降温过程中微水对变压器油介电性能的影响

郭文敏　侯宪昆　刘丹

摘 要：作为大型变压器的主要绝缘形式，变压器油的介电性能直接决定了变压器能否稳定运行。为了探寻降温过程中微水对变压器油介电性能的影响，以45号变压器油为研究对象，利用自行搭建的高压低温实验平台，研究了-50～20 ℃范围内初始微水含量、空间位置及平均降温速率对变压器油介电性能的影响。研究结果表明：初始微水含量相同时，变压器油的电导率、相对介电常数和损耗因数按空间位置自上到下依次增加，同一空间位置变压器油的电导率、相对介电常数，损耗因数随平均降温速率增大而增大。上述现象表明降温过程中微水的存在会导致变压器油介电性能劣化，所以为确保低温环境下变压器稳定运行，应严格控制变压器油中的水分含量。

关键词：绝缘；变压器油；微水；介电性能；低温

中图分类号：TM 404

文献标志码：A

文章编号：1007-449X（2018）01-0072-05

0 引 言

由于具有優良的电气绝缘性能，变压器油被广泛应用于大型电力变压器和互感器的绝缘系统中，其绝缘性能直接决定了变压器和互感器能否安全稳定地运行。长期以来国内外学者对变压器油的各种性能做了全面的研究。研究结果表明，影响变压器油绝缘性能的主要因素是水分和温度[1-5]。其中水分会改变变压器油中的电场，同时会在电场下产生集聚引发局部放电；温度过高会导致变压器油老化，降低变压器油的电气强度，同时会产生一些老化副产物进而引发局部放电最终导致击穿[6-7]。总的来说，温度和水分的作用是相互促进的，二者共同影响着变压器油的性能。

这些研究的温度范围都是基于常温甚至是高温的，而关于低温以及低温降温过程中变压器油的性能研究的报道很少。低温天气对电气设备的正常运行造成很大影响，其中比较典型且危害较大的就是主变压器轻瓦斯保护误动。吉林通化地区和双阳地区的主变压器都曾因温度过低导致瓦斯继电器及连管中变压器油凝固，使得变压器轻瓦斯保护动作[8-9]。事实上，近几年由于冬季极低温天气引起的油纸绝缘电力变压器和高压互感器事故呈现逐年增加的趋势。

众所周知，运行中油纸绝缘变压器的绝缘中不同程度地含有微量水分，变压器的饱和吸水浓度强烈依赖于温度，温度越高变压器油饱和微水含量越高[10-11]。为此，当温度降低时，出现油中含水量高于对应温度下的饱和浓度时，部分微水将从油中析出，即出现了相分离现象，变压器油和微水构成的复合体系将不再是单一、均质材料，介电性能将有所变化。

因此，本文实验研究了降温过程中微水对变压器油介电性能的影响，以期为极低温度条件下变压器的设计与运行维护提供理论与实验依据。

1 试样制备及测试

1.1 试样制备

实验选用新疆克拉玛依生产的45号变压器油为研究对象。试样制备过程如下：取适量变压器油并注入一定水分，搅拌均匀后置入烘箱中加热至80 ℃使水分充分溶解于变压器油中，然后冷却至室温并进行抽真空处理，去除油样内部的气泡后密封待用。

1.2 测试

本研究主要针对的是低温情况下变压器油的介电性能，考虑到我国东北及西部高海拔地区冬季的最低温度，实验温度范围选取为-50～20 ℃，低温环境利用超低温冰箱实现。

实验容器选用耐油、耐低温的有机玻璃桶，具体尺寸为：高700 mm，外径300 mm，内径280 mm。电极采用三电极系统，为保证在高度方向上试样厚度相同，把电极系统固定在尼龙绝缘支架上，高压极板和绝缘支架间采用螺栓固定，支架和电极尺寸如图1所示。沿容器高度方向自上而下放置的5组三电极系统，分别标记为电极1、电极2……电极5，并且在每组电极旁安置一个温度传感器实时监测油中的温度，传感器、测试极引线及高压线由油桶盖上预留的两个微孔引出。

电极系统置入容器中后，将制备好的油样缓慢注入容器中再次进行抽真空处理，然后密封放入冰箱中进行测试，测试温度间隔为5 ℃。

2 降温过程中变压器油的电导特性

2.1 不同空间位置变压器油的电导特性

在初始微水含量为22.5 ppm，平均降温速率1.7 ℃/h的条件下对不同空间位置处的变压器油的电导特性进行测试，结果如图2所示。

从图2可以看出变压器油的电导率随温度降低呈先增大后减小的趋势，且在-10 ℃附近出现峰值，该峰值沿实验容器自上而下（电极1～5）依次增大。

出现上述现象的原因是：随着温度下降，变压器油的饱和吸水浓度下降，当油中含水量高于对应温度下的饱和浓度时，一部分水就会从油中析出，构成变压器油和微水的复合体系。在-10 ℃的临近温度附近复合体系中的微水达到最大值，电导率达到峰值；随着温度继续下降，变压器油饱和吸水浓度越来越低，油的粘度逐渐增大，复合体系中的微水含量增大并凝结成冰滴，导致复合体系中的冰滴增多，冰的电导率比水小，所以复合体系电导率下降。之所以会出现电导率沿实验容器自上而下（电极1～5）依次增大的现象，推断其原因可能是因为变压器油中的水析出后，首先由于浓度差的原因会发生扩散现象，同时由于水（冰）的密度比油大，在扩散过程中还会伴有沉降过程；而在温度比较低的情况下，扩散过程较弱，使沉降过程起主导作用，导致沿空间位置自上而下复合体系中水分（冰）含量增加，电导率增大。

