝缘和矿物油纸绝缘（纤维素含量较大，浸油率约20%）极化形式主要以偶极式极化和夹层极化为主。由于混合油相对介电常数大于矿物油，并且绝缘纸板更容易浸渍混合油，所以混合油浸绝缘纸板相对介电常数大于矿物油浸绝缘纸板。在温度较低时，随着温度的升高，松弛时间τ 减小，松弛极化逐渐跟上电场变化，从而增大了极化强度，所以绝缘纸板相对介电常数逐渐增大[12]。但在温度较高时，纤维素中的水分和小分子酸等向油（填充纤维素间隙）中扩散能力加强[14]，使得纤维素中水分和小分子酸减少。根据图4和图5，老化0d油浸绝缘纸板水分和绝缘油酸值很低，随温度升高纤维素中水分和小分子酸降低较少，对绝缘纸板的介电常数影响微弱，故未老化的两种绝缘纸板介电常数逐渐增大，但增大速度略有降低。然而，老化25d和老化50d绝缘纸板水分以及绝缘油中酸值较大，随温度升高纤维素中水分和小分子酸降低较多，故两种绝缘纸板的相对介电常数在温度较高时变化微弱甚至降低。

图8 绝缘纸板相对介电常数温度介电谱(50Hz)Fig.8　Temperature domain spectroscopy of relative permittivity of insulation pressboard at 50Hz

图9表明在低频部分（0.01～100Hz），随着老化时间的增大，绝缘纸板介质损耗逐渐增大，老化0d混合油浸纸板的介质损耗略高于矿物油浸纸板，而老化50d的混合油浸绝缘纸板的介质损耗要低于矿物油浸绝缘纸板。对于未老化的两种油浸绝缘纸板，前面已经分析未老化混合油的介质损耗要略高于矿物油，所以老化0d的混合绝缘油浸绝缘纸板的介质损耗略大于矿物油浸绝缘纸板。随着老化的进行，绝缘纸板中会产生水分、小分子酸和糠醛等老化产物，从而导致偶极子分子增多，松弛极化损耗增强[2]，同时聚合度的降低，即长纤维素链生成两条以上的短链，也会导致松弛极化损耗增强，从而在低频部分绝缘纸板介质损耗随着老化时间增大而升高。在老化后期相对于矿物油浸绝缘纸板，混合油浸绝缘纸板虽然水分稍高但其酸值较低[3]、聚合度较高，所以其介质损耗低于矿物油浸绝缘纸板，这说明了新型混合绝缘油延缓了绝缘纸板的老化。

图9　绝缘纸板介质损耗频域介电谱（30℃）Fig.9　Frequency domain spectroscopy of dissipation factor of insulation pressboard at 30℃

2.7绝缘油和绝缘纸板击穿电压

2.7.1 绝缘油击穿电压

从图10中可以看出，混合绝缘油和矿物油击穿电压都具有随着老化时间逐渐降低的趋势，并且混合绝缘油的击穿电压除在老化10d有点降低的波动外，其他老化时间下都是略高于矿物油击穿电压。这可能是由于在老化过程中一方面绝缘油会氧化降解导致性能降低；另一方面绝缘油中水分、酸和气体等老化产物都有一定的增加，相当于杂质增多导致绝缘油击穿电压的降低。尤其是在老化后期，一方面老化生成的气体较多，在外施电压下，绝缘油中有可能会生成“气体小桥”，使得击穿电压大大降低；另一方面绝缘油生成的油泥等强电导性老化产物加快了绝缘油击穿电压的降低。混合绝缘油中含有20%的天然酯，文献[15]研究表明在热老化过程中天然酯的击穿电压是优于矿物油，并且绝缘油相对水分含量（即水分含量与饱和含水量比值）越低，击穿电压越高。植物油脂分子具有双亲型结构，亲水性能比较强，Suwarno[16]发现室温下未老化天然酯的饱和含水量（0.003%）大约是未老化矿物油的50倍（6×10-5%）。所以20%天然酯的加入导致混合油的饱和含水量远远高于矿物油，而在整个老化过程中混合油中水分含量在矿物油的2～3倍之间，故混合油的相对含水量是低于矿物油的，这可能是混合绝缘油的击穿电压略高于矿物油的原因。此外，从图1和图7可以看出，混合绝缘油的抗老化特性优于矿物油，这也可能是混合绝缘油的击穿电压略高于矿物油的原因。

