礦物油變壓器注換兩種酯類絕緣油的研究

盧兆軍，袁 飛，郝 泉，安樹懷，李 沐

（國(guó)網(wǎng)山東省電力公司，山東 濟(jì)南 264000）

0 引言

變壓器作為電網(wǎng)中最重要的變電設(shè)備，其安全穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)電網(wǎng)至關(guān)重要。目前液浸式變壓器多采用礦物油作為絕緣及冷卻介質(zhì)，礦物絕緣油具有良好的電氣、理化性能，原料來源廣泛，成本低廉，但其存在燃點(diǎn)低以及生命周期結(jié)束后難以降解和處理等缺點(diǎn)，同時(shí)礦物油源于石油，在特殊時(shí)期原料可能會(huì)受到一定制約[1-2]。隨著社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)絕緣油的環(huán)保性和可再生特性提出了更高的要求，近年來酯類絕緣油在變壓器中的應(yīng)用量日益增加。目前所使用的環(huán)保型酯類絕緣油主要有天然酯絕緣油及改性天然酯絕緣油，天然酯絕緣油（俗稱植物絕緣油）由天然的油料（大豆、油菜籽等）經(jīng)過壓榨（或浸出）、精煉、復(fù)配等工藝制備而成，是一種新型環(huán)保液體絕緣介質(zhì)，由于天然酯絕緣油具備較高的燃點(diǎn)，可達(dá)到300℃以上，微生物降解率超過98%，可有效改進(jìn)礦物油防火安全性較低以及難以降解的缺點(diǎn)。單酯絕緣油也稱植物系絕緣油或改性天然酯絕緣油等，其主要成分為脂肪酸單酯，分子中的脂肪酸部分主要源于天然油料作物，單酯絕緣油的電氣性能與天然酯絕緣油相當(dāng)，其燃點(diǎn)介于礦物油與天然酯絕緣油之間，此外還具備運(yùn)動(dòng)黏度低的優(yōu)點(diǎn)，目前市場(chǎng)上主要的單酯絕緣油產(chǎn)品為DL-7，因其分子中的脂肪酸絕大多數(shù)為飽和脂肪酸，因此其抗氧化性也較強(qiáng)。由于單酯絕緣油的運(yùn)動(dòng)黏度較低、散熱特性優(yōu)良，特別適用于小型化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的變壓器，可減少變壓器材料的使用，達(dá)到節(jié)約資源的目的。

近年來，酯類絕緣油不僅在新投運(yùn)的變壓器中取得了廣泛應(yīng)用，而且在現(xiàn)有的老舊礦物油變壓器中也可使用酯類絕緣油對(duì)變壓器中的礦物油進(jìn)行更換，稱之為變壓器油的注換（retrofill）。目前主要使用天然酯絕緣油對(duì)傳統(tǒng)礦物油變壓器進(jìn)行注換，有助于提升原礦物油的防火安全性、環(huán)境友好性等特性，并可延長(zhǎng)固體絕緣材料的熱老化壽命，因而國(guó)內(nèi)外已有諸多使用天然酯絕緣油注換老舊礦物油變壓器的案例，但使用單酯絕緣油注換老舊礦物油變壓器的案例目前較為少見[3-4]。本研究針對(duì)老舊礦物油變壓器注換單酯絕緣油進(jìn)行研究，并與天然酯絕緣油的注換方案進(jìn)行對(duì)比分析，研究?jī)?nèi)容主要包括混油后絕緣油的介電、理化特性及注換后變壓器的整體特性。

1 混合油的電氣理化特性

使用酯類絕緣油對(duì)老舊礦物油變壓器進(jìn)行注換時(shí)，必然存在兩種絕緣油混合的情況，研究表明，使用酯類絕緣油清洗并注換礦物油變壓器后，變壓器中的礦物油含量在4%以下，若不進(jìn)行清洗直接注換，其含量一般在7%以下。因此評(píng)估變壓器注換酯類絕緣油的可行性，首先要研究混油后的電氣及理化特性。

1.1 原材料

選取的典型礦物油為國(guó)內(nèi)廣泛應(yīng)用的中國(guó)石油潤(rùn)滑油公司生產(chǎn)的KI25X型變壓器油，單酯絕緣油為上海櫻花化研化工科技有限公司生產(chǎn)的DL-7，天然酯絕緣油為廣東卓原新材料科技有限公司生產(chǎn)的RAPO。依據(jù)DL/T 1811—2018的要求對(duì)3種絕緣油進(jìn)行常規(guī)電氣、理化特性測(cè)試，結(jié)果如表1所示。

表1 3種絕緣油的常規(guī)電氣理化特性Tab.1 Conventional electrical and physicochemical properties of three insulating oils

