不同组成变压器油及油纸绝缘体系受雷电冲击后油中溶解气体变化

2020-12-07于会民张培恒王会娟马书杰

绝缘材料 2020年10期

于会民，张培恒，王会娟，陈华，张昱，张绮，马书杰

（1.中国石油兰州润滑油研究开发中心，新疆克拉玛依 834003；2.中国石油润滑油重点实验室，新疆克拉玛依 834003；3.中国石油辽河润滑油厂，辽宁盘锦 124000）

0 引言

变压器作为输变电系统中的核心设备，在现场运行中，不可避免地遭受到自然界闪电的冲击，户外运行的电力变压器受到的威胁更大。变压器制造商为了保证出厂的变压器能够经受住自然界闪电的冲击，制定了一系列冲击试验项目，而雷电冲击试验是高压、特高压电力变压器出厂前的例行试验项目[1-2]。高压、特高压电力变压器在进行雷电冲击试验时，施加不同等级电压冲击后，将示波器上所检测的电压波形与标准波形对比，通过波形变化情况来判断是否发生击穿。一些变压器制造企业把油中溶解气体组分及含量检测作为雷电冲击试验后的预防性检测项目。近年来，在特高压电力变压器和换流变压器雷电冲击试验后的油中溶解气体组分和含量检测中发现：高压、特高压电力变压器在进行雷电冲击试验后，所检测到的电压波形与标准波形一致，即没有发生明显的击穿现象，但是油中溶解的气体组分中出现了乙炔气体，而乙炔气体通常是变压器油发生局部放电的产物。

文献[3-4]报道了多次雷电冲击电压下和非标准雷电冲击电压下变压器油浸绝缘纸板的累积效应和击穿特性，指出随着雷电冲击电压幅值的升高，油浸绝缘纸板累积直至击穿所需要的试验次数大幅减少，雷电冲击电压对油浸绝缘纸板具有明显的累积效应；多次雷电冲击电压的累积作用会导致油浸绝缘纸板表面颜色、粗糙度和形貌发生变化，绝缘模型中绝缘纸总厚度保持恒定时，绝缘纸层数的增加会提高绝缘模型的击穿强度。文献[5-8]报道了雷电冲击电压下几种典型油纸缺陷的局部放电测量技术、特征谱图以及纸绝缘气隙局部放电特性。

在油纸绝缘体系能承受的真实雷电冲击电场强度下，针对不同组成的环烷基变压器油及含抗氧剂的油纸绝缘体系，在未发生明显的击穿情况下其油中溶解的氢气和乙炔气体含量的变化趋势尚未见系统报道。本文在施加雷电冲击波且未发生明显击穿的情况下，研究油中溶解气体关键组分及含量的变化趋势，推算不同类型变压器油所构成的油纸绝缘体系承受的雷电冲击电场强度，以期为电力设备绝缘设计的可靠性提供技术支持。

1 试验

1.1 试验材料

变压器的主体绝缘体系主要由变压器油和绝缘纸板构成。

变压器油按基础油组成可分为环烷基变压器油、中间基变压器油和石蜡基变压器油，目前，国内环烷基变压器油占有90%的市场份额。由于加工工艺的不同，环烷基变压器油依据芳烃含量不同可分为芳烃含量小于1.2%的低芳烃变压器油、芳烃含量大于1.2%且小于7.0%的中等芳烃变压器油和芳烃含量大于7.0%的高芳烃变压器油。本研究采用的原料油为不同芳烃含量的环烷基变压器油，编号分别为基础油1、基础油2和基础油3，其相关信息和性质见表1～2。

变压器油由于自身应用的独特性，其添加剂的使用受到很大限制，国内外通用的变压器油产品标准[9-11]中规定只能使用抗氧剂，且加入量不大于0.4%，目前，通用的抗氧剂为烷基酚型抗氧剂DBPC，本研究简称为抗氧剂A。具体信息见表1。