图10　热老化过程中绝缘油击穿电压Fig.10　Breakdown voltage of insulation oil during the thermal aging process

2.7.2 不同老化时间绝缘纸板在不同温度下击穿电压

不同老化时间的绝缘纸板在不同温度下击穿电压试验结果见表3。

表3　不同老化时间绝缘纸板（1mm）不同温度下击穿电压Tab.3 Breakdown voltage of insulation pressboards with the thickness of 1mm at different aging time and different temperature（单位：kV）

从表3看出不同老化时间混合油浸绝缘纸板在不同测量温度下的击穿电压大多略高于矿物油浸绝缘纸板，并且在30℃和50℃下，两种绝缘纸板击穿电压随老化时间的增加具有逐渐下降的趋势，在70℃下两种绝缘纸板击穿电压随老化时间增加先下降后上升，在90℃下两种绝缘纸板击穿电压随老化时间增加具有逐渐上升的趋势。此外，在老化初期，两种绝缘纸板击穿电压随着温度升高逐渐降低，但在老化后期，两种绝缘纸板击穿电压随着温度升高先降低再升高。

3　老化参量之间关系

3.1绝缘纸板聚合度与绝缘油击穿电压的关系

从图11可以看出，随着绝缘纸板聚合度的降低，在老化中期以前，两种绝缘油击穿电压降低较慢，而在老化中期以后，两种绝缘油的击穿电压显著下降。这主要是因为两种绝缘油中都含有一定比例具有抑制绝缘油老化的抗氧化剂（T501），所以在老化初期绝缘油击穿电压降低较少。随着老化进行，绝缘油中的抗氧化剂逐渐减少，到老化中期时几乎消耗殆尽，从而导致在老化后期绝缘油老化速度加快，绝缘油击穿电压迅速降低，这和图1中绝缘油颜色变化相一致。

图11　绝缘油击穿电压与绝缘纸板聚合度的关系Fig.11　The relationship between breakdown voltage of insulation oil and DP of insulation pressboard

3.2击穿电压与介电谱的关系

图12为将图6中绝缘油的介电常数相应的除以图8中绝缘纸板的介电常数得到的比值结果。由于油浸绝缘纸板中绝缘油和纸板承受的电场强度与介电常数成反比，且绝缘油介电常数小于纸板，说明绝缘油需要承受的电场较大，所以绝缘油对油纸绝缘电气强度起主要作用[17]。当在不同的油浸绝缘纸板上施加上相同电压时，绝缘油和纸板介电常数比值越小，说明两者介电常数差值越大，电场分布越不均匀，绝缘油中承受的电场越大，故介电常数比值越小的油浸绝缘纸板越容易最先发生击穿。所以，从图12可以看出老化0d、25d和50d的介电常数比值在温度低于70℃时随温度的升高都逐渐降低，而在温度高于70℃时分别逐渐降低、趋于不变和逐渐升高，这与表3中老化0d、25d和50d绝缘纸板击穿电压分别随温度的升高逐渐降低、先降低再趋于不变或先降低再升高的规律基本相一致。此外，在测量温度范围内，混合油浸绝缘纸板的介电常数比值要比矿物油的高一点，说明混合油浸绝缘纸板中绝缘油与绝缘纸的场强分布更均匀一些，况且混合绝缘油的击穿电压要高于矿物油，所以混合油浸绝缘纸板的击穿电压要高于矿物油浸绝缘纸板，这与表3中混合油浸绝缘纸板的击穿电压大部分略高于矿物油浸绝缘纸板的击穿电压的测量结果基本相一致。以上研究表明相对于矿物油，混合绝缘油提高了绝缘油和绝缘纸板击穿电压及电场分布均匀性，有利于变压器制造的小型化。

图12　不同温度不同老化时间绝缘油与绝缘纸板介电常数比Fig.12　The relative permittivity’s ratio of insulation oil and insulation pressboards at different temperature and different aging time