1.2 試樣制備

由于絕緣油中所含水分、氣體等雜質(zhì)會(huì)對(duì)其電氣、理化特性產(chǎn)生影響，因而首先對(duì)試驗(yàn)中使用的所有絕緣油樣進(jìn)行脫水脫氣預(yù)處理。具體處理流程：首先對(duì)絕緣油進(jìn)行初步過濾，除去絕緣油中的固體雜質(zhì)，之后將絕緣油轉(zhuǎn)入抽濾瓶中，對(duì)其抽真空，同時(shí)進(jìn)行加熱，以除去絕緣油中的水分和氣體，抽濾瓶中的氣壓控制在80 Pa以下，溫度保持在55～60℃，處理時(shí)間為4 h，確保處理后的礦物油水分含量低于10 mg/kg，酯類絕緣油水分含量低于20 mg/kg。

將處理后的酯類油與礦物油進(jìn)行混合，混合油中酯類油和礦物油的體積比分別為0%∶100%、5%∶95%、10%∶90%、30%∶70%、50%∶50%、75%∶25%、90%∶10%、95%∶5%及100%∶0%。

1.3 試驗(yàn)方法

分別依據(jù)GB/T 507—2002《絕緣油擊穿電壓測(cè)定法》、GB/T 5654—2007《液體絕緣材料相對(duì)電容率、介質(zhì)損耗因數(shù)和直流電阻率的測(cè)量》、GB/T 265—1998《石油產(chǎn)品運(yùn)動(dòng)黏度測(cè)定法和動(dòng)力黏度計(jì)算法》及GB/T 3536—2008《石油產(chǎn)品閃點(diǎn)燃點(diǎn)測(cè)定法》測(cè)試混合后絕緣油的擊穿電壓、體積電阻率、運(yùn)動(dòng)黏度及開口閃點(diǎn)等4個(gè)參數(shù)。

1.4 混合油的電氣理化特性測(cè)試結(jié)果

擊穿電壓是絕緣油電氣特性中最核心的參數(shù)之一，代表了絕緣油的絕緣能力，一般要求處理后的絕緣油在2.5 mm標(biāo)準(zhǔn)間隙下的工頻擊穿電壓大于70 kV。兩種混合油在2.5 mm標(biāo)準(zhǔn)間隙下的擊穿電壓隨混合油中酯類絕緣油占比的變化趨勢(shì)如圖1所示。由圖1可見，混合油的擊穿電壓隨著酯類絕緣油占比的提高略有上升，其中DL-7混合油的擊穿電壓略高于RAPO混合油，但差別不大，所有油樣的擊穿電壓均大于70 kV，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖1 混合油擊穿電壓隨酯類絕緣油含量的變化趨勢(shì)Fig.1 Change trends of breakdown voltage of mixed oil with the content of ester insulating oil

體積電阻率是反映絕緣油絕緣狀態(tài)的重要參數(shù)，體積電阻率對(duì)雜質(zhì)較為敏感，在絕緣油中混入雜質(zhì)后其體積電阻率會(huì)迅速下降。酯類絕緣油屬于極性介質(zhì)，油中的載流子要多于礦物油，因而其體積電阻率一般遠(yuǎn)低于礦物油。兩種混合油的體積電阻率隨混合油中酯類絕緣油占比的變化趨勢(shì)如圖2所示。由圖2可見，混合油的體積電阻率隨酯類絕緣油占比的提高而下降，最大差異接近兩個(gè)數(shù)量級(jí)，但當(dāng)酯類絕緣油體積分?jǐn)?shù)在10%以下時(shí)，混合油與純礦物油的體積電阻率相差不大，滿足常規(guī)礦物油變壓器的要求。

圖2 混合油體積電阻率隨酯類絕緣油含量的變化趨勢(shì)Fig.2 Change trends of volume resistivity of mixed oil with the content of ester insulating oil

液體的散熱能力與其運(yùn)動(dòng)黏度、比熱容、熱傳導(dǎo)率等參數(shù)有關(guān)，但對(duì)絕緣油來說，其運(yùn)動(dòng)黏度對(duì)變壓器的散熱影響最大[5-6]。兩種混合油在40℃下的運(yùn)動(dòng)黏度隨混合油中酯類絕緣油占比的變化趨勢(shì)如圖3所示。由圖3可見，DL-7混合油的運(yùn)動(dòng)黏度隨DL-7占比的提高而降低，即單酯油混入越多，混合油的散熱能力越強(qiáng)，而RAPO混合油的運(yùn)動(dòng)黏度隨RAPO占比的提高而升高，即天然酯混入越多，混合油的散熱能力越差。

圖3 混合油在40℃下運(yùn)動(dòng)黏度隨酯類絕緣油含量的變化趨勢(shì)Fig.3 Change trends of kinematic viscosity of mixed oil with the content of ester insulating oil at 40℃

