在交直流电场下不同烃组成变压器油的析气性研究

于会民，张培恒，范兴琳，马书杰

(中国石油兰州润滑油研究开发中心，中国石油润滑油重点实验室，新疆 克拉玛依 834003)

在交直流电场下不同烃组成变压器油的析气性研究

于会民，张培恒，范兴琳，马书杰

(中国石油兰州润滑油研究开发中心，中国石油润滑油重点实验室，新疆 克拉玛依 834003)

在交流、直流及交流叠加直流电场下，进行不同烃组成变压器油析气性研究，同时考察添加剂对油析气性影响情况。研究结果表明，油中芳烃含量是决定变压器油析出气体还是吸收气体的关键因数；相同温度和电场强度下，纯交流电场下油的析气或吸气最大，交直流叠加电场次之，纯直流电场下最小；在规定的使用量下，添加剂对油的析气性没有明显影响。

烃组成 变压器油 电场 析气性

变压器油执行的产品标准主要有两类，一类是国际和国家标准如GB 2536—2011[1]、ASTM D3487—2009[2]和IEC 60296—2012[3]等，在ASTM D3487—2009标准中规定变压器油的析气性小于+30 mm3min的要求；另一类是变压器油制造商或设备运营商的执行标准，如典型的标准有中国石油企业标准QSY RH2097—2012[4]、ABB公司变压器油技术要求1ZBA 117 001-2标准[5]和SIEMENS公司变压器油技术要求TUN 901293标准[6]。在SIEMENS公司变压器油技术要求TUN 901293中提出换流变压器用油析气性小于-10 mm3min的要求。

用于直流输电的特高压换流变压器和一般超高压交流变压器不同，其每相除具有一个超高压网侧绕组外，还有一个到两个全绝缘的超高压直流用阀侧绕组。阀侧绕组除承受一般交流变压器的交流和冲击电压外，还要承受叠加的直流电压作用，而交流电压和直流电压对绝缘的作用完全不同[7]。因此，换流变压器绝缘用油也要承受交流电场、冲击电场、直流电场和交直流叠加电场的作用，关于换流变压器绝缘用油在这些电场下的析气性能研究具有更实际的价值。

现有的变压器油析气性评定标准和公开的文献都是在交流电场下检测和研究变压器油析气性的。在直流和交直流叠加电场下，关于变压器油析气性的研究未见文献报道。本课题针对换流变压器用油的运行环境特点，对不同烃组成的变压器油，开展不同电场类型、试验温度和电场强度与其析气性的相关研究，同时考察添加剂对析气性的影响情况。其研究结论对指导换流变压器用油的生产和用户选择油品类型都具有重要的参考价值。

1 实 验

1.1 试验材料

目前，换流变压器所用的变压器油主要是中国石油天然气股份有限公司、NYNAS公司和SHELL公司的变压器油，且全部采用环烷基基础油调制而成。为此，选取3种不同烃组成的环烷基变压器油基础油作为试验材料，编号分别为样品1#、样品2#和样品3#，材料性能见表1。

表1 变压器油基础油性质

本研究采用碳型分析表示变压器油的烃组成，碳型分析是将复杂的矿物型变压器油简单地看成是由链烷烃、环烷烃和芳烃组成的单一分子，其中CA指芳碳原子占总碳原子的百分数，CN指环烷碳原子占总碳原子的百分数，CP指链烷烃碳原子占总碳原子的百分数；CA大说明矿物型变压器油组成中芳烃含量高，CN大说明矿物型变压器油组成中环烷烃含量高，CP大说明矿物型变压器油组成中链烷烃含量高。国际上，按烃组成对基础油一般分类规则如下：若基础油CP=42%～50%，则为环烷基油；若基础油CP=50%～56%，则为中间基油；若基础油CP=56%～65%，则为石蜡基油。

表1中所有样品的CP值均小于50%，说明为典型的环烷基油，其中样品3#的CA值为0，属于典型的深度精制的低芳烃环烷基油，样品1#的CA值为17.0%，属于典型的浅度精制高芳烃环烷基油。

在国内，变压器油中主要使用的添加剂为抗氧剂和钝化剂，本实验所用添加剂为抑制酚型抗氧剂和三氮唑衍生物类钝化剂，如表2所示。

表2 主要添加剂

1.2 试验方法

国内外变压器油析气性测试法有GB/T 11142—1989[8]、NB/SH/T 0810—2010[9]、ASTM D2300—2000[10]和IEC 60628—1985[11]，其中，GB/T 11142—1989参照美国试验与材料协会标准ASTM D2300—1981中B法制定，NB/SHT 0810—2010参照国际电工协会IEC 60628—1985A法制定。其试验条件是试样经氢气饱和一定时间后，在交流电压10 kV、试验温度80 ℃下持续运行一定时间，测定试样本身在单位时间内吸收或放出气体的量。

