電氣絕緣液與結構材料相容性試驗方法標準討論綜述

李紫勇， 宋浩永， 黃青丹， 黃慧紅， 王煒

（廣東電網有限責任公司廣州供電局，廣東 廣州 510620）

0 引 言

未來低碳網絡和智能電網的發展對電力系統設備所使用的絕緣材料性能提出了更高的要求，以應對設備更加動態和不穩定的運行條件。在電氣設備中，絕緣液起著絕緣、滅弧、散熱的作用，是電氣設備中非常重要的絕緣材料[1-2]，結構材料起著機械支撐、絕緣和密封的作用。絕緣液和結構材料的良好配合為充油電氣設備提供了可靠的電氣絕緣保障。IEC 60050-212:2010對材料相容性的定義為“材料共同使用時在各個方面不受任何損害的性能，是表征幾種材料是否適合組合使用的指標”[3]。電氣設備運行過程中，絕緣液會與電氣設備內部的結構材料相接觸，結構材料會影響絕緣液的性能，同時絕緣液在溫度、氧氣、水分等物質的作用下也可能使結構材料的性能發生變化[4]。電氣設備中絕緣液和結構材料的相容性不僅影響電氣設備的結構設計和安全容量，還直接關系到電氣設備的使用壽命和安全穩定運行[5-6]。因此，制定合適的電氣絕緣液與結構材料相容性試驗方法，開展電氣絕緣液與結構材料的相容性研究是至關重要的。

隨著海上風電和牽引變壓器等采用高溫絕緣系統場景的應用越來越廣泛，基于ASTM D3455:2019[7]的結構材料與絕緣液相容性試驗方法所規定的試驗溫度單一，大多數為100℃，無法涵蓋IEC 60076-14:2013[8]所定義的所有耐熱等級。其次，現有的相容性試驗方法局限于單一絕緣液，無法同時涵蓋天然酯、合成酯和改性酯等多種絕緣液。最后，在對相容性測試結果的考察上，現有相容性試驗標準均以結構材料對絕緣液的影響作為主要評判依據，檢測項目不包括結構材料的性能，忽視了絕緣液對結構材料的影響，事實上結構材料性能劣化也會對變壓器運行產生影響，如密封圈失效會引發變壓器漏油等事故。另外，HUANG Q D等[9]在關于環氧內壁漆與天然酯的相容性研究中發現，當試驗時間小于168 h時，浸漬內壁漆的絕緣液介質損耗因數符合在役天然酯變壓器的限值要求，即0.15，但當測試時間延長至672 h時，介質損耗因數測試結果超過該限值要求，說明基于ASTM D3455:2019的164 h并不足以發現潛在問題。

隨著環境友好型絕緣液在不同領域的應用，現有結構材料與絕緣液相容性試驗方法標準不完善帶來的潛在風險將更加突出。為了解決現有結構材料與絕緣液相容性試驗方法標準的不足，統一和規范各種充油電氣設備中的相容性試驗方法，廣東電網有限責任公司廣州供電局提出IEC 63177《電氣絕緣液與結構材料相容性試驗方法》的標準提案。本文主要對變壓器、電力電容器、電纜終端和油冷電機中的絕緣液與結構材料的相容性試驗方法標準進行對比討論，并簡要介紹IEC 63177提案。

1 變壓器相容性試驗方法標準

變壓器作為電網中關鍵部件之一，負責電壓的轉換和能量的傳輸，其運行的可靠性至關重要[10]。礦物油憑借其良好的電氣絕緣性能與冷卻性能被用于液浸式變壓器已有一百多年歷史，但隨著國內外對于變壓器絕緣液防火安全和環境友好特性的關注，燃點為165℃左右且生物降解率低于30%的礦物油難以滿足防火與環保的需求，高燃點且可生物降解的替代絕緣液逐漸成為液體電介質研究與應用的新熱點。天然酯和合成酯具有良好的環保特性，且燃點高，缺點是黏度高且天然酯的氧化安定性較弱，天然酯和合成酯的分子結構分別如圖1、圖2所示[11]。變壓器中的結構材料種類繁多，包括絕緣紙板、絕緣墊塊、硅鋼片、漆包線、漆類、密封圈、絕緣管、絕緣螺栓等[12]。國內外發布了若干變壓器絕緣液與結構材料的相容性試驗方法標準，下面對這些標準進行詳細介紹。

