低温下水分含量对天然酯绝缘油介电特性的影响

孙长海，李天伦，马 塽，王春逢，苏晓敏，杭慧芳

（大连理工大学 电气工程学院，辽宁 大连 116024）

0 引言

电力变压器是输电网络中的关键设备之一，传统油浸式变压器大多是采用以石油为原料的矿物油作为液体绝缘介质，而矿物绝缘油的燃点低、防火性差，并且生物降解率低，一旦发生运行事故导致泄漏会严重危害生态环境。随着可持续发展理念的深入，我国正大力推动绿色电网的建设。天然酯绝缘油以其降解率高和燃点高等优点，逐步在采矿、军工、海上风电等诸多领域代替传统的矿物绝缘油作为液体绝缘介质[1]。天然酯绝缘油变压器相比矿物油油浸式变压器更加安全和环保，在国内外已经广泛应用于输电网络中[2]。而受地理位置差异以及季节气候变化的影响，变压器实际的工作环境会有很大不同[3]。在我国北方部分地区运行的天然酯绝缘油变压器运行环境最低温度可达-30℃，温度的降低会影响变压器油的绝缘性能；而水分是影响变压器稳定运行的主要因素，不仅会影响绝缘系统的介电性能，还会影响其内部电场分布，严重时甚至导致绝缘击穿[4]。因此研究低温条件下水分含量对天然酯绝缘油介电特性的影响具有重要意义。

近年来，很多学者对矿物油的低温击穿特性进行了研究。郭冲等[5]研究了低温条件下水分含量对矿物油击穿特性的影响，发现高水分含量的绝缘油击穿强度在-10～0℃有极值存在，水分形态随温度变化是导致绝缘油击穿强度发生变化的主要原因。徐征宇等[6]、高明[7]发现变压器油的击穿电压与温度的关系曲线呈U形，在低温范围（-20～10℃）内，矿物绝缘油的介质损耗因数基本无变化。张召涛[8]对植物绝缘油的击穿特性和频域介电性能进行了研究，发现在常温下只有含水量较高时才会严重影响天然酯绝缘油的击穿电压，介质损耗因数在10-2～100Hz频率区间存在最大值。

学者们对天然酯绝缘油的电气特性也进行了研究。李晓虎[9]研究了植物油纸的理化及电气性能，发现与矿物油相比，植物油的分子极性较大，相对介电常数与介质损耗因数较大。I L HOSIER等[10]发现橄榄油老化后导致的黏度上升是造成其交流击穿电压提高的原因，而葵花籽油在不形成水-油乳液的情况下才体现出较高的交流击穿强度和低电导率。K KAMIDANI等[11]研究了FR3绝缘油在20～120℃的交流击穿特性，发现在20～70℃条件下绝缘油的交流击穿电压随温度的升高而增大，在80～120℃时，温度对其击穿电压大小的影响不明显。

目前关于天然酯绝缘油的研究大多集中于常温和高温条件下，而关于低温条件下天然酯绝缘油的研究还鲜有报道。本文主要研究低温下水分对天然酯绝缘油绝缘特性的影响规律，为分析低温环境下天然酯绝缘油变压器的绝缘故障问题提供理论依据，为寒冷地区新型天然酯绝缘油变压器的安全维护和稳定运行提供理论支持。

1 试验

1.1 试验平台设计

低温击穿试验平台由交直流高压发生装置、智能绝缘试验箱、测试电极、高压探头示波器构成，如图1所示。

图1 低温试验平台Fig.1 Low temperature test platform

高压发生装置可分别产生0～60 kV的工频交流电压和直流电压。智能绝缘试验箱可以实现-20～150℃（步进为1℃，误差为±1℃）的温度控制，保证箱体内温度均匀分布，内部设有温度传感器可实时监测箱体内部温度。高压接入侧设有高压套管，可保证装备的良好绝缘。将高压探头连在试品高压侧，通过示波器波形精确监测试品发生击穿时的电压值。

1.2 试验样品预处理

本实验采用的植物绝缘油为FR3天然酯绝缘油，燃点为360℃，凝点为-20℃，生物降解率可达到98%。对绝缘油进行如下预处理：采用滤纸过滤去除天然酯绝缘油中的杂质，过滤不少于两次，以保证杂质尽可能滤除。设定干燥箱温度为90℃，将绝缘油放入干燥箱中保持48 h，以去除绝缘油中的气体和水分。