鉴于本课题将采用3种电场类型进行应用研究，需要对试验的电源进行改造。试验电源为交直流高压电源，由工频交流电源、中频倍压直流电源、隔直电容、隔交电阻及若干保护电阻组成。试验电极杯，设计了绝缘水平达到20 kV用于盛放试验样品的硅硼碳酸盐玻璃析气池，高压电极采用SUS316不锈钢材料，接地电极用纯银镀膜构成。

2 结果与讨论

2.1 不同电场下油中电场强度分布

首先要在纯交流电场、纯直流电场和交直流叠加电场下考察电场强度与样品析气性的相关性。为了计算出不同电场类型的电场强度，把析气池简化看成圆筒电容器，两电极之间由油样和玻璃组成双层绝缘介质，在交流电场下，不同绝缘介质的电场强度分布由介质的介电常数大小决定，介电常数越小，分布的电场强度越大。其交流电场下析气池内的油中某处电场强度计算式为：

(1)

其最大场强计算式为：

(2)

式中：Ex(AC)为x处的交流场强，kV/mm；Emax(AC)为油中最大交流场强，kV/mm；x为离内电极轴中心线的距离，mm；U为加载的电压，kV；ε1为绝缘油介电常数；ε2为内部硼硅酸盐玻璃管壁的介电常数；d1为高压电极的直径，mm；d2为外部硼硅酸盐玻璃管的内径，mm；d3为外部硼硅酸盐玻璃管的直径，mm。

在直流电场下，不同绝缘介质的电场强度分布由介质的体积电阻率大小决定，体积电阻率越大，分布的电场强度越大。其直流电场下析气池内某处油中电场强度计算式为：

(3)

其最大场强计算式为：

(4)

式中：Ex(DC)为x处的直流场强，kV/mm；Emax(DC)为油中最大直流场强，kV/mm；ρ1为绝缘油电阻率，Ω·m；ρ2为内部硼硅酸盐玻璃管壁的电阻率，Ω·m。

依据上述计算式，为了准确计算油中电场强度，在试验温度下进行样品的电阻率和介电常数的测量，结果见表3。

表3 不同温度下样品的电阻率和介电常数

由表3可知：在30～100 ℃范围内，变压器油样品的介电常数ε1在2.23～2.26之间，可以近似为2.2；在30～100 ℃范围内，变压器油样品的体积电阻率ρ1在1012～1014(Ω·m)之间。依据文献[12]报道：硼硅酸盐玻璃的介电常数ε2在5.0±0.2，玻璃的体积电阻率ρ2在1010～1012Ω·m(30～100 ℃)，当试验温度在40～100 ℃范围内时，施加电压分别为3，6，9 kV时，其对应不同类型电场下油中分布的最大场强见表4，其施加电压为9 kV时，不同类型电场下油和玻璃中电场强度分布见图1和图2。

表4 不同电场类型下的油中最大电场强度

图1 油中电场强度分布(9 kV)■—交流电场； ●—直流电场(ρ1/ρ2=1/10)； ▲—直流电场(ρ1/ρ2=1/100)。 图2同

图2 玻璃中电场强度分布(9 kV)

表4和图1表明，相同电压下，直流电场下油中分布的电场强度略大于交流电场下油中分布的电场强度。在直流电压下，高温度下，油与玻璃的电阻率比较值约为1/10，油中电场强度略低于低温下的。图1和图2对比结果说明，无论是交流电场还是直流电场，油中都承受最大的电场强度，说明这种析气池结果更适于直流电场下考察电场强度与油析气性的相关性研究。

2.2 交流电场下不同烃组成变压器油析气性

采用3种芳烃组成不同的变压器油样品，分别施加3，6，9 kV纯交流电压，同时，分别在40，60，80，100 ℃进行试验，考察交流电场强度和温度与析气性的关系，结果见图3。

图3 不同温度和不同交流电场强度下变压器油析气性■—40 ℃； ●—60 ℃； ▲—80 ℃； ℃。 图4、图5同

图3结果表明，随着温度升高和交流电场强度增加，变压器油的正析气(析出气体量)和负析气(吸收气体量)增大。随着样品中CA值的增大，析气性由正转负，油由析出气体状态转变为吸收气体状态。说明油中的芳烃含量对其析气性影响很大。

2.3 直流电场下不同烃组成变压器油析气性

采用3种芳烃组成不同的变压器油样品，分别施加3，6，9 kV纯直流电压，同时，分别在40，60，80，100 ℃进行试验，考察直流电场强度与析气性的关系，结果见图4。