圖1 天然酯結構圖Fig.1 Structure diagram of natural ester

圖2 合成酯結構圖Fig.2 Structure diagram of synthetic ester

1.1 試驗方法標準

目前，對變壓器結構材料與電氣絕緣液的相容性試驗方法做出規定的主要有7個標準，如表1所示，國際上最常使用和參考的標準是ASTM D3455:2019[7]。這些標準均是將裝有結構材料試樣及絕緣液試樣的試驗容器和單獨裝有參考絕緣液試樣的試驗容器同時放置于烘箱中，在特定的溫度下加熱一段時間后，從烘箱中取出，冷卻至室溫后測試絕緣液試樣或結構材料試樣的性能，比較試驗絕緣液試樣和參考絕緣液試樣各項性能的差異并判定相容性優劣。各標準主要在絕緣液類型、絕緣液和結構材料試驗比例、材料的預處理、試驗溫度、試驗時間、試驗項目及其給定限值上有所區別。

表1 變壓器結構材料與電氣絕緣液的相容性試驗方法標準Tab.1 Test method standards of compatibility between structural materials and electrical insulating liquids for transformer

1.2 標準比較

將表1中的7個相容性試驗方法標準進行對比分析，結果如表2所示。從表2可以看出，現有的變壓器結構材料與電氣絕緣液的相容性試驗方法標準試驗溫度較為單一（大多數為100℃）、試驗時間較短（不超過168 h），而且在評定參數上以變壓器結構材料對絕緣液的影響作為主要的評判依據，忽略了絕緣液對結構材料的影響。

表2 7種變壓器結構材料與電氣絕緣液的相容性試驗方法標準對比分析Tab.2 Comparison analysis of seven test method standards of compatibility between structural materials and electrical insulating fluids for transformer

ASTM D3455:2019[7]所規范的是礦物絕緣油與電力設備結構材料相容性的試驗方法。在試驗前，將結構材料放入溫度為105℃的烘箱中干燥16 h，干燥完成后將絕緣液與結構材料放入容積為1 L的試驗容器中，向絕緣液中持續通入氮氣吹掃10 min，然后密封試驗容器開始試驗。絕緣液與結構材料的比例在標準中有明確規定，并且指明該比例為實際變壓器中結構材料表面積與絕緣液體積比例的4倍。該標準規定的相容性試驗溫度為（100±1）℃，試驗時間為164 h，評定參數為絕緣液的界面張力、酸值、擊穿電壓、介質損耗因數和色度，并給出參考油樣的限值。該標準所規定的試驗溫度與礦物油和纖維素紙組成的絕緣系統的耐熱等級所對應的溫度105℃較為接近，但與天然酯和纖維素紙組成的絕緣系統的耐熱等級所對應的溫度120℃、合成酯和熱改性紙組成的絕緣系統的耐熱等級所對應的溫度155℃相差較大，不適用于開展結構材料與天然酯、合成酯等環境友好型絕緣液的相容性試驗。國內電力行業標準DL/T 1836—2018[19]還是參考ASTM D3455:2011制定的。

ASTM D5282:2020[13]考察的是硅油與電力設備用結構材料的相容性。試樣的預處理方法與ASTM D3455:2019一致，除了墊片、纖維素紙與絕緣液的比例外，結構材料與絕緣液的比例也與ASTM D3455:2019一致。該標準規定的試驗溫度為（120±1）℃，試驗時間為168 h。建議評定參數較多，包括絕緣液的燃點、黏度、酸值、擊穿電壓、介質損耗因數、色度、電阻率和揮發物百分比，標準中還給出了參考油樣上述參數的限值。