4　结论

（1）新型抗老化混合绝缘油除介质损耗、粘度稍高外，其他理化电气参数都满足国标GB 2536—2011要求，并且闪点、击穿电压和起始氧化温度都优于矿物油。

（2）在老化过程中新型混合油浸绝缘纸板聚合度高于矿物油浸绝缘纸板，老化后期混合油颜色比矿物油浅，说明其具有延缓油纸绝缘老化的能力。

（3）在老化初期混合油及其浸绝缘纸板的介质损耗曲线略高于矿物油及其浸绝缘纸板，然而在老化后期混合绝缘油及其浸绝缘纸板的介质损耗曲线要低于矿物油及其浸绝缘纸板，说明了混合绝缘油具有一定的延缓油纸绝缘老化的能力。

（4）混合绝缘油和矿物油击穿电压都具有随着老化时间增大逐渐降低的趋势，并且混合绝缘油及其浸绝缘纸板击穿电压大部分略高于矿物油击穿电压。在老化初期，两种绝缘纸板的击穿电压随着温度升高逐渐降低，但在老化后期，两种绝缘纸板的击穿电压随着温度的升高先降低再升高。

（5）随着绝缘纸板聚合度的降低，在老化中期以前，两种绝缘油击穿电压降低较慢，在老化中期以后，两种绝缘油的击穿电压显著下降。不同老化时间新型混合绝缘油及其浸绝缘纸板在不同测量温度下的介电常数和两者介电常数比高于相应的矿物油及其浸绝缘纸板，说明新型混合绝缘油提高了绝缘油和绝缘纸板电场分布均匀性，有利于变压器制造的小型化。

[1] 廖瑞金, 梁帅伟, 李剑, 等. 矿物油和天然酯混合绝缘油的理化特性和击穿电压研究[J]. 中国电机工程学报, 2009, 29(13): 117-123. Liao Ruijin, Liang Shuaiwei, Li Jian, et al. Study on the physics and chemistry characteristics and breakdown voltage of a mixed insulation oil composed of mineral oil and natural easter[J]. Proceedings of the CSEE, 2009, 29(13): 117-123.

[2] 王世强, 魏建林, 杨双锁, 等. 油纸绝缘加速热老化的频域介电谱特性[J]. 中国电机工程学报, 2010, 30(34): 125-131. Wang Shiqiang, Wei Jianlin, Yang Shuangsuo, et al. Frequency domain dielectric spectroscopy characteristics of oil-paper insulation under accelerated thermal aging[J]. Proceedings of the CSEE, 2010, 30(34): 125-131.

[3] 梁帅伟. 抗老化变压器油及其对绝缘纸热老化影响的研究[D]. 重庆: 重庆大学, 2009.

[4] Perrier C, Beroual A, Bessede J L. Improvement of power transformers by using mixtures of mineral oil with synthetic esters[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2006, 13(3): 556-564.

[5] Fofana I, Wasserberg V, Borsi H, et al. Challenge of mixed insulating liquids for use in high-voltage transformers, Part 1: Investigation of mixed liquids[J]. IEEE Electrical Insulation Magazine, 2002, 18(4): 18-31.

[6] Fofana I, Wasserberg V, Borsi H, et al. Challenge of mixed insulating liquids for use in high-voltagetransformers, Part 2: Investigations of mixed liquid impregnated paper insulation[J]. IEEE Electrical Insulation Magazine, 2002, 18(4): 5-16.

[7] 廖瑞金, 郝建, 梁帅伟, 等. 水分和酸对矿物油与天然酯混合油-纸绝缘热老化的影响[J]. 电工技术学报, 2010, 25(7): 31-37. Liao Ruijin, Hao Jian, Liang Shuaiwei, et al. Influence of water and acid on the thermal aging of mineral oil mixed with natural ester oil-paper insulation[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2010, 25(7): 31-37.

[8] 李晓虎, 李剑, 杜林, 等. 一种转基因菜籽绝缘油的电气性能[J]. 中国电机工程学报, 2006, 26(15): 95-99. Li Xiaohu, Li Jian, Du Lin, et al. The electric properties of a transgenic vegetable oil[J]. Proceedings of the CSEE, 2006, 26(15): 95-99.

[9] 毕鹏翔, 张文元, 秦少臻, 等. 变压器固体绝缘状况的监测方法[J]. 高电压技术, 2000, 26(3): 47-51. Bi Pengxiang, Zhang Wenyuan, Qin Shaozhen, et al. Methods for monitoring the condition of insulation in power transformers[J]. High Voltage Engineering, 2000, 26(3): 47-51.

[10] Emsley A M. Kinetics and mechanisms of degradation of cellulosic insulation in power transformers[J]. Polymer Degradation and Stability, 1994, 44(3): 343-349.