采用自然吸潮法制备不同含水量的绝缘油样：将干燥后的绝缘油暴露在实验室空气环境中自然吸潮，通过精密天平实时监测试样质量的变化情况，直到试品质量达到预定值，立刻放入密封瓶中，密封静置保存10 d以保证油内水分分布均匀。根据NB/SH/T 0207—2010规定，采用卡尔菲休测量法测量天然酯绝缘油样中的含水量，测得3组油样中的含水量分别为55、115、280 mg/kg，并将3组油样按含水量由低到高的顺序依次标注为sample1、sample2和sample3。

1.3 测试方法

根据GB/T 507—2002规定，对植物绝缘油采用球-球电极进行击穿试验：将油杯放入温控实验箱内，油隙距离设为1 mm，以5℃为一个温度梯度，待试品达到设定温度后，采用球隙电极进行击穿电压测量试验，加压方式采用逐步升压法，升压速率为1 kV/s，重复进行6次击穿试验，结果取平均值。

在与击穿试验相同的试验温度下进行介质损耗因数测量试验。采用标准圆形板-板电极，板电极半径为20 mm，油隙距离设定为2 mm，测量不同温度梯度下不同水分含量天然酯绝缘油的介质损耗因数(tanδ)和等效容值(Cx)。然后根据Cx=εrS/0.036πd计算出相对介电常数(εr)，其中S为圆形极板面积，d为油隙距离。试验时，在油杯中将探针式温度传感器通过导线连接至低压侧，监测实时的油温，如图2所示。

图2 油杯结构Fig.2 Oil cup structure

2 试验结果及分析

2.1 击穿特性分析

通过-5～15℃区间的降温过程发现，温度高于0℃时，天然酯绝缘油呈现为透明绿色，而当温度低于0℃后，绝缘油慢慢由透明绿色变为乳白色，这是由于随着温度的降低，天然酯绝缘油对水分的溶解度降低，使水分从溶解态的水析出转化为微小液滴，而其在低温环境下又慢慢凝结为微小冰晶，致使整个油体呈现一种乳浊态。在对低温下天然酯绝缘油的操作过程发现，随着温度的降低，其黏度也在逐渐增大，这也印证了文献[12]中的观点。

对不同含水量油样进行不同温度下的击穿试验，结果如图3所示。从图3可以看出，随着油样中水分含量的增加，天然酯绝缘油的交流击穿电压值明显减小；在降温初期，随着温度的降低，击穿电压值减小，当温度降低到一定值时，击穿电压出现极小值，随着温度的继续降低，击穿电压值增大。从图3还可以看出，天然酯绝缘油的直流击穿特性与交流击穿特性呈现相同的变化趋势，但变化幅度没有交流电压下那么明显。此外，在同一含水量条件下，天然酯绝缘油的直流击穿电压普遍低于其交流击穿电压，并且随着水分含量的增加，直流击穿特性曲线与交流击穿特性曲线逐渐接近。

图3 不同水分含量天然酯绝缘油交流与直流击穿电压随温度的变化规律Fig.3 DC and AC breakdown voltages of natural ester insulating oils with different water content with temperature

实际运行中变压器内存在水分是不可避免的，并以溶解水、游离水和乳化水3种形态存在于油中。其中，游离水和乳化水的存在会大幅影响绝缘油的击穿强度[13]。这是因为水属于极性介质，在外加电场的影响下会沿着电场方向排列，这两种水分会在外加电场的影响下形成导电“水桥”，从而显著减小天然酯绝缘油的击穿电压。而水分在天然酯绝缘油中的形态又取决于环境的温度和水分的含量。当温度较高时，天然酯绝缘油对水分的溶解度较大，水分以溶解水的形态存在，对击穿电压的影响较小。当温度缓慢降低时，天然酯绝缘油对水分的溶解度逐渐减小，溶于天然酯绝缘油中的水分会慢慢析出形成小液滴。由于水分子是极性分子，会在电场作用下拉长形成椭球液滴，这种极性椭球液滴的存在会导致局部电场畸变，同时促进导电小桥的建立，当这种小桥形成贯穿的导电通道时，会明显减小天然酯绝缘油的击穿电压。因此，在降温过程中，水分析出，绝缘油的击穿电压逐渐减小，但当温度下降到一定程度时，析出的水分液滴会逐渐转化为微小冰晶的形态，这种冰晶结构不像液滴一样易受电场影响且不易导电，致使“水桥”作用消失，而且随着重力作用可能向下沉积，与矿物绝缘油的情况相近[14]。同时温度的进一步降低，使天然酯绝缘油的黏度增大，致使击穿电压增大，这是由于绝缘油的黏度增大，与之相关的杂质离子活动能力减弱，阻碍了杂质小桥的形成，因而整体击穿电压呈现出随温度继续降低而逐渐增大的现象。

