單酯絕緣油紙絕緣系統(tǒng)的熱老化特性研究

黃青丹，宋浩永，王 煒，陳于晴

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司廣州供電局電力試驗(yàn)研究院，廣東 廣州 510410）

0 引言

油浸式變壓器主要使用絕緣油作為液體絕緣介質(zhì)，絕緣油在變壓器中主要起到絕緣和散熱的作用[1]。近年來(lái)，出于環(huán)保目的的考慮，酯類(lèi)絕緣油在變壓器中的應(yīng)用量日益增加。目前所使用的酯類(lèi)絕緣油主要有天然酯絕緣油、合成酯絕緣油及單酯絕緣油等[2]，其中天然酯絕緣油與合成酯絕緣油均為K 級(jí)難燃油，燃點(diǎn)均超過(guò)300℃。但天然酯絕緣油的氧化安定性較差，意味著天然酯絕緣油變壓器對(duì)密封工藝要求很高，一旦漏氣，天然酯絕緣油會(huì)迅速氧化。且天然酯絕緣油及合成酯絕緣油的運(yùn)動(dòng)黏度比礦物絕緣油高近4 倍，導(dǎo)致天然酯絕緣油及合成酯絕緣油的散熱性能較差。

2008 年日本開(kāi)發(fā)出了棕櫚酸酯（PFAE），IEC 62770:2013 將其命名為單酯絕緣油，其主要特點(diǎn)是氧化安定性?xún)?yōu)于天然酯絕緣油，運(yùn)動(dòng)黏度較天然酯絕緣油及合成酯絕緣油的低，但單酯絕緣油的燃點(diǎn)較天然酯絕緣油大幅降低，僅略高于礦物絕緣油。目前變壓器行業(yè)使用的單酯絕緣油主要成分為棕櫚酸酯或月桂酸酯，用其替換礦物絕緣油可提升變壓器的散熱性能及環(huán)保特性。

變壓器在運(yùn)行過(guò)程中，受到電場(chǎng)、溫度以及機(jī)械應(yīng)力等作用，會(huì)發(fā)生絕緣油裂化、絕緣紙裂解的現(xiàn)象[3-7]，其中溫度的影響更大，因而需要通過(guò)加速熱老化試驗(yàn)來(lái)評(píng)估油紙絕緣系統(tǒng)的熱老化壽命[8]。凡勇等[9]研究表明，植物絕緣油能起到延長(zhǎng)絕緣紙熱壽命的作用，這主要是因?yàn)橹参锝^緣油的吸水能力強(qiáng)于礦物絕緣油；LIAO R J 等[10]研究表明，植物絕緣油的老化產(chǎn)物中主要是高分子酸，礦物油的老化產(chǎn)物中主要是低分子酸，低分子酸會(huì)加快絕緣紙的老化，而高分子酸對(duì)絕緣紙的老化影響不大；梁帥偉[11]研究表明，高分子酸會(huì)與絕緣紙發(fā)生酯交換反應(yīng)，抑制纖維素在熱應(yīng)力下的水解作用，并且高分子酸與絕緣紙中纖維素之間的酯交換反應(yīng)和酯中羰基氧原子與水分子形成的氫鍵具有聯(lián)合抗老化能力。

但單酯絕緣油對(duì)絕緣紙老化壽命的影響規(guī)律目前尚不明確，尤其是在不同溫度、不同氣體環(huán)境下，絕緣紙老化壽命的變化規(guī)律沒(méi)有定論。為此，本文對(duì)比研究氮?dú)饧翱諝猸h(huán)境下，單酯絕緣油及礦物絕緣油在130℃及140℃下的熱老化特性，為單酯絕緣油變壓器的壽命評(píng)估提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 試驗(yàn)

1.1 試樣

油樣選取國(guó)內(nèi)某公司生產(chǎn)的單酯絕緣油，以及國(guó)內(nèi)某潤(rùn)滑油公司生產(chǎn)的礦物絕緣油。絕緣紙?jiān)嚇舆x取魏德曼公司生產(chǎn)的牛皮絕緣紙，厚度為0.075 mm。絕緣油與絕緣紙的質(zhì)量比為20∶1。單酯絕緣油的分子結(jié)構(gòu)為月桂酸甲酯或棕櫚酸甲酯，本研究使用的DL-7 單酯絕緣油的成分為棕櫚酸甲酯，分子結(jié)構(gòu)如圖1 所示。單酯絕緣油及礦物絕緣油的常規(guī)參數(shù)如表1所示。

