2017, Vol. 40
2. 重庆大学 输配电装备及系统安全与新 技术国家重点实验室, 重庆 400044;
3. 国网河南省电力公司电力科学研究院, 郑州 450052
2. State Key Laboratory of Power Transmission Equipment & System Security and New Technology, Chongqing University, Chongqing 400044, P. R. China;
3. Henan Electric Power Research Institute, Zhengzhou 450052, P. R. China
变压器是电力系统中重要和昂贵的设备之一，一旦出现故障不仅会损坏设备，而且可能造成供电中断，影响电网安全运营。绝缘油和绝缘纸构成的绝缘系统是变压器的重要组成，但是在设备运行过程中，油纸绝缘系统会受到温度、电场、水分等因素影响而发生绝缘老化，进而导致变压器出现故障。据统计，变压器绝缘问题引起的故障约占总体故障的80%[1]。现有的变压器绝缘系统主要是由矿物绝缘油和纤维素绝缘纸构成。矿物绝缘油具有良好的介电性能和低廉的成本，但是容易发生起火或爆炸事故；矿物绝缘油是不可再生资源[2]，其低于30%的生物降解率也不符合环保要求。植物绝缘油是由天然的油料作物经过压榨、精炼、改性等工艺制备而成的一种新型环保绝缘介质，具有良好的阻燃性、介电性能、油纸绝缘耐老化性能以及高降解率和可再生性[3-4]，越来越成为研究热点并投入实际运行中。
近年来，有许多现代诊断技术用于变压器老化状态的评估，如油中溶解气体分析(dissolved gas-in-oil analysis, DGA)、呋喃衍生物浓度、纸的聚合度(degree of polymerization, DP)和抗拉强度(tensile strength，TS)等[5]。长期的工程实践证明，变压器油中溶解气体的组分、含量与故障类型密切相关，因此，可以通过分析油中气体组分的变化来判断变压器的状态[6]。
油中溶解气体分析技术可以有效对变压器内部可能发生或已经发生的故障进行检测。然而，现有的油中溶解气体诊断方法都是以矿物绝缘油为基础建立的，随着植物绝缘油变压器的广泛应用，亟需研究植物绝缘油及油纸在故障下油中溶解气体的特性，建立适合植物绝缘油变压器的油中溶解气体故障诊断方法。
本研究将模拟植物绝缘油和矿物绝缘油的击穿放电故障进行对比，测量两种绝缘油分别在纯油和油纸击穿过程中的产气情况，分析和对比两种绝缘油产气的类别和溶解气体含量，研究击穿放电故障对两种绝缘油产气规律的影响。
1 实验方法及过程 1.1 试样处理试验采用实验室自制生产的山茶籽绝缘油和中国昆仑润滑剂厂生产的环烷基矿物绝缘油，以及中国河南亚安绝缘材料厂生产的0.2 mm厚牛皮绝缘纸作为试验材料。击穿试验前，将油样和纸样于70 ℃下恒温真空48 h以去除水分及其他杂质，随后在真空环境下降低温度至室温，密封保存用于击穿试验。
1.2 实验方法模拟击穿放电故障测试装置主要由任意波形发生器、高压放大器、高压探头、油杯、电极及数字示波器组成。试验所使用的板电极参考GB1408.1—2006标准，采用针板电极，电极材料均为黄铜。如图 1所示，平板电极为直径75 mm的圆盘，高约10 mm，底部接地。针电极的曲率半径为200 μm，直径为1 mm，针电极接高压端。纯油击穿时，针尖至平板电极的距离为10 mm。
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图 1 击穿放电故障试验电极模型 Figure 1 Electrode model of breakdown discharge |
击穿试验前，油杯及电极使用正己烷清洗并干燥后，使用试验用绝缘油润洗，最后将试验用绝缘油倾倒入油杯并静置10 min，消除倒入时产生的气泡。试验采用升压法，对试品上施加50 Hz交流电压，电压从零开始以2 kV/s的速度匀速升压直至击穿。纯油及油纸试验在每次击穿后静置10 min，随后再进行下次击穿试验，分别进行5次、10次、15次、20次击穿试验，采集油样并利用气相色谱法测量和分析油中溶解气体成分及溶解气体含量。