巴西技術標準協會制定的ABNT NBR 16431-2015[14]考察的是天然酯絕緣液與電氣設備用結構材料的相容性。預處理過程和結構材料比例也與ASTM D3455:2019一致，試驗溫度為（100±1）℃，試驗時間為164 h，評定參數為絕緣液的黏度、酸值、擊穿電壓、介質損耗因數和色度。標準還給出了參考油樣和試驗油樣的限值。

IEC 60588-5:1979[15]所考察的是多氯聯苯與變壓器結構材料的相容性，雖然多氯聯苯因其毒性已于20世紀60年代停止使用，但是其相容性試驗方法仍具有一定的參考價值。該標準規定的試驗溫度為（100±1）℃，試驗時間為168 h，試樣的預處理與生產制造過程中的處理方式保持一致，固體材料和多氯聯苯絕緣液有確定的比例并且與實際變壓器中兩種材料比例的平均值一致。評定參數為絕緣液的酸值、介質損耗因數和色度，并給出了參考油樣和試驗油樣的限值。

由中國電器工業協會標準化工作委員會提出的T/CEEIA 437—2020《天然酯型絕緣油與結構材料相容性試驗方法》[16]和T/CEEIA 436—2020《合成有機酯型絕緣油與結構材料相容性試驗方法》[17]的預處理過程和材料比例也與ASTM D3455:2019一致。試驗溫度均規定為絕緣系統耐熱等級所對應的溫度，試驗時間為164 h。T/CEEIA 437—2020規定的相容性試驗后的評定參數為天然酯的外觀、擊穿電壓、運動黏度、介質損耗因數和酸值。T/CEEIA 436—2020規定的相容性試驗后的評定參數為合成酯的外觀、酸值、擊穿電壓和介質損耗因數。兩個標準均給出了空白油樣和試驗油樣上述評定參數的限值。

JB/T 8448.1—2018《變壓器類產品用密封制品技術條件 第1部分：橡膠密封制品》[18]規定了密封制品與變壓器用礦物絕緣油的相容性試驗方法。預處理過程和材料比例也與ASTM D3455:2019一致，相容性試驗溫度為100℃，試驗時間為164 h。該標準建議的評定參數為變壓器絕緣油的介質損耗因數，并給出了與丁腈基橡膠、丙烯酸酯橡膠、氟橡膠和氟硅橡膠等6種橡膠老化試驗后介質損耗因數的限值。另外，該標準還規定了密封制品浸漬變壓器油后的壓縮永久變形和耐變壓器油性能試驗方法。

現有的關于變壓器結構材料與絕緣液的相容性試驗方法標準，主要是針對礦物油和硅油，ABNT NBR 16431-2015雖然考察的是天然酯，但其試驗溫度和試驗時間均與礦物油的測試標準ASTM D3455:2019一致，其試驗溫度與天然酯的耐熱等級對應溫度相差較大；T/CEEIA 437—2020和T/CEEIA 436—2020雖然將試驗溫度提高到絕緣系統的耐熱等級所對應的溫度，但其測試時間較短，在天然酯與內壁漆的相容性試驗研究中發現，測試時長小于168 h時不足以發現潛在的不相容風險[9]。關于變壓器結構材料與天然酯、合成酯等替代絕緣液之間的相容性試驗亟需開展進一步研究。