液浸式變壓器的防火能力與所用絕緣油的燃點(diǎn)密切相關(guān)，如燃點(diǎn)高于300℃的K級(jí)絕緣液體，在使用過程中未出現(xiàn)過油池起火現(xiàn)象，燃點(diǎn)越高，變壓器的防火能力越強(qiáng)。兩種混合油的燃點(diǎn)隨混合油中酯類絕緣油占比的變化趨勢(shì)如圖4所示。

圖4 混合油燃點(diǎn)隨酯類絕緣油含量的變化趨勢(shì)Fig.4 Change trends of fire point of mixed oil with the content of ester insulating oil

由圖4可見，DL-7混合油的燃點(diǎn)隨DL-7占比的提高而輕微上升，RAPO混合油的燃點(diǎn)隨RAPO占比的提高而大幅提高，說明單酯注換后的變壓器防火能力會(huì)有輕微的提高，而天然酯注換后的變壓器防火能力將得到極大提高。

綜上，使用酯類絕緣油注換礦物油，其絕緣性能滿足變壓器的需求，僅體積電阻率有所降低。使用單酯絕緣油注換變壓器，其散熱特性及防火特性會(huì)有一定的提升。使用天然酯絕緣油注換變壓器，其散熱特性會(huì)有一定的下降，但防火特性會(huì)有較大的提升。

2 注換酯類油的變壓器特性

為驗(yàn)證采用酯類絕緣油注換礦物油變壓器的可行性，對(duì)相同結(jié)構(gòu)運(yùn)行2年后的10 kV礦物油配電變壓器進(jìn)行了酯類絕緣油注換處理，分別注換DL-7及RAPO絕緣油，并測(cè)試兩臺(tái)變壓器注換酯類絕緣油后的各項(xiàng)特性。

2.1 10 kV配電變壓器

兩臺(tái)配電變壓器是2018年制造的S13-200/10型產(chǎn)品，其參數(shù)如表2所示。

表2 S13-200/10型產(chǎn)品參數(shù)Tab.2 Parameters of S13-200/10 product

2.2 試驗(yàn)方法

采用不沖洗注換方式，首先排干原礦物油變壓器中的老舊礦物油，之后通過真空注油對(duì)兩臺(tái)10 kV配電變壓器分別注入DL-7單酯絕緣油及RAPO天然酯絕緣油。對(duì)換油前后的礦物油、DL-7混合油及RAPO混合油分別進(jìn)行了常規(guī)測(cè)試，并對(duì)注換酯類絕緣油前后的變壓器進(jìn)行試驗(yàn)，主要包括短路阻抗、電壓比、繞組電阻、負(fù)載損耗、空載損耗、工頻耐壓、繞組對(duì)地電容、絕緣電阻等測(cè)試和感應(yīng)試驗(yàn)、溫升試驗(yàn)、絕緣油試驗(yàn)等[7-8]。

2.3 換油前后絕緣油性能測(cè)試結(jié)果

換油前后3種絕緣油的常規(guī)測(cè)試結(jié)果如表3所示。由表3可見，換油后，變壓器中絕緣油含水量有較為明顯的上升，這一方面是因?yàn)轷ヮ惤^緣油中含水量本身較礦物油高，另一方面是由于酯類絕緣油的飽和含水量高于礦物油，會(huì)從纖維素固體絕緣材料中將水分“吸出”。絕緣油的體積電阻率有所下降，這可能會(huì)降低變壓器的絕緣電阻，但絕緣油的擊穿電壓有所增大，確保了注換后的變壓器不會(huì)發(fā)生絕緣故障。此外，酸值在換油后有輕微的上升。

表3 變壓器注換前后的絕緣油電氣、理化特性Tab.3 Electrical,physical,and chemical characteristics of insulating oil before and after retrofill transformer oil

2.4 變壓器換油后試驗(yàn)結(jié)果和分析

變壓器注換酯類絕緣油前后的試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 SW13-200/10變壓器換油后的試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Test results of SW13-200/10 transformer after refill

從表4可以看出，除了部分試驗(yàn)項(xiàng)目外，變壓器在換油前后大部分試驗(yàn)項(xiàng)目幾乎沒有發(fā)生明顯的變化。從更換絕緣油導(dǎo)致變壓器絕緣特性降低的風(fēng)險(xiǎn)來看，工頻耐壓、感應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果與換油前沒有變化，均通過了絕緣試驗(yàn)驗(yàn)證。在試驗(yàn)后實(shí)施的絕緣油測(cè)試中，也沒有檢測(cè)到放電產(chǎn)生的乙炔（C2H2）。因此可以判斷換油后并未導(dǎo)致絕緣特性降低或形成絕緣缺陷等，并且認(rèn)為礦物油變壓器換油填充環(huán)保型酯類絕緣油后仍具備足夠的實(shí)際應(yīng)用性能。注換酯類絕緣油后變壓器特性變化較大的項(xiàng)目主要有繞組平均溫升、繞組對(duì)地電容及絕緣電阻。