变压器常用绝缘纸板的厚度为1～3 mm，为了切割方便，本研究选用厚度为1.0 mm的绝缘纸板作为固体试验材料，具体信息见表1。

碳型分析是将复杂的矿物型变压器油简单地看成是由链烷烃、环烷烃和芳香烃组成的单一分子，分别用CA、CN、CP表示芳香碳原子、环烷碳原子、链烷烃碳原子占总碳原子的百分数，其中CA大说明矿物型变压器油中芳烃含量高[12]。

表2的碳型分析数据说明，基础油1的芳烃含量为0.1%，属于低芳烃变压器油；基础油2的芳烃含量为4.4%，属于中等芳烃变压器油；基础油3的芳烃含量为16.2%，属于高芳烃变压器油；3种基础油的CP值都小于50%，属于典型的环烷基基础油。

1.2 主要试验设备

CA100型油品微水测量仪，三菱化学株式会社；899型便携型油品微水测定仪，860型卡氏炉、瑞士万通中国有限公司；ZHYQ3500型变压器油气体含量测量仪，山东中惠仪器有限公司；7890B型气相色谱仪，美国安捷伦公司；CDYL-600kV/2kJ型冲击发生器，北京华天机电研究所有限公司。

1.3 主要试验方法

1.3.1 试验装置

变压器油雷电冲击试验装置主要由冲击电压发生器和电极箱组成。冲击电压发生器的标称电压为±600 kV，额定能量为2 kJ，级数为6级；标准雷电波为(1.2±30%)/(50±20%)μs，峰值处振荡不大于幅值的5%；雷电波（空载）发生器效率不低于90%。

表2 变压器油典型性质Tab.2 Typical properties of transformer oils

电极箱承受的雷电冲击电压为600 kV，充油容量为2 L，针-球电极间距设置为25 mm，试验油杯如图1(a)所示。超高压变压器油纸隔板绝缘结构中，随着许用电压等级升高，纸板数量增加，系统击穿电压大于500 kV时，采用薄纸板小间隙的设计，因此，在电极间距为25 mm的油隙中，采用厚度为1 mm的纸板，设计插入4～5层绝缘纸板。电极之间的油纸间隙如图1(b)所示。两电极之间插入绝缘纸板，绝缘纸板间隙为1～2 mm，并使油品完全浸没绝缘纸板，盖上防尘盖，静置10～15 min，使油品温度和实验室环境温度相同。试验时在电极的一端施加低于油品击穿电压的雷电全波冲击电压，反复施加雷电全波冲击电压10次，两次施加冲击电压的时间间隔为2 min，确保每次施加电压前油中无气泡。施加冲击电压后，利用100 mL注射器抽取两个电极之间第一层绝缘纸板前面的油样，测试油中溶解气体组成及含量[13]。

从放电次数和放电电荷量来看，自然界中负极性雷电占90%。变压器油的雷电冲击试验通常要求在极不均匀的发散电场中进行，油浸式变压器进行雷电冲击试验时，为减少试验线路中出现异常的外部闪络危险，试验电压通常选择为负极性[14-15]。因此，本研究在采用不均匀的发散电场结构进行试验时，冲击波电压极性为负极性，试验电压波形采用t=(1.2±30%)/(50±20%)μs的标准雷电冲击全波。

图1 变压器油雷电冲击试验装置Fig.1 Experimental setup of lightning impulse test for transformer oil

1.3.2 试验方案

施加雷电冲击电压的大小参照电力变压器的绝缘水平绝缘试验规定[16]，其中330 kV以上的电力变压器所承受的雷电全波冲击电压是系统标称电压的2.0～2.9倍。110～330 kV的电力变压器所承受的雷电全波冲击电压是系统标称电压的2.9～3.8倍。超高压、特高压变压器都是要求无局部放电现象，在此条件下，超高压变压器的主绝缘结构中，长期最高工作电压下的许用场强一般要小于4 MV/m，且电压等级越高，此值越小。对端部出线的绝缘结构，此值要小于2 MV/m。超高压变压器主绝缘设计场强为2～4 kV/mm[17]。