图4 不同温度和不同直流电场强度下变压器油析气性

图4结果表明，随着温度升高和直流电场强度增加，变压器油的正析气和负析气变化不明显，与样品中CA值的大小没有直接相关性。

2.4 交直流混合电场下不同烃组成变压器油析气性

采用3种芳烃组成不同的变压器油样品，分别施加3，6，9 kV交直流混合电压，交直流电压混合比例为1∶1，同时，分别在40，60，80，100 ℃进行试验，考察交直流混合电场强度与析气性的关系，结果见图5。

图5 不同温度和交直流混合电场强度下变压器油析气性

图5结果表明，随着温度升高和交直流混合电场强度增加，变压器油的正析气和负析气明显增大，且与样品中CA值的大小有明显的相关性。这与变压器油在交流电场下析气特性规律相似。说明在交直流混合电场下，变压器油析气性的大小主要由交流电场分量的大小决定。由图5与图3对比可知，相同温度、相同电场强度下，交流电场下的析气性大于交直流混合电场下的析气性，这与交流电场分量所占比例有关。

2.5 交流电场下添加剂含量与变压器油析气性

依据目前换流变压器油的添加剂使用情况，选择抗氧剂T1，其最大用量为0.40%，钝化剂T5，其最大用量0.02%。以样品2#为原料，在80 ℃下考察不同交流电场强度下添加剂对油析气性的影响，结果见图6。

图6 80 ℃下含不同类型添加剂油(样品2#)的析气性▲—样品2#； ●—样品2#+0.02% T5； ■—样品2#+0.40% T1

图6结果表明，随着交流电场强度增加，样品的正析气增大。相同电场强度下，3个样品的测量结果相近。说明在添加剂最大加入量以内，对油的析气性没有明显影响。

3 结 论

(1) 在变压器油和硼硅酸盐玻璃组成的复合绝缘体系中，无论是交流电场还是直流电场，变压器油都承受最大的电场强度，此种析气池结果适于直流电场考察电场强度与油析气性关联性研究。

(2) 在交流和交直流混合电场下，随着温度升高和电场强度增加变压器油的正析气和负析气增大。随着样品中CA值的增大，析气性由正转负，油中的芳烃含量对其析气性影响较大。

(3) 相同温度、相同电场强度下，交流电场下油的析气性最大，交直流混合电场下次之，直流电场下最小。

(4) 在添加剂最大加入量以内，其对油的析气性没有明显影响。

[1] GB 2536—2011.电工流体-变压器油和开关用的未使用过的矿物绝缘油[S].2011

[2] ASTM D3487—2009.Standard Specification for Mineral Transformer Oil Used in Electrical Apparatus[S].2009

[3] IEC 60296—2012.Fluids for Electrotechnical Applications—Unused Mineral Insulating Oils for Transformers and Switchgear[S].2012

[5] 1ZBA 117 001-1.Material Specification：Insulating Oil—High Grade，Inhibited[S].2006

[6] TUN 901293.New Insulation Liquids for Oilfilled Transformersterms of Delivery[S].2007

[7] 罗青林.关于800 kV换流变压器主绝缘研究[J].变压器，2009，46(11)：7-9

[10]ASTM D2300—2000.Standard Test Method for Gassing of Electrical Insulating Liquids Under Electrical Stress and Ionization (Modified Pirelli Method)[S].2000

[11]IEC 60628—1985[11] Gassing of Insulating Liquids Under Electrical Stress and Ionization[S].1985

STUDY ON GASSING TENDENCY OF TRANSFORMER OIL WITH DIFFERENT HYDROCARBEN COMPOSITIONS IN ELECTRICAL FIELD

Yu Huimin， Zhang Peiheng， Fan Xinglin， Ma Shujie

(PetrochinaLanzhouLubricatingOilR&DInstitute，PetroChinaLubricantKeyLaboratory，Karamay，Xinjiang834003)

Gassing tendency of transformer oil with different hydrocarbon compositions in AC， DC electrical field or AC/DC mixed electrical field are investigated according to the standard at home and abroad. The influence of additives on gassing tendency of transformer oils was observed at the same time. The results show that the aromatics content is the key factor， which decide gassing or absorbing gas of transformer oil. At the same temperature and electric field strength， the tendency of gassing or absorbing gas of oils in AC electric field is the largest， the AC and DC mixed electric field takes the second，and the smallest value of gassing or absorbing gas is in the DC electric field. The use of additives has no obvious effect on gassing tendency of oils in specified dosage range.

hydrocarbon composition； transformer oil； electrical field； gassing property

2014-07-16； 修改稿收到日期： 2014-11-05。

硕士，高级工程师，主要从事变压器油的产品研制和性能检测工作，发表论文数篇。

于会民，E-mail：yuhuimin_rhy@petrochina.com.cn。