表1 兩種絕緣油的典型參數(shù)Tab.1 Typical parameters of two insulating oils

圖1 棕櫚酸甲酯分子結(jié)構(gòu)Fig.1 Molecular structure of methyl palmitate

1.2 絕緣油脫水脫氣處理

絕緣油中的水分及氧氣對(duì)其熱老化特性有重要影響，因此在老化試驗(yàn)前，必須對(duì)絕緣油進(jìn)行脫水脫氣處理[12]。具體方法為：將油樣置于真空抽濾瓶中，使用磁力加熱攪拌臺(tái)在抽濾瓶底部加熱、攪拌并抽真空4 h 以上，礦物絕緣油加熱溫度為60℃，單酯絕緣油加熱溫度為70℃。處理后的單酯絕緣油含水量小于20 μL/L，處理后的礦物絕緣油含水量小于10 μL/L。

絕緣紙的老化也容易受水分和氧氣的影響，因而也需要對(duì)絕緣紙進(jìn)行脫水脫氣處理。首先，將牛皮絕緣紙剪裁成長(zhǎng)條形并置于干燥潔凈托盤(pán)內(nèi)，放入烘箱在105℃條件下烘干24 h，烘干結(jié)束后立即用預(yù)處理后的油樣覆蓋紙表面，之后將紙放入真空罐內(nèi)，注入可浸沒(méi)牛皮絕緣紙的絕緣油，在室溫下對(duì)其進(jìn)行抽真空處理。真空罐中氣壓保持在70 Pa以下，時(shí)間為4 h，抽真空結(jié)束后通入氮?dú)猓褂徒堅(jiān)?01.325 kPa 下繼續(xù)浸漬12 h。按照DL/T 449—2015 對(duì)油浸紙的含水量進(jìn)行測(cè)量，測(cè)得油浸紙的含水量低于0.5%，滿(mǎn)足DL/T 596—2005對(duì)電力變壓器中絕緣紙水分含量的要求。

1.3 老化試驗(yàn)

在油紙絕緣熱老化過(guò)程中，老化溫度越高，絕緣紙老化的速率越快。因此，油紙絕緣在較低溫度下長(zhǎng)時(shí)間老化的規(guī)律可以通過(guò)在較高溫度下短時(shí)間加速老化進(jìn)行分析[13]。本研究選取130℃及140℃兩個(gè)溫度，在氮?dú)饷芊夂涂諝饷芊鈼l件下進(jìn)行不同時(shí)間的加速熱老化試驗(yàn)（130℃下老化時(shí)間為100、200、300、400、500、700、900 h，140℃下老化時(shí)間為100、200、300、400、500 h），將油紙絕緣放入密閉的老化罐中，然后置于預(yù)先設(shè)定好溫度的烘箱內(nèi)實(shí)施熱老化處理，達(dá)到規(guī)定老化時(shí)間后從罐中取出油紙絕緣樣品，在25℃的恒溫槽內(nèi)靜置48 h 后進(jìn)行后續(xù)測(cè)試。

1.4 測(cè)試方法

酸值按照NB/SH/T 0836—2010進(jìn)行測(cè)試；油中含水量按照GB/T 7600—2014 進(jìn)行測(cè)試；拉伸強(qiáng)度按照GB/T 12914—2018進(jìn)行測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 酸值

酸值代表絕緣油中的游離酸含量，可反映絕緣油的老化狀態(tài)[14]。單酯絕緣油分子中含有脂肪酸基，因而其酸值一般高于礦物絕緣油。熱老化前后絕緣油中酸值含量如表2所示。

表2 油紙絕緣老化前后絕緣油的酸值Tab.2 Acid value of insulating oil before and after ageing of oil-paper insulation單位：mgKOH/g

由表2 可見(jiàn)，老化前單酯絕緣油的酸值高于礦物絕緣油，老化后兩者的酸值差異更大，單酯絕緣油熱老化后的酸值超過(guò)了1.5 mgKOH/g，而礦物絕緣油的酸值還保持在0.1 mgKOH/g 以下。表明老化后單酯絕緣油的酸值增幅遠(yuǎn)高于礦物絕緣油。但酯類(lèi)絕緣油老化后形成的酸主要為長(zhǎng)鏈酸，對(duì)變壓器中金屬的腐蝕性較弱。此外，在空氣密封條件下，兩種絕緣油的酸值均高于氮?dú)饷芊鈼l件下，說(shuō)明空氣中的氧氣會(huì)加快絕緣油的老化速度，造成絕緣油酸值的升高。