2.2 不同初始微水含量变压器油的电导特性

在初始微水含量分别为16.9 ppm、22.5 ppm、29.6 ppm，平均降温速率为1.7 ℃/h的条件下对降温过程中变压器油的电导率进行测试，变化趋势与图2相似，这里不再赘述。作图比较不同初始微水含量下电极3处的电导率，结果如图3所示。

从图3可以看出：初始微水含量越高，变压器油的电导率峰值越大，且其出现峰值的温度向高温方向移动。这是因为随温度降低，初始微水含量越高的油样其微水含量越先达到对应温度下的饱和浓度，导致从油中析出的水分越多，混合溶液中水分达到最大值的温度值越高，电导率值就越大。

2.3 不同平均降温速率下变压器油的电导特性

在东北地区，经常会发生由于气温骤降引起电力设备出现故障的现象；因此本文还实验研究了不同平均降温速率下变压器油的电导特性，不同平均降温速率通过在实验容器上包裹不同厚度的橡塑保温板来实现。

在初始微水含量为22.5 ppm，不同平均降温速率条件下对降温过程中变压器油的电导率进行测试，各电极处变压油的电导随温度的变化趋势相同，所以以电极3为例进行分析。不同平均降温速率下电极3处的电导率-温度曲线如图4所示。

图4的实验结果表明：平均降温速率对变压器油电导率有一定的影响，平均降温速率越快，变压器油的电导率越大，电导率达到峰值时的温度越低。这可能是因为，平均降温速率越快，变压器油析出的水分在混合溶液中没有充足的时间发生沉降，微水悬浮在油中，导致混合溶液的电导率值较大。

3 降温过程变压器油的交流介电特性

纯变压器油的损耗，主要由电导损耗产生，当变压器油含有极性物质的时候，会产生极化损耗，大大降低变压器油的介电性能。水是强极性物质，水分的增加无疑会降低变压器油的介电性能，所以实验研究了降温过程中水分对变压器油极化和损耗特性的影响。

3.1 不同空间位置变压器油的交流介电特性

在初始微水含量为23.8 ppm，平均降温速率1.7 ℃/h的条件下对不同空间位置处的变压器油的极化和损耗特性进行测试，结果如图5所示。

可以看出：温度降低相对介电常数单调递增，损耗角正切值先增大后减小，在某临界温度下出现峰值；沿实验容器自上而下的方向二者均增大。

出现上述现象的原因是：变压器油为弱极性电介质，随着温度降低，其体积减小，密度增大，所以单位体积分子数增加，故相对介电常数增加；此外，随着温度的降低，变压器油的饱和吸水浓度下降，一部分水会从油中析出，水的相对介电常数是81，所以微水的增加必然直接导致复合体系相对介电常数增加；损耗因数的变化规律与电导率的变化规律相同，即其损耗主要由电导损耗构成，具体原因不再赘述。

3.2 不同初始微水含量变压器油的交流介电特性

为了研究初始微水含量对变压器油极化和损耗特性的影响，又研究了初始微水含量分别为20.1 ppm和30.3 ppm条件下不同空间位置变压器油的损耗特性，变化趋势与2.1节相同，以电极3处的结果进行分析，结果如图6所示。

从图6可以看出，随着初始微水含量的增加，相对介电常数和损耗因数增大，且损耗因数出现峰值的温度向高温方向移动。水是强极性介质，其含量增加必然导致复合体系的相对介电常数增大；而且水是导体，所以初始微水含量高的变压器油的损耗因数也必然明显增大。

3.3 不同平均降温速率变压器油的交流介电特性

保持初始含水量23.8 ppm不变，平均降温速率分别为1.7 ℃/h、1.5 ℃/h、1.2 ℃/h，测试电极3处的交流介电特性，结果如图7所示。

从图7可以看出，平均降温速率对相对介电常数影响不大，但是损耗因数随平均降温速率增大而增大，其变化规律与电导率变化规律相同，再次印证了其损耗主要为电导损耗这一推断。

4 结 论

1）在降温过程中，变压器油箱中自上而下变压器油的电导率、相对介电常数和损耗因数逐渐增大，该现象说明降温过程中微水从油中析出后，沉降过程起主导作用。

2）在降温过程中，变压器油的电导率、相对介电常数和损耗因数随初始微水含量增大而增大，即变压油的介电性能随初始微水含量增加而劣化，因此在低温环境下应用的变压器应严格控制其初始微水含量。

3）平均降温速率越快，其电导率值，相对介电常数，损耗角正切值越大，因此在严寒天气应做好预防措施避免由于气温骤降导致变压器故障。

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（編辑：邱赫男）