实际情况下绝缘油不是完全纯净的，内部或多或少存在一些杂质，根据小桥理论，由于油中杂质和水分的相对介电常数都比天然酯绝缘油的大，因此在电场的作用下，杂质和水分会形成同向的小桥，这种小桥的排列会影响电场的分布，导致局部放电，降低天然酯绝缘油的绝缘性能[15]，而且在直流电场下这种杂质小桥的作用更加明显，因此呈现出更小的击穿电压。

2.2 介电特性分析

2.2.1 介质损耗因数

图4为工频电压下不同水分含量天然酯绝缘油介质损耗因数(tanδ)随温度的变化规律。从图4可以看出，在工频电压作用下，降温初期，天然酯绝缘油的介质损耗因数随温度的降低逐渐增大，达到一定峰值后随温度的进一步降低而逐渐减小。

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图4 不同水分含量天然酯绝缘油介质损耗因数随温度的变化规律Fig.4 Dielectric loss factor of natural ester insulating oils with different water content with temperature

试验油样的介质损耗只需要考虑电导损耗和极化损耗。天然酯绝缘油作为弱极性电介质，在低温条件下其黏度增大，分子热运动减弱，与之相关的松弛极化过程建立缓慢，此时主要以电子位移极化过程为主导，该过程是指在外电场作用下，电介质中带正电的原子核和带负电的电子层等效中心不重合产生偶极矩，由于电子质量极小所以极化时间极短，且当外界电场消失后可迅速恢复到正常状态，相应的极化强度与外界电场强度呈正比，与外界温度变化关系不大，所以极化损耗极小[16]。实际上天然酯绝缘油在外加电场作用下，会由于带电粒子的移动而产生微小的漏导电流，这种电流流经介质时会发热，从而产生损耗。而在降温过程中，溶解水的析出会明显增大绝缘油的电导率，导致其电导损耗增大，从而使得绝缘油的介损增大。当温度进一步降低时，水分会以冰晶的形式存在，使得绝缘油的电导损耗减小，对介质损耗的贡献减小，使介质损耗因数减小。

从图4还可以看出，随着天然酯绝缘油中水分含量的增加，温度变化对绝缘油介质损耗的影响显著增大。当绝缘油中的水分较少时，温度变化对水分形态的影响不大，其介质损耗因数受温度影响变化不大；但随着水分含量的增加，不同温度下绝缘油的介质损耗均显著增加。这是由于水分作为极性电介质，其在工频电压作用下会产生偶极子极化，导致极化损耗的产生，因此随着水分含量的增加，天然酯绝缘油的极化损耗增加。

2.2.2 介电常数

图5为工频电压下不同水分含量天然酯绝缘油相对介电常数(εr)随温度的变化规律。

图5 不同水分含量天然酯绝缘油相对介电常数随温度的变化规律Fig.5 Relative dielectric constant of natural ester insulating oils with different water content with temperature

从图5可以看出，天然酯绝缘油的相对介电常数随温度升高而逐渐减小，但是变化幅度不大。前文中提到，天然酯绝缘油作为弱极性电解质在低温下以电子位移极化为主导，而电子位移极化率与温度关系不大。但由于降温过程中，天然酯绝缘油分子体积减小，使得单位体积内分子数增加，从而使介电常数轻微上升。由于水分子是极性介质，会在电场作用下发生偶极子极化，所以随着水分含量的增加，绝缘油的相对介电常数增大。

3 结论

（1）水分的存在和黏度会影响天然酯绝缘油的击穿特性。低温下天然酯绝缘油的击穿电压随着温度的降低先减小后增大，其中直流击穿电压比交流击穿电压小，随着水分含量的增加，其交、直流特性曲线逐渐接近。

（2）低温条件下，水分的形态变化影响着天然酯绝缘油的介质损耗因数，随着温度的降低，其介质损耗因数呈现出先增大后减小的趋势，在-5～0℃存在最大值，但在低含水量下，温度对其介质损耗因数影响不大。

（3）水分含量的增加会增大天然酯绝缘油的工频相对介电常数，温度变化对天然酯绝缘油的相对介电常数影响不大，随温度降低呈现出轻微上升的趋势。