1.3 油中溶解气体分析试验采用GC-9560-HD变压器油专用色谱仪，选用震荡脱气法进行气体收集。利用变压器专用色谱分析仪中的振荡脱气装置，在装入少量油样的密闭容器中加入一定量的氮气，经充分振荡，使油、气两相建立平衡[7]。脱气结束后，振荡脱气装置将气体直接送入色谱仪中自动进行气体的分析，并将结果输出到计算机中，生成图谱并标记气体的种类及含量。
2 结果与讨论 2.1 植物绝缘油与矿物油的基本电气性能植物绝缘油与矿物绝缘油具备不同的成分及结构，因此，两种绝缘油的理化性能和电气性能具有差异性，这些差异性直接关系到植物绝缘油在油浸式电力设备中的应用。表 1列出了山茶籽植物绝缘油和矿物绝缘油的各项基本性能[8-9]。
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表 1 山茶籽绝缘油与矿物绝缘油的基本性能 Table 1 Basic properties of vegetable oil and insulating oils |
从表 1中数据可见，山茶籽植物绝缘油大于300 ℃的闪点明显高于矿物油的闪点，因此，植物绝缘油可以应用于安全要求更高的场合；山茶籽植物绝缘油的生物降解率在21天后就可以达到98%，远高于矿物绝缘油30%的数值[10]；同时，较高的击穿电压也可以保证山茶籽植物绝缘油在高压变压器中安全运行。但是与矿物油相比，山茶籽绝缘油的运动粘度较大、相对介电常数与介质损耗因数较高，这主要是因为其分子结构的不对称。山茶籽植物绝缘油可以与绝缘纸更好地配合组成绝缘系统，有效延缓绝缘纸的老化速率，延长油纸绝缘系统的寿命[11]。
2.2 纯油故障气体分析绝缘系统在制备过程中或者长时间运行后会存在缺陷，导致其在高电场强度作用下容易发生击穿等故障。同时，绝缘系统在运行过程中可能发生局部放电现象，这些微弱的放电将产生累积效应并导致绝缘的介电性能逐渐劣化并使局部缺陷扩大，最后导致整个绝缘击穿[12]。
图 2是纯油针-板间隙击穿放电10次的植物绝缘油和矿物绝缘油故障后的油中溶解气体含量图。两种绝缘油在击穿故障后均产生H2、CH4、C2H4、C2H6、C2H2、CO及CO2这7种特征气体。在矿物绝缘油中，CO、CO2主要在绝缘纸放电过程中才会产生[13]，因此，在纯油击穿放电故障时，重点比较氢气与烃类气体的变化。击穿故障后，两种绝缘油的H2和C2H2的溶解气体含量均为最高，其次是C2H4，而CH4和C2H6溶解气体含量最少。总烃指的是所有碳氢化合物，在绝缘油中通常将油中溶解的甲烷、乙烯、乙炔、乙烷等气体统计为总烃含量，而矿物绝缘油的总烃要高于山茶籽植物绝缘油。
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图 2 纯油击穿放电故障的溶解气体含量 Figure 2 Dissolved gas content of pure-oil breakdown discharge fault |
分子中化学键在受到足够大的初始能量时将会被破坏，并生成低分子结构的氢气、烃类、一氧化碳、二氧化碳等气体，而且化学键强度可以影响产气速率，化学键的键能越高，产气速率越低。在击穿放电故障时，绝缘油受到能量比较高的电场作用时，容易产生C2H2气体，这是因为C-H键(99 kcal/mol)或者C-C键(83 kcal/mol)的键能相对较低，导致其容易发生断裂，并游离出H原子和CH3原子从而形成游离基，这些游离基在经过一系列反应后最终产生H2和C2H2气体。
2.3 油纸故障气体分析变压器中绝缘系统是由绝缘油和绝缘纸共同组成的，由于变压器油可更换，变压器寿命主要受绝缘纸的寿命影响[14]，因此，研究油纸击穿放电故障十分重要。图 3是油纸针-板间隙击穿放电10次的植物绝缘油和矿物绝缘油故障后的油中溶解气体含量图。在油纸击穿故障后，两种绝缘油中均溶解有大量的H2和C2H2气体，其次是C2H4，而CH4和C2H6溶解气体含量最少。
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图 3 油纸电击穿故障的溶解气体含量 Figure 3 Dissolved gas content of Oil-paper breakdown discharge fault |