2 電力電容器相容性試驗方法標準

電力電容器是用于電力網絡的電容器，是一種靜止的無功補償設備，其主要作用是向電力系統提供無功補償，提高功率因數，減少輸電線路輸送的電流，起到減少線路能量損耗和壓降、改善電能質量和提高設備利用率的重要作用。液體介質浸漬劑作為電容器的主要絕緣介質之一，可以填充固體介質中的空隙，提高介質的電氣強度，改善局部放電特性和散熱條件等[20]。國內外廣泛使用的浸漬劑有烷基苯（AB油）、苯基二甲苯基乙烷（簡稱PXE，又稱S油）、苯基乙烷基乙烷（PEPE）、單/雙芐基甲苯（簡稱M/DBT，又稱C101）[21]。我國電容器行業目前最常用的是芐基甲苯類浸漬劑。電容器結構材料包括聚丙烯薄膜、橡膠墊片、絕緣管、絕緣螺栓等[22]。電容器結構材料和浸漬劑的相容性好壞直接影響著電容器的性能。

IEC 60588-6:1979[23]所規范的是氯化聯苯浸漬液與電容器結構材料的相容性試驗方法。雖然多氯聯苯因其毒性已被禁用，但該方法仍具有參考價值。該方法規定了結構材料紙、塑料薄膜、鋁箔、紙板及可溶性材料與多氯聯苯的具體試驗比例，明確了纖維素類材料需要在105℃烘箱預處理16 h。試驗過程中將包含400 mL氯化聯苯與結構材料試樣的試驗油樣和參考油樣放入老化烘箱中，試驗溫度為（100±1）℃，試驗時間為168 h，試驗結束后對油樣的介質損耗因數進行測定。該標準對試驗油樣和空白油樣的介質損耗因數均給出了限值。

IEC 60674-3-1:2021[24]中8.7節提到了電容器薄膜和浸漬劑的相容性試驗方法。標準中建議根據供需雙方商定的方法進行相容性試驗，例如可根據薄膜在浸漬液中的溶脹或溶解性，或根據薄膜或浸漬液受污染的特性來確定薄膜和浸漬劑的相容性。標準注明鑒于目前可供使用和正在開發的用于電容器的浸漬劑種類繁多，未規定具體的試驗方法和限值。

JB/T 11052—2010《電容器用壓嵌式絕緣套管技術條件》[25]中4.16.1節介紹了橡膠墊片的相容性試驗方法。將800 mL試驗油樣與2.5 g橡膠墊片放入試驗容器中，之后將試驗油樣和參考油樣放入溫度為（100±1）℃的恒溫箱中，試驗時間為96 h。該標準要求測試試驗前后油樣的介質損耗因數和擊穿電壓，并建議試驗前后介質損耗因數的變化率不超過15%。另外，該標準在4.16.2節考察了絕緣液對固體材料的影響，規定將厚度壓縮到一定比率的橡膠墊與800 mL油樣在（100±1）℃的恒溫箱中，歷時96 h后，測試橡膠墊質量變化，并觀察外觀變形情況，規定質量變化率不超過10%。

上述電容器結構材料和浸漬劑的相容性試驗標準均給出了具體試驗步驟和要求，試驗溫度均為100℃，試驗時間最長為168 h，各標準均對油樣的介質損耗因數進行判定，而對結構材料的性質關注較少。

3 電纜終端相容性試驗方法標準

隨著我國經濟的快速發展，城市用電急劇增加，電網的建設及改造更新項目日益增多，高壓電纜在輸電線路上的使用也越來越廣泛。與高壓電纜本體相比，受電纜終端本身結構、制作、連接及運行條件復雜性的影響，電纜終端屬于相對薄弱環節，電纜終端和接頭發生的故障在電纜運行故障中占較大比例[26-27]。電纜終端套管與應力錐之間一般充以硅油、聚丁烯或聚異丁烯絕緣油作為絕緣填充劑[28]，應力錐材料主要有硅橡膠和三元乙丙橡膠[29]。為保證電纜長期運行的可靠性，除了絕緣填充劑和應力錐性能需要滿足設計要求外，電纜終端油與電纜終端內部結構材料應有良好的相容性。