2.4.1 繞組平均溫升

變壓器的冷卻性能與絕緣油的基礎(chǔ)理化特性（比熱、熱導(dǎo)率、運(yùn)動(dòng)黏度）等有關(guān)，因此通過更換運(yùn)動(dòng)黏度更低的DL-7能提高變壓器的冷卻性能，降低最高油溫。而更換黏度更高的天然酯絕緣油RA‐PO，最高油溫將有所上升。通過仿真計(jì)算分析了變壓器溫升試驗(yàn)中不同負(fù)荷率下繞組的平均溫升，結(jié)果如圖5所示。

圖5 礦物油、DL-7油、RAPO油變壓器在不同負(fù)荷率下的繞組溫升Fig.5 Winding temperature rise of the transformers with mineral oil,DL-7 oil,and RAPO oils under different load rates

由圖5可見，在60%～115%的負(fù)荷率下，注換DL-7油可降低變壓器溫升，注換RAPO油會(huì)升高變壓器溫升，但隨著負(fù)荷率的增大，升高和降低的幅度減小。計(jì)算結(jié)果與表4中的實(shí)測(cè)結(jié)果趨勢(shì)相一致，但注換DL-7油后變壓器溫升的實(shí)測(cè)降低幅度較計(jì)算結(jié)果低，即注換DL-7油后，變壓器的溫升有所降低，但降低效果未達(dá)到計(jì)算預(yù)期。

2.4.2 繞組對(duì)地電容

變壓器繞組對(duì)地電容是反映變壓器絕緣狀況的重要參數(shù)，一般情況下，如果對(duì)地電容相較初始值發(fā)生較大變化即代表變壓器的絕緣狀態(tài)發(fā)生了明顯變化。如將變壓器簡(jiǎn)化為理想平板電容器，變壓器中的液體介質(zhì)即相當(dāng)于電容間液體介質(zhì)，而電容與其填充介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)成反比，由于酯類絕緣油的相對(duì)介電常數(shù)高于礦物油，因而礦物油變壓器注換酯類絕緣油后，其對(duì)地電容會(huì)明顯增大。從表1可知，DL-7油與RAPO油的相對(duì)介電常數(shù)分別比礦物絕緣油高34%及45%，但注換DL-7油與RAPO油后，變壓器對(duì)地電容增長(zhǎng)的幅度小于液體介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)的增加幅度，分別僅為16.4%及19.7%。這是由于繞組對(duì)地電容呈現(xiàn)為圓柱狀繞組和長(zhǎng)方體狀油箱構(gòu)成的不規(guī)則形狀，其增長(zhǎng)幅度與絕緣介質(zhì)并未線性相關(guān)。

2.4.3 絕緣電阻

變壓器的絕緣電阻對(duì)絕緣油的純凈狀態(tài)非常敏感，如絕緣油被污染，絕緣油的體積電阻率減小，則變壓器的絕緣電阻隨絕緣油體積電阻率減小而減小。由于酯類絕緣油的體積電阻率一般比礦物絕緣油小1個(gè)數(shù)量級(jí)，酯類絕緣油變壓器的絕緣電阻一般遠(yuǎn)小于礦物油變壓器，如表4所示，注換DL-7油與RAPO油后變壓器絕緣電阻分別下降了67.6%和73.6%，經(jīng)驗(yàn)表明這不會(huì)對(duì)變壓器的正常運(yùn)行造成影響。

3 結(jié)論

（1）單酯絕緣油混合礦物油后，隨單酯絕緣油占比的提高，混合油的擊穿電壓略有上升，體積電阻率大幅下降，運(yùn)動(dòng)黏度略有降低，燃點(diǎn)略有上升。天然酯絕緣油混合礦物油后，隨天然酯絕緣油占比的提高，混合油的擊穿電壓略有上升，體積電阻率大幅下降，運(yùn)動(dòng)黏度大幅提高，燃點(diǎn)大幅提高。

（2）使用單酯絕緣油注換礦物油變壓器后，變壓器的溫升有所降低，對(duì)地電容提高了16.4%，絕緣電阻下降了67.6%。

（3）使用天然酯絕緣油注換礦物油變壓器后，變壓器的溫升有所提高，對(duì)地電容提高了19.7%，絕緣電阻下降了73.6%。

綜上，使用酯類絕緣油注換老舊礦物油變壓器具備可行性，且使用單酯絕緣油進(jìn)行注換可提高變壓器的散熱能力，但應(yīng)注意注換單酯絕緣油后變壓器絕緣電阻的降低。