按超高压变压器主绝缘最大场强为2～4 kV/mm的设计要求，估算出在试验电极箱的间隙为25.0 mm的油纸板绝缘体系中，110～330 kV电压等级的电力变压器对应系统标称电压为50～100 kV，承受最高的雷电全波冲击试验电压为290～380 kV。330 kV及以上电压等级电力变压器对应系统标称电压为50～100 kV，承受最高的雷电全波冲击试验电压为200～290 kV。

具体试验方案：冲击波类型为雷电全波，油间隙为25.0 mm，试验电压分别为100、200、300、400、500 kV，施加电压后监测油中溶解的氢气和乙炔气体。

1.4 样品处理

1.4.1 变压器油处理

试验前应保证变压器油中大于5 μm的颗粒度小于1 000个/100 mL、水分含量小于10 mg/kg、含气量小于1%。为了达到以上要求，采用2.0 μm聚四氟乙烯膜对变压器油样品进行真空过滤除去杂质，然后在真空度低于100 Pa、温度为60℃的条件下进行真空脱气脱水处理，处理后的变压器油性质见表3。

1.4.2 绝缘纸板的处理

变压器充油前，要求绝缘纸板中水分含量小于0.5%。在(105±5)℃的干燥箱中，对绝缘纸板干燥2 h以上，干燥后绝缘纸板的水分含量都小于0.5%。将干燥后绝缘纸板浸泡在待测油样品中，降低纸板中的空气含量。

表3 处理后的变压器油性质Tab.3 Properties of treated transformer oils

2 结果与讨论

2.1 不同组成变压器油的雷电冲击击穿电压

依照绝缘液体雷电冲击击穿电压测定方法[14]，采用针-球电极，分别在电极间隙为5、10、15、20、25 mm下，考察不同芳烃含量的基础油及加抗氧剂A后的雷电冲击击穿电压，负极性雷电冲击击穿电压测试结果见图2～4。

图2 不同组成基础油的雷电冲击击穿电压Fig.2 Lightning impulse breakdown voltages of different composition oils

从图2可以看出，在不同组成变压器油构成的纯油绝缘体系中，3种基础油的雷电冲击击穿电压随着电极间隙的增大而增大，其中基础油1的增幅最大，基础油3的增幅最小。在相同电极间隙下，基础油1的雷电冲击击穿电压最高，基础油3的雷电冲击击穿电压最低，且随着电极间隙加大，这种现象愈加明显。这是因为基础油1的芳烃含量极低，基础油3的芳烃含量最高，所以油中芳烃含量是影响其雷电冲击击穿电压大小的关键因素，芳烃含量越高，击穿电压越低，加大电极间隙不能大幅度提高其击穿电压。

图3 不同组成基础油加抗氧剂A的雷电冲击击穿电压Fig.3 Lightning impulse breakdown voltages of different composition oils with addictive A

图4 抗氧剂A含量不同的基础油2的雷电冲击击穿电压Fig.4 Lightning impulse breakdown voltages of basic oil 2 with different addictive A content

从图3可以看出，在不同组成的变压器油中加入抗氧剂A后，3种基础油的雷电冲击击穿电压随着电极间隙的增大而增大，基础油1的增幅最大，基础油3的增幅最小。在相同电极间隙下，基础油1加入抗氧剂A后的雷电冲击击穿电压最高，基础油3加入抗氧剂A后的雷电冲击击穿电压最低，随着电极间隙加大，这种差异现象更加明显。

对比图2和图3结果可知，在相同电极间隙下，基础油1和基础油2加入抗氧剂A后，其雷电冲击击穿电压大幅降低，而基础油3加入抗氧剂A后，其雷电冲击击穿电压基本没明显变化。由此说明，在高芳烃基础油中，芳烃是影响其雷电冲击击穿电压大小的关键因素；在低芳烃基础油中，抗氧剂A是影响其雷电冲击击穿电压大小的关键因素。

从图4可以看出，在电极间隙为25.0 mm时，基础油2加入不同含量的抗氧剂A后，其雷电冲击击穿电压随着抗氧剂A含量的增加而降低。说明抗氧剂A加入对其雷电冲击击穿电压有明显的负面影响。