油纸击穿放电故障下油中溶解气体与纯油情况相比，油中溶解气体含量明显增多。同时，变压器中固体绝缘材料发生放电性故障时容易产生更多的CO和CO2气体，这是由于参与变压器固体绝缘材料为绝缘纸，其主要成分是纤维素，化学通式为(C6H10O5)n。绝缘纸具有很大的强度和弹性，机械性能良好，但是变压器在长期工作过程中，油纸绝缘系统受到温度、电场等影响因素的作用，纤维中大分子会发生裂解反应[15]，纤维素中的C-O键断裂，产生较多的O2，并与纤维中C反应产生较多的CO和CO2气体。
在纯油和油纸击穿放电故障后，山茶籽植物绝缘油中溶解的CO和CO2气体含量均高于矿物绝缘油，这主要是由于植物油的分子结构中含有羰基(-COO)，在击穿放电故障下容易分解出CO和CO2。植物绝缘油和矿物绝缘油的分子组成和结构不同、理化性能差异大，导致植物绝缘油与绝缘纸的相容性和劣解产物等方面与矿物油存在差异。植物绝缘油中含有脂肪酸甘油三酯，与绝缘纸能够发生酯交换反应，导致纤维素的活性羟基变得稳定，提高了绝缘纸的稳定性，从而减缓油纸绝缘系统的老化[16]。
图 4为山茶籽绝缘油的纯油及油纸针-板击穿放电故障10次后的油中溶解气体含量图，并与未老化油样进行对比分析。从图中可见，在原始油样中几乎没有溶解H2、CH4、C2H4、C2H6和C2H2气体，并且也仅有少量的CO和CO2气体。纯油击穿放电故障后，山茶籽植物绝缘油中所有特征气体含量均有明显增加，其中H2、C2H4、C2H2、CO和CO2增加最为明显，而CH4和C2H6的溶解气体含量增加不明显。油纸电击穿故障的溶解气体含量虽然与纯油电击穿故障的规律相似，但是总烃的产气量要明显高于纯油击穿油样，同时生成更多H2、C2H2、CO和CO2气体。
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图 4 山茶油原始油样与电击穿故障的溶解气体含量 Figure 4 Dissolved gas content of original oil and breakdown discharge fault |
与矿物绝缘油的油纸绝缘系统相比，植物绝缘油的油纸绝缘系统具有更为复杂的老化过程，因此，不能简单地套用矿物绝缘油的油纸绝缘老化诊断方法和标准。
图 5为两种绝缘油中总烃的产气量与击穿次数之间的关系。从图中可见，在本次实验中，两种绝缘油中总烃气体含量随击穿次数的增加而增加，并且矿物油的总烃含量要高于植物绝缘油。纯油或油纸绝缘系统产生故障初期，由于油中溶解气体含量较少，所以故障气体会迅速溶解于油中，导致溶解气体含量在短时间内达到较高的水平，但伴随着故障次数的增加，造成纯油或油纸绝缘性能劣化，溶解气体含量达到一定值，油中溶解气体含量的增速将趋于平缓。
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图 5 两种绝缘油中总烃气体含量与击穿次数之间的关系 Figure 5 Relationship between total hydrocarbon gas content and breakdown times in camellia oil |
经过计算，山茶籽绝缘油在纯油击穿或油纸击穿5次、10次、15次、20次后产生的故障气体H2、CH4、C2H4、C2H6及C2H2中，C2H2所占的体积分数始终大于55%，因此，C2H2可以被看作是山茶籽植物绝缘油击穿放电故障的特征气体。
3 结论1) 在击穿放电故障试验后，山茶籽植物绝缘油与矿物绝缘油相同，均产生H2、CH4、C2H4、C2H6、C2H2、CO及CO2这7种特征气体。山茶籽植物绝缘油和矿物油在击穿放电故障下产生的C2H2在总烃中占比最高，因此，可以看作是两种绝缘油的特征气体。
2) 在纯油击穿放电故障试验后，矿物绝缘油的CO和CO2气体含量基本不变，而山茶籽植物绝缘油会产生更多的CO和CO2气体；在油纸击穿放电故障试验后，两种绝缘油均产生CO和CO2气体，同时山茶籽植物绝缘油产生的CO和CO2气体含量明显多于矿物绝缘油。
3) 随着击穿放电次数的增加，两种绝缘油的油中溶解气体含量也逐步增加，并逐步趋于稳定；无关击穿放电的次数，C2H2在总烃气体含量中的占比始终是最高的。
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