服役后大豆基天然酯變壓器與礦物油變壓器解體對比分析

魏 賓，王 遠(yuǎn)，任雙贊，朱紅梅，楊 磊，徐 陽

（1.國網(wǎng)陜西省電力公司咸陽供電公司，陜西 咸陽 712000；2.西安交通大學(xué) 電力設(shè)備電氣絕緣國家重點實驗室，陜西 西安 710049；3.國網(wǎng)陜西省電力公司電力科學(xué)研究院，陜西 西安 710000）

0 引言

近年來天然酯因其較好的防火性能和易生物降解等優(yōu)點，被越來越多地用在變壓器中[1-3]。據(jù)美國嘉吉公司統(tǒng)計，截止2017年，全球已有約200萬臺天然酯變壓器服役[4]。實驗室研究結(jié)果表明，天然酯相比礦物油具有延長纖維素紙壽命的優(yōu)勢[5-6]，但其氧化安定性較差[7]。實際服役后變壓器中纖維素紙的老化程度尚缺乏直接的評判證據(jù)。

油中溶解氣體分析(DGA)是診斷服役電力變壓器內(nèi)部故障的重要技術(shù)方法，對于天然酯變壓器的DGA分析方法，CIGRE和IEEE均給出了技術(shù)導(dǎo)則[8-9]。對于服役后天然酯變壓器的DGA數(shù)據(jù)，國際同行正在做大量的收集工作，如澳大利亞昆士蘭大學(xué)D MARTIN等[10-13]對17臺無故障天然酯變壓器進(jìn)行了長達(dá)10年的DGA數(shù)據(jù)跟蹤分析，認(rèn)為天然酯變壓器中乙烷和氫氣的產(chǎn)生與故障無對應(yīng)關(guān)系。嘉吉公司也認(rèn)為在天然酯變壓器中出現(xiàn)相對礦物油變壓器中更高比例的乙烷和氫氣是正常的。CIGRE D1.213報告指出乙烷是天然酯氧化導(dǎo)致的雜散氣體[14]。

國內(nèi)服役的天然酯變壓器總數(shù)不多[15]，國家電網(wǎng)陜西電力公司于2011年投運了約100臺天然酯配電變壓器，南方電網(wǎng)廣州公司也于2018年1月投運了我國首臺110 kV天然酯變壓器。由于與國際同行所用的油紙絕緣材料可能存在不同，需要對我國服役天然酯變壓器的DGA數(shù)據(jù)進(jìn)行跟蹤和收集，為DGA標(biāo)準(zhǔn)的制定提供數(shù)據(jù)積累。

本研究選取服役7年的礦物油與天然酯配電變壓器各一臺進(jìn)行解體分析，將退役后的礦物油與天然酯的理化性能、纖維素紙的聚合度(DP)與含水量進(jìn)行對比，分析其老化程度。同時對9臺在運中的天然酯配電變壓器取油樣測量油中溶解氣體，以評估其絕緣狀態(tài)。

1 實驗

1.1 退役變壓器解體分析實驗

1.1.1 退役變壓器的主要參數(shù)與負(fù)載情況

兩臺配電變壓器均為2018年5月于陜西咸陽退役，其主要參數(shù)如表1所示，所用絕緣液體分別為大豆基天然酯與25#礦物油。其年度負(fù)載曲線如圖1所示，天然酯變壓器的平均負(fù)荷為88 kW，在2017年1月出現(xiàn)了21天的過載，期間最大負(fù)載為314 kW；礦物油變壓器的平均負(fù)荷為51 kW，無過載歷史。

表1 退役變壓器的主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of decommissioned transformers

圖1 變壓器年度負(fù)載曲線Fig.1 Annual loading curves of two transformers

1.1.2 變壓器解體

解體前從變壓器中取油進(jìn)行理化性能實驗。將變壓器吊芯后分別從高壓側(cè)繞組中部匝數(shù)的上、中、下3部分取纖維素紙測量聚合度及含水量，取樣位置如圖2所示，觀察絕緣組件的狀態(tài)無明顯異常。由于變壓器低壓側(cè)繞組為箔式繞組，無法取低壓側(cè)纖維素紙進(jìn)行分析。

1.2 在運變壓器油DGA實驗

取油的變壓器均為2011年掛網(wǎng)的大豆基天然酯配電變壓器，取油樣時間為2019年9月，總計9臺10 kV配電變壓器。取油后立即在實驗室采用氣相色譜儀進(jìn)行油中溶解氣體分析。

圖2 變壓器的解體Fig.2 Decomposition of transformer

1.3 測試方法

對于所取油樣和紙樣，按照表2標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行性能測試。

表2 測試標(biāo)準(zhǔn)Tab.2 Test standards

2 變壓器解體分析結(jié)果與討論

2.1 絕緣油理化性能分析

分別測試兩種絕緣油的理化性能，結(jié)果如表3～4所示。由表3～4可知，在服役7年后，變壓器中的大豆基天然酯性能均能夠滿足比合格值更嚴(yán)格的未使用天然酯的典型值要求；礦物油除傾點高于-40℃要求外，其余性能均滿足合格值要求。