2.2 雷电冲击下不同组成变压器油构成的油纸绝缘体系中溶解气体的组成及含量

为了研究不同组成变压器油构成的油纸绝缘体系承受雷电冲击电压的影响情况，分别对处理后的不同芳烃含量的环烷基变压器油，在其所能承受最高的雷电冲击击穿电压值以下，进行不同电压等级的雷电全波冲击试验，监测试验之后油中溶解气体组分及含量的变化情况，油中溶解气体组分主要有氢气、一氧化碳、二氧化碳、甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、氧气和氮气[13]，新油脱气处理后，油中氢气、一氧化碳、甲烷、乙烷、乙烯、乙炔含量都很低，只有少量二氧化碳、氧气和氮气；当油中发生放电现象时，油中氢气和乙炔气体的含量会发生明显变化，因此，本实验重点监测油中氢气和乙炔气体含量的变化趋势，详细试验方案和结果见表4～5。从表4～5可以看出，在不同组成变压器油构成的油纸绝缘体系中，在相同电极间隙下，3种基础油中的氢气和乙炔气体含量随着施加雷电冲击电压增大而逐渐增加，其中，当施加的雷电冲击电压为400 kV时，基础油1中出现乙炔气体且氢气含量明显增大；当施加的雷电冲击电压为300 kV时，基础油2中出现乙炔气体且氢气含量明显增大；当施加的雷电冲击电压为200 kV时，基础油3中出现乙炔气体且氢气含量明显增大，且在施加的施加雷电冲击电压达到500kV时，基础油3中发生击穿现象，油中乙炔气体和氢气含量大增。在施加雷电冲击电压后，油中出现微量乙炔气体且氢气含量明显增大，说明油纸体系有微小局部放电现象。

表4 雷电冲击下不同组成基础油中溶解氢气含量Tab.4 Content of dissolved H2gas in oil under lightning impulse

表5 雷电冲击下不同组成基础油中溶解乙炔气体含量Tab.5 Content of dissolved C2H2gas in oil under lightning impulse

在25.0 mm电极间隙下，基础油1中出现乙炔气体时的雷电冲击电压最高，基础油3中出乙炔气体时的雷电冲击电压最低，而基础油1的芳烃含量最低，基础油3的芳烃含量最高，说明油中芳烃含量高低也是影响其油纸绝缘体系抗雷电冲击电压大小的关键因素，芳烃含量越高，抗雷电冲击电压越低，与纯油绝缘体系结论相近。在相同电极间隙下，基础油3的油纸复合体系雷电冲击击穿电压远比基础油3的纯油绝缘体系的高，油纸复合的小油隙结构确实能提高击穿场强，这一结论在雷电冲击电场下同样适用。

2.3 抗氧剂A对雷电冲击下变压器油纸体系油中溶解气组成及含量的影响

采用基础油2为试验原料，考察抗氧剂A的加入对油绝缘体系承受雷电冲击电压的影响情况。在其所能承受的最高雷电冲击击穿电压值以下，进行不同电压等级的雷电全波冲击试验，监测试验之后油中溶解氢气和乙炔气体含量的变化趋势，详细试验方案和结果见表6和表7。从表6～7可以看出，在基础油2中加入抗氧剂A前后构成的油纸绝缘体系中，在相同电极间隙下，油中的氢气和乙炔气体含量随着施加雷电冲击电压的增大而逐渐增加。当施加电压为300 kV时，加入抗氧剂A前后基础油2中都出现乙炔气体且氢气含量明显增大，加入抗氧剂A的基础油2中乙炔气体含量明显比未加入抗氧剂A基础油2中的高，并且在施加的雷电冲击电压达到500 kV时，加入抗氧剂A的基础油2中发生击穿现象，油中乙炔气体和氢气含量大幅增加。在相同雷电冲击电压下，随着抗氧剂A加入量的增加，油中氢气和乙炔气体略有增加。由此说明，油中抗氧剂A含量也是影响其油纸绝缘体系抗雷电冲击性能的关键因素。因此，抗氧剂A含量也不是越高越好，在能满足氧化稳定性要求的基础上，应尽量减少使用量。