2.2 含水量

絕緣油含水量一般指絕緣油中溶解的水分與絕緣油的質(zhì)量比[15]。當(dāng)絕緣油中水分含量較大時(shí)，會(huì)對(duì)絕緣油的介電特性產(chǎn)生不利影響，一般而言，水分對(duì)礦物油介電特性的影響高于酯類(lèi)絕緣油。老化前后兩種絕緣油的含水量測(cè)試結(jié)果如表3 所示。由表3 可見(jiàn)，老化前單酯絕緣油含水量小于20 mg/kg，老化后大幅增大，在兩種氣體密封環(huán)境下均達(dá)到200 mg/kg 以上。而礦物絕緣油含水量在老化前小于5 mg/kg，雖然老化后有一定的增大，但僅達(dá)到21～27 mg/kg。這是由于單酯絕緣油的飽和水含量更大，親水性更強(qiáng)，老化時(shí)絕緣紙中的水分逐漸向單酯絕緣油中轉(zhuǎn)移，水分平衡后，造成單酯絕緣油中的水分更多。這也側(cè)面證明單酯絕緣油對(duì)絕緣紙產(chǎn)生了“干燥”的效果。兩種油紙絕緣系統(tǒng)中的水分平衡關(guān)系[16]如圖2所示。由圖2可見(jiàn)，當(dāng)紙中水分含量相當(dāng)時(shí)，單酯絕緣油中的含水量大于礦物絕緣油。

表3 油紙絕緣老化前后絕緣油的含水量Tab.3 Water content in before and after ageing of oil-paper insulation單位：mg/kg

圖2 單酯絕緣油及礦物絕緣油與絕緣紙中的水分平衡關(guān)系Fig.2 Balance relationships of water in insulating paper and monoester insulating oil and mineral insulating oil

2.3 拉伸強(qiáng)度

拉伸強(qiáng)度是指在拉伸試驗(yàn)中試樣承受的最大拉伸應(yīng)力，一般認(rèn)為絕緣紙的拉伸強(qiáng)度小于其初始值的50%時(shí)，其壽命達(dá)到終點(diǎn)[17]。氮?dú)猸h(huán)境及空氣環(huán)境下老化前后絕緣紙的拉伸強(qiáng)度如圖3所示。由圖3可見(jiàn)，在兩種氣氛條件下，拉伸強(qiáng)度均隨著老化時(shí)間的增加而下降。從溫度的影響來(lái)看，老化溫度越高，拉伸強(qiáng)度的下降速率越快。從圖3(a)可以看出，氮?dú)猸h(huán)境中，130℃下，兩種絕緣油中的絕緣紙拉伸強(qiáng)度近似于線性下降，下降速度較慢；140℃下，兩種絕緣油在老化0～100 h 時(shí)，絕緣紙拉伸強(qiáng)度緩慢下降，隨老化時(shí)間的繼續(xù)增加，絕緣紙的拉伸強(qiáng)度迅速下降；在兩種老化溫度下，單酯絕緣油中絕緣紙的老化速度均慢于礦物絕緣油，溫度為130℃時(shí)，單酯絕緣油中絕緣紙的老化速度略慢于礦物絕緣油，溫度為140℃時(shí)，單酯絕緣油中絕緣紙的老化速度較礦物絕緣油大幅減緩。從圖3(b)可以看出，空氣環(huán)境中，兩種絕緣油的拉伸強(qiáng)度下降速度較氮?dú)猸h(huán)境中快，說(shuō)明空氣促進(jìn)了兩種絕緣油中絕緣紙的老化。130℃下，兩種絕緣油中絕緣紙?jiān)跓崂匣?00 h 后拉伸強(qiáng)度迅速下降；140℃下，兩種絕緣油在老化0～100 h 時(shí)，絕緣紙的拉伸強(qiáng)度小幅降低，老化時(shí)間為100～300 h，絕緣紙的拉伸強(qiáng)度迅速下降，之后趨于平穩(wěn)；兩種溫度下，單酯絕緣油中絕緣紙的拉伸強(qiáng)度總體上略高于礦物絕緣油，但兩者的差值較氮?dú)庵写蠓鶞p小。