GB/T 11017.3—2014《額定電壓110 kV（Um=126 kV）交聯聚乙烯絕緣電力電纜及其附件 第3部分：電纜附件》[30]中規定：高壓電纜附件內的液體絕緣填充劑應與相接觸的絕緣材料及結構材料相容。對乙丙橡膠應力錐推薦采用硅油或聚異丁烯作為絕緣填充劑，對硅橡膠應力錐推薦采用聚異丁烯或高黏度硅油作為絕緣填充劑。然而，國內外均無測定電纜終端油和結構材料相容性的具體試驗方法標準，需求方一般結合供貨方的技術條件書和以往經驗來進行試驗。因此，制定電纜終端油和結構材料相容性的試驗方法標準尤為迫切。

4 油冷電機相容性試驗方法標準

因能源危機和環境問題愈演愈烈，電動汽車產業得到快速發展，電動汽車將成為未來汽車產業發展的方向，目前已有荷蘭、德國、英國等國家，以及我國海南省等地區明確了禁售燃油汽車時間表。電機作為電動汽車的三大核心部件之一，對車輛的安全駕駛和運行壽命具有重要影響[31]。對于油冷型電動車電機，電機絕緣材料與自動變速箱油（ATF油）直接接觸，因此用于變速箱的油品需要與電機結構材料具有良好的相容性。電機的主要結構材料有絕緣浸漬樹脂、電磁線、柔軟復合材料、槽楔、橡膠密封件、絕緣軟套管、綁扎帶等[32]。下面介紹潤滑油及ATF油與油冷電機結構材料的相容性相關標準。

4.1 潤滑油與橡膠的相容性試驗方法標準

電機中大部分密封件和襯墊由橡膠制成，如果橡膠與潤滑油不相容，則會導致潤滑油泄漏。國內外關于橡膠和潤滑油相容性的試驗方法標準有很多。這些標準均是在特定溫度下，將橡膠在潤滑油中浸漬一段時間，對橡膠浸漬前后某些參數的變化進行評定。

GM 6297M:1995[33]為通用公司于1995年制定的用于評定DEXRON-Ⅲ ATF油性能的標準，其中包括該油與多種橡膠相容性的試驗要求。該標準建議試驗溫度為（150±1）℃，試驗時間為70 h，評定參數為橡膠浸漬前后的體積變化和硬度變化，并給出了多種橡膠的限值。

ASTM D4289:1997[34]規定了潤滑酯和液體潤滑劑與橡膠的相容性試驗方法，評定參數為橡膠的體積變化、硬度變化和密度變化，試驗溫度為（100±2.5）℃（氯丁橡膠）或（150±2.5）℃（丁腈橡膠），試驗時間為（70±0.5）h。標準還特別提到若橡膠制品面臨較大撓曲、溫度及應力苛刻的應用場合，應增加其評定參數，如拉伸強度、斷裂伸長率，才能更加真實地反映橡膠的相容性。國內石油化工行業標準SH/T 0429—2017[35]就是參照ASTM D4289:1997制定的。

歐洲協調委員會制定的CEC-L-39-96規定了4種橡膠與車用潤滑油的相容性試驗方法。其中氟橡膠、丙烯酸酯橡膠、硅橡膠的試驗溫度為（150±2）℃，丁腈橡膠的試驗溫度為（100±2）℃，試驗時間為168 h，評定參數為體積、硬度、拉伸強度和斷裂伸長率。國內石油化工行業標準NB/SH/T 0877—2014[36]就是參考該標準制定的。

表3為潤滑油與橡膠相容性試驗方法標準。表中所列標準均將橡膠體積和硬度作為評定參數，ASTM D2000:2018[37]和CEC L-39-96增加了拉伸強度和斷裂伸長率作為評定參數，ASTM D4289和SH/T 0429增加了密度作為評定參數。ISO 1817[38]、ISO 13226[39]和ASTM D471[40]均將質量、體積、硬度、拉伸強度和斷裂伸長率作為評定參數。對比表3所有列舉標準，其中ISO 1817考察的橡膠參數最多，相容性評判標準最為苛刻。

表3 潤滑油與橡膠相容性試驗方法標準測試參數對比Tab.3 Comparison on testing parameters of compatibility test method standards between lubricating oil and rubbers

