天然酯绝缘油纸系统低温耐压特性研究

2020-02-26王伟龙朱孟兆叶文郁董永军

中国油脂 2020年2期

王伟龙，朱孟兆，叶文郁，潘振，董永军

(1.山东理工大学电气与电子工程学院，山东淄博 255000； 2.国网山东省电力公司电力科学研究院，济南 250002；3.山东中实易通集团有限公司，济南 250002)

天然酯绝缘油是一种新型环保高燃点液体绝缘介质[1]，具有良好的理化性能、电气性能[2-4]，应用范围与矿物绝缘油类似，已在许多国家得到应用，全球应用的植物绝缘油变压器已超过75万台[5]。在我国，2015年8月工信部、质检总局、发改委联合印发《配电变压器能效提升计划(2015—2017年)》，明确将天然酯绝缘油变压器列为推广的配电变压器新技术产品。然而天然酯绝缘油因其自身成分的原因，倾点和黏度都高于矿物绝缘油，导致其低温流动性较差，不利于变压器散热[6-11]。改性天然酯绝缘油是在天然酯绝缘油的基础上通过酯交换或其他化学反应得到的天然酯绝缘油，其弥补了天然酯绝缘油的倾点和黏度高的问题。

国内外有关变压器绝缘油纸低温特性的研究相对较少，有关天然酯绝缘油纸系统低温特性的研究更少[12-16]。目前，有关天然酯绝缘油纸绝缘在耐压方面的研究仅涉及到高温以及水分含量等相关因素的影响[17-19]，在低温条件下的研究亟待完善。我国地域辽阔，很大一部分变压器位于东北、新疆及内蒙等高寒地区，研究天然酯绝缘油纸系统在低温条件下的绝缘强度对天然酯绝缘油变压器的低温冷态启动与运行具有重要的现实意义[20-22]。

1 材料与方法

1.1 试验材料

大豆油基天然酯绝缘油、棕榈油基改性天然酯绝缘油，两种绝缘油的理化性能如表1所示；绝缘纸板(2 mm)。

表1 两种绝缘油的理化性能

ZSGX型电热恒温干燥箱，南京卓实电气有限责任公司；奥地利BAUR保尔DTA 100C全自动绝缘油耐压测试仪。

1.2 试验方法

1.2.1 样品的处理

绝缘油预处理：对两种绝缘油滤油处理，除掉油内的水分及杂质。

绝缘纸板预处理：将厚度为2 mm的绝缘纸板裁剪成60 mm×60 mm的正方形纸块，置于ZSGX型电热恒温干燥箱(温度110℃)中，干燥48 h，再将纸板置于绝缘油中浸泡48 h，使绝缘纸板浸油充分。

1.2.2 工频击穿电压测试

准备6个试验用的耐压油杯，将经预处理的绝缘油倒入6个油杯内，将油杯密封，静置2 h后放置冰箱，待油温降至-20℃时，依次将6个油杯放置全自动绝缘油耐压测试仪中分别测量-20、-10、0、10℃时的击穿电压，耐压油杯电极采用球盖状电极，电极间距为2.5 mm，升压速度为2 kV/s。为保证数据的准确性，每个样品每个温度只测量1次，最终结果取每个温度下6个样品的平均值。绝缘油纸系统的耐压试验跟绝缘油耐压试验基本一致，将浸油后的绝缘纸板放于两电极之间，倒入绝缘油，控制温度、电极间距，试验电极模型如图1所示。

2 结果与分析

2.1 两种绝缘油工频击穿电压测试结果

在4种温度下对大豆油基天然酯绝缘油、棕榈油基改性天然酯绝缘油进行耐压试验，击穿电压随温度的变化情况分别如图2、图3所示。

图2 大豆油基天然酯绝缘油击穿电压随温度的变化曲线

图3 棕榈油基改性天然酯绝缘油击穿电压随温度的变化曲线

从图2、图3可以看出，两种绝缘油击穿电压随着温度的升高都呈现先降低后升高的趋势，其拟合曲线都呈U型，两种绝缘油击穿电压的最小值都在-10～0℃区间内，大豆油基天然酯绝缘油击穿电压最小值在-5℃左右，棕榈油基改性天然酯绝缘油击穿电压最小值在-10℃左右。

绝缘油中的水分一般以溶解水、乳化(悬浮)水、游离水以及固体绝缘材料吸附水4种形态存在[23]。当绝缘油处于低温条件下(-20℃)，水分以悬浮冰的形式存在于绝缘油中，少量的悬浮冰在电场作用下不易形成“冰桥”，所以绝缘油击穿电压高；当油温从-20℃升高至0℃过程中，油中悬浮冰逐渐转化为悬浮水，随着温度的上升，油中悬浮水的体积分数逐渐增大，悬浮水的增多是影响油耐压水平下降的重要因素，使得击穿电压在-20～0℃阶段呈逐渐下降的趋势；当温度继续上升时，水由悬浮态逐渐转化为溶解态，溶解水对击穿电压的影响很小，故在0～10℃阶段击穿电压呈上升趋势。

2.2 两种绝缘油纸系统工频击穿电压测试结果

当电极间距2.5 mm，纸板厚度2 mm，两种绝缘油纸系统击穿电压随温度的变化如图4、图5所示。

图4 大豆油基天然酯绝缘油纸系统击穿电压随温度的变化曲线(电极间距2.5 mm)

图5 棕榈油基改性天然酯绝缘油纸系统击穿电压随温度的变化曲线(电极间距2.5 mm)

由图4、图5可以看出，随温度的升高，两种绝缘油纸系统的击穿电压呈先下降后上升的趋势，棕榈油基改性天然酯绝缘油纸系统击穿电压最小值对应的温度略低于大豆油基天然酯绝缘油纸系统，与纯绝缘油击穿电压随温度变化趋势基本一致，这与电极与纸板之间存在油隙有关。但油纸系统的击穿电压波动范围较纯绝缘油小很多。

考虑到电极间距对击穿电压有一定影响，因此在纸板厚度为2 mm下，改变电极间距为2 mm，考察电极间距的影响。两种绝缘油纸系统击穿电压随温度的变化曲线如图6、图7所示。

图6 大豆油基天然酯绝缘油纸系统击穿电压随温度的变化曲线(电极间距2 mm)

图7 棕榈油基改性天然酯绝缘油纸系统击穿电压随温度的变化曲线(电极间距2 mm)

由图6、图7可以看出，两种绝缘油纸系统的击穿电压仍呈先下降后上升的趋势，与电极间距为2.5 mm时变化趋势基本一致。比较图4、图6或者比较图5、图7，即同一种绝缘油纸系统不同电极间距，可以发现，当电极间距2 mm时，击穿电压波动范围要比电极间距2.5 mm时小。

试验过程发现，在电极间距为2.5 mm时，当试验电压接近击穿电压时，可明显观察到电极表面对纸板表面放电，可理解为绝缘纸板表面易吸附水分，击穿的过程电极与绝缘纸板之间的油隙先被击穿，然后纸板被击穿。理论上电极间距2.5 mm的击穿电压应该大于电极间距2 mm的击穿电压，但是，当纸板与电极存在油隙时，在纸板击穿过程中会选择纸板较为薄弱的点击穿，所以纸板击穿电压较电极间距为2 mm时要小一些，因此对外表现出两者击穿电压近似。同时可看出，电极间距为2 mm时击穿电压更稳定一些。