圖3 老化前后絕緣紙的拉伸強(qiáng)度Fig.3 Tensile strength of insulating paper before and after ageing

以拉伸強(qiáng)度降低至初始值的50%為壽命終點(diǎn)，在氮?dú)猸h(huán)境下，對(duì)圖3(a)使用二次函數(shù)進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果如圖4(a)所示，確定系數(shù)R2均大于0.97，表明擬合較好。從圖4(a)中擬合曲線方程計(jì)算得到，當(dāng)老化溫度為130℃時(shí)，絕緣紙?jiān)诘V物絕緣油中的壽命約為1 166 h，在單酯絕緣油中的老化壽命約為1 268 h；當(dāng)老化溫度為140℃時(shí)，絕緣紙?jiān)诘V物絕緣油中的壽命約為311 h，在單酯絕緣油中的老化壽命約為403 h，證明在氮?dú)鈼l件下單酯絕緣油相對(duì)礦物絕緣油可以延長(zhǎng)絕緣紙的熱老化壽命，在130℃時(shí)延長(zhǎng)了約8.7%，在140℃時(shí)延長(zhǎng)了約29.6%。空氣環(huán)境下，由于曲線平滑度較差，使用線性函數(shù)對(duì)130℃下的500～900 h 老化曲線進(jìn)行擬合，擬合得到絕緣紙?jiān)诘V物油中的壽命約為809 h，在單酯絕緣油中的老化壽命約為811 h。使用線性函數(shù)對(duì)140℃下的200～300 h 老化曲線進(jìn)行擬合，求得空氣條件下絕緣紙?jiān)诘V物油中的老化壽命約為280 h，在單酯絕緣油中的老化壽命約為284 h，證明在空氣條件下單酯絕緣油相對(duì)礦物絕緣油也可延長(zhǎng)絕緣紙的老化壽命，在130℃下延長(zhǎng)了0.2%，在140℃下延長(zhǎng)了1.4%。

圖4 老化前后絕緣紙拉伸強(qiáng)度擬合曲線Fig.4 Fitting curves of tensile strength of insulating paper before and after ageing

總體來(lái)看，氮?dú)鈼l件下，單酯絕緣油中的絕緣紙老化速度慢于礦物絕緣油中絕緣紙的老化速度。而空氣條件下，絕緣紙?jiān)趦煞N絕緣油中的老化速度無(wú)明顯差異。造成上述現(xiàn)象的原因可能是：首先，單酯絕緣油對(duì)水分的吸收能力較強(qiáng)，降低了絕緣紙中的水分含量，如圖1所示，而水分是促使絕緣紙老化的關(guān)鍵因素之一，進(jìn)而減緩了絕緣紙的老化速度；其次，單酯絕緣油在老化中會(huì)發(fā)生水解反應(yīng)，從而進(jìn)一步消耗水分，抑制水分對(duì)絕緣紙降解的影響，水解反應(yīng)如式（1）所示；最后，單酯絕緣油水解產(chǎn)生的脂肪酸會(huì)與絕緣紙表面的羥基發(fā)生酯交換反應(yīng)，在絕緣紙表面形成保護(hù)膜，從而減少水分對(duì)絕緣紙的侵入。但由于單酯絕緣油的水解率很低，后面兩個(gè)影響因素的作用較弱。

3 結(jié)論

（1）油紙絕緣老化后，單酯絕緣油中的酸值及水分含量均高于礦物絕緣油。

（2）在氮?dú)猸h(huán)境中，在140℃老化溫度下，單酯絕緣油中的絕緣紙拉伸強(qiáng)度隨老化時(shí)間的下降速度慢于礦物絕緣油中的絕緣紙，即絕緣紙?jiān)趩熙ソ^緣油中的熱老化壽命相較于礦物絕緣油中更長(zhǎng)。

（3）單酯絕緣油中的絕緣紙?jiān)诘獨(dú)猸h(huán)境中的熱老化壽命較礦物絕緣油中延長(zhǎng)幅度較大，而在空氣環(huán)境中，單酯絕緣油中的絕緣紙老化壽命僅略?xún)?yōu)于礦物絕緣油中，兩者較為接近。