[11] 刘玉仙. 变压器油纸绝缘的含湿分析及其对运行安全的影响[J]. 变压器, 2002, 39(5): 1-5. Liu Yuxian. Moisture content analysis of oil-paper insulation in transformer and its influence on operation safety[J]. Transformer, 2002, 39(5): 1-5.

[12] 陈季丹, 刘子玉. 电介质物理学[M]. 北京: 机械工业出版社, 1988.

[13] 廖瑞金, 郝建, 杨丽君, 等. 变压器油纸绝缘频域介电特征量与绝缘老化状态的关系[J]. 电工技术学报, 2012, 27(5): 43-49. Liao Ruijin, Hao Jian, Yang Lijun, et al. Relationship between frequency domain dielectric characteristic quantity and aging status of transformer oil-paper insulation[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2012, 27(5): 43-49.

[14] 杨丽君, 廖瑞金, 孙会刚, 等. 变压器油纸绝缘热老化特性及特征量研究[J]. 电工技术学报, 2009, 24(8): 27-33. Yang Lijun, Liao Ruijin, Sun Huigang, et al. Investigation on properties and characteristics of oil-paper insulation in transformer during thermal degradation process[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2009, 24(8): 27-33.

[15] Liao Ruijin, Hao Jian, Chen George, et al. A comparative study of physicochemical, dielectric and thermal properties of pressboard insulation impregnated with natural ester and mineral oil[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2011, 18(5): 1626-1637.

[16] Suwarno, Darma I S. Dielectric properties of mixtures between mineral oil and natural ester from palm oil[J]. World Scientific and Engineering Academy and Society (WSEAS) Transactions on Power Systems, 2008, 3(2): 37-46.

[17] 唐超, 廖瑞金, 黄飞龙, 等. 电力变压器绝缘纸热老化的击穿电压特性[J]. 电工技术学报, 2010, 25(11): 1-8. Tang Chao, Liao Ruijin, Huang Feilong, et al. The breakdown voltage of power transformer insulation paper after thermal aging[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2010, 25(11): 1-8.

廖瑞金 男，1963年生，教授，博士生导师，从事电气设备绝缘在线监测与故障诊断研究和高电压测试技术工作。

郭 沛 男，1988年生，硕士研究生，从事电气设备在线监测与故障诊断研究。

The Thermal Aging Characteristics of the New Anti-Aging Mixed Oil-Pressboard Insulation

Liao Ruijin1Guo Pei1,2Zhou Nianrong3Xia Huanhuan3Lin Yuandi1Liu Haibin1
（1. State Key Laboratory of Power Transmission Equipment & System Security and New Technology Chongqing University Chongqing 400044 China 2. State Grid Ningbo Power Supply Company Ningbo 315016 China 3. Yunnan Electric Power Research Institute (Group) Co. Ltd. Kunming 650217 China）

In order to promote the application of mixed insulation oil in transformers, the preparation method of a new anti-aging mixed insulation oil with mass production has been developed. Then two kinds of oil-paper insulation samples were prepared with common insulation pressboard and insulation oil, namely new mixed insulation oil and mineral oil respectively. Accelerated aging experiments were performed under the 130℃ to analysis their dielectric properties, breakdown voltage and the general characteristics of aging products. The results show that: the properties of new mixed insulation oil meet the requirements of GB 2536—2011 and it can delay the aging process of oil-paper insulation system. The breakdown voltages of new mixed insulation oil and its impregnated insulation pressboard at different aging time are mostly higher than that of relevant mineral oil and its impregnated insulation pressboard respectively. With the increase of temperature，the breakdown voltages of two kinds of insulation pressboard at early aging time decrease while at later aging time decrease firstly and then increase. The relative dielectric constant and the ratio of relative dielectric constants of new mixed insulation oil and its impregnated insulation pressboard at different aging time are higher than that of relevant mineral oil and its impregnated insulation pressboard. This indicates that new mixed insulation oil improves the distribution uniformity of electric field in insulation oil and insulation pressboard, which is helpful to the miniaturization of transformer manufacturing.

New mixed insulation oil, insulation pressboard, thermal aging, dielectric property, breakdown voltage

TM835

国家自然科学基金（51277187）和中央高校基本科研业务费（CDJZR12110018）资助项目。

2013-10-14 改稿日期 2014-03-21