對比表3和表4的測試結(jié)果，大豆基天然酯的黏度遠(yuǎn)大于礦物油，黏度高會影響變壓器的散熱性能。天然酯的飽和含水量約為1 000 mg/kg，礦物油的飽和含水量約為90 mg/kg[16]。本次實驗中，天然酯的含水量為24.8 mg/kg，高于礦物油的含水量5.9 mg/kg，但天然酯的相對含水量為2.5%，而礦物油的相對含水量為6.6%。T SUZUKI等[17]研究發(fā)現(xiàn)在含水量低于200 mg/kg時，水分對天然酯電氣強度的影響非常微小，E GOCKENBACH等[18]對天然酯進(jìn)行不同含水量下的介質(zhì)損耗因數(shù)測試，也發(fā)現(xiàn)在含水量低于200 mg/kg時，水分對其幾乎沒有影響。

表3 大豆基天然酯性能測試結(jié)果Tab.3 Test results of soybean-based natural ester

表4 礦物油性能測試結(jié)果Tab.4 Test results of mineral oil

2.2 變壓器纖維素紙分析

礦物油變壓器與大豆基天然酯變壓器中均使用纖維素紙，纖維素紙的含水量測試結(jié)果如圖3所示，聚合度測試結(jié)果如圖4所示。

圖3 纖維素紙中含水量Fig.3 Water content in Kraft paper

圖4 纖維素紙聚合度Fig.4 DP of Kraft paper

由圖3可知，礦物油中纖維素紙平均含水量為1.77%，大豆基天然酯中纖維素紙平均含水量為0.67%，礦物油中纖維素紙平均含水量為天然酯中纖維素紙中含水量的2.5倍。這是由于天然酯的飽和含水量遠(yuǎn)高于礦物油，且天然酯的親水性較礦物油高。纖維素紙中含水量低會降低紙的水解老化速率，能在一定程度上延長變壓器的壽命。

由于變壓器熱點處于距離繞組上部約1/5處，預(yù)期纖維素紙上中部的聚合度相對較低。從圖4可以看出，大豆基天然酯變壓器纖維素紙的聚合度最低為857，礦物油變壓器纖維素紙的聚合度最低為603。假設(shè)纖維素紙的初始聚合度相似，說明大豆基天然酯變壓器中纖維素紙聚合度下降程度遠(yuǎn)低于礦物油變壓器中。另外，由圖1可知大豆基天然酯變壓器的整體負(fù)載高于礦物油變壓器，且曾出現(xiàn)約1.57倍的額定負(fù)載，故可以判斷大豆基天然酯相比礦物油對纖維素紙的老化有延緩作用。

3 大豆基天然酯變壓器油樣分析

對9臺在運的10 kV大豆基天然酯變壓器取油后測試其油中溶解氣體含量，結(jié)果如表5所示。IEEE C57.155-2014規(guī)定不同概率下的氣體含量如表6所示。表5中的典型值為概率為90%統(tǒng)計的大豆基天然酯變壓器油中溶解氣體值，從表5～6可以看出，2號變壓器油中溶解氣體含量超過（90%統(tǒng)計值）但未超過95%統(tǒng)計值，而4、5、6號變壓器油中溶解氣體含量超過95%統(tǒng)計值但未超過98%統(tǒng)計值。

表5 在運變壓器DGA測試結(jié)果Tab.5 DGA test results of transformers in operation

表6 IEEE C57.155規(guī)定不同概率下的氣體含量Tab.6 Gas content under different probability specified by IEEE C57.155

由于IEC TC14尚未正式頒布針對天然酯變壓器的DGA方法，若將傳統(tǒng)的三比值法和Duval三角形應(yīng)用于判斷天然酯變壓器故障則會存在一定的誤差。近年由Duval提出的Duval五邊形法被認(rèn)為是可用于天然酯變壓器故障的DGA分析方法[19]。

將前述2、4、5、6號4臺變壓器的油中溶解氣體含量結(jié)果繪入Duval五邊形中，如圖5所示，可見4臺變壓器的油中溶解氣體含量均位于Duval五邊形中的T1區(qū)域，即4臺大豆基天然酯變壓器均可能存在低于300℃的熱故障[19]。根據(jù)IEEE C57.155-2014要求，這4臺變壓器是否存在熱故障需進(jìn)一步觀察與測試。

圖5 存在故障變壓器的Duval五邊形Fig.5 Duval pentagon of transformers with fault

4 結(jié)論

本研究解體分析了兩臺服役年限約7年的大豆基天然酯變壓器及礦物油變壓器，對9臺服役的10 kV大豆基天然酯變壓器取油樣進(jìn)行DGA測試分析，得出以下結(jié)論：

（1）服役7年后解體變壓器中大豆基天然酯的理化性能均能夠滿足典型值要求，礦物油除傾點高于-40℃要求外，其余性能均滿足合格值要求。

（2）解體分析的礦物油變壓器中纖維素紙平均含水量為1.77%，最低聚合度為603。大豆基天然酯變壓器中纖維素紙平均含水量為0.67%，最低聚合度為857。結(jié)合年度負(fù)載曲線可以證實天然酯較礦物油對纖維素紙的老化有延緩作用。

（3）參照IEEE C57.155-2014標(biāo)準(zhǔn)，對選取的9臺在運中天然酯變壓器進(jìn)行油中溶解氣體分析，其中4臺超過該標(biāo)準(zhǔn)中90%的天然酯變壓器油中溶解氣體含量，表明可能存在低于300℃的潛伏低溫過熱缺陷。