4.2 ATF油與油冷電機結構材料的相容性試驗方法標準

目前國內外尚無已發布的ATF油與油冷電機結構材料相容性試驗方法的相關國家標準。各主要生產廠商所參照的相容性試驗方法與評判標準均不相同，主要區別在于：試驗時間的長短、油中是否需要添加水分、試驗容器內部壓力的大小、試驗溫度的選取、結構材料和ATF的評定參數以及限值大小。中國電器工業協會標準化工作委員會所提出的T/CEEIA 415—2019[41]《新能源汽車驅動電機絕緣結構 技術要求》對ATF油與油冷電機結構材料的相容性試驗方法進行了規范。由中國汽車工業協會車用電機電器電子分會提出的《車用直接油冷電機及其材料兼容性技術要求與驗證方法》團體標準也對ATF油與油冷電機結構材料的相容性試驗方法進行了規定，該標準目前還沒有發布。

5 IEC 63177提案

機械支撐、電氣絕緣和密封是結構材料在電氣設備中的主要功能。在液浸式變壓器中，結構材料在近幾十年內大多采用基于礦物油的絕緣系統，隨著高溫絕緣系統的發展與應用，高閃點高可靠性的硅油、合成酯和天然酯類產品均已商品化，關于變壓器結構材料如密封圈、漆包線、內壁漆等與天然酯、合成酯等絕緣液間的相容性測試也亟待展開研究。此外，用于電動汽車的油冷電機為了滿足散熱的要求也增加了電氣結構材料接觸不同絕緣液的可能性。因此，對于液浸式變壓器、油冷電機和電力電容器等液浸式電氣設備，迫切需要一種測試多種電氣絕緣液與結構材料相容性的試驗方法。

廣東電網有限責任公司廣州供電局開展了一系列不同結構材料與礦物油、天然酯、合成酯及改性酯等多種絕緣液間的相容性試驗研究，并在2020年2月提出了《電氣絕緣液與結構材料相容性試驗方法》的IEC標準新提案。該提案中按照變壓器、電容器和油冷電機三類設備規范了結構材料和絕緣液的相容性試驗方法，適用于礦物油、硅油、合成酯、天然酯和改性酯等多種絕緣液。試驗溫度為絕緣系統耐熱等級所對應的溫度（變壓器可根據絕緣系統耐熱等級選擇105、120、130、155℃，油冷電機可根據絕緣系統耐熱等級選擇155℃或180℃），滿足IEC 60076-14:2013[8]所定義的高溫絕緣系統的應用需求；試驗時間建議每168 h為1個循環，測試4個循環。該標準除了測試絕緣液的性能外，對結構材料的測試項也進行了規定，其中變壓器絕緣液的測試項目為界面張力、酸值、擊穿電壓、介質損耗因數、色度和外觀，并建議將水分含量作為可選項進行測試；結構材料給出了漆包線和密封圈等的建議測試項。該標準確保了全球電氣設備行業將通過公認且統一的方法進行結構材料與電氣絕緣液的相容性測試。

6 結束語

根據目前國際上較為常用的電氣絕緣液與結構材料的相容性試驗方法標準可以看出：現行相容性試驗方法標準所涉及的絕緣液主要是傳統絕緣液，沒有包括合成酯、天然酯及改性酯等新型絕緣液；試驗溫度較為單一，無法涵蓋IEC 60076-14:2013中所定義的所有耐熱等級；測試時間較短，大部分在168 h以內，不容易發現某些潛在問題；在對相容性測試結果的考察上，缺少對結構材料試驗項目的具體要求，忽視了絕緣液對結構材料的影響。

由廣東電網有限責任公司廣州供電局牽頭制定的IEC 63177改善和解決了現有相容性試驗方法標準的不足，該標準已于2022年7月發布了第三稿技術委員會草案，下一步將發布征求意見草案，預計于2025年前發布。