服役后大豆基天然酯变压器与矿物油变压器解体对比分析

魏 宾，王 远，任双赞，朱红梅，杨 磊，徐 阳

（1.国网陕西省电力公司咸阳供电公司，陕西 咸阳 712000；2.西安交通大学 电力设备电气绝缘国家重点实验室，陕西 西安 710049；3.国网陕西省电力公司电力科学研究院，陕西 西安 710000）

0 引言

近年来天然酯因其较好的防火性能和易生物降解等优点，被越来越多地用在变压器中[1-3]。据美国嘉吉公司统计，截止2017年，全球已有约200万台天然酯变压器服役[4]。实验室研究结果表明，天然酯相比矿物油具有延长纤维素纸寿命的优势[5-6]，但其氧化安定性较差[7]。实际服役后变压器中纤维素纸的老化程度尚缺乏直接的评判证据。

油中溶解气体分析(DGA)是诊断服役电力变压器内部故障的重要技术方法，对于天然酯变压器的DGA分析方法，CIGRE和IEEE均给出了技术导则[8-9]。对于服役后天然酯变压器的DGA数据，国际同行正在做大量的收集工作，如澳大利亚昆士兰大学D MARTIN等[10-13]对17台无故障天然酯变压器进行了长达10年的DGA数据跟踪分析，认为天然酯变压器中乙烷和氢气的产生与故障无对应关系。嘉吉公司也认为在天然酯变压器中出现相对矿物油变压器中更高比例的乙烷和氢气是正常的。CIGRE D1.213报告指出乙烷是天然酯氧化导致的杂散气体[14]。

国内服役的天然酯变压器总数不多[15]，国家电网陕西电力公司于2011年投运了约100台天然酯配电变压器，南方电网广州公司也于2018年1月投运了我国首台110 kV天然酯变压器。由于与国际同行所用的油纸绝缘材料可能存在不同，需要对我国服役天然酯变压器的DGA数据进行跟踪和收集，为DGA标准的制定提供数据积累。

本研究选取服役7年的矿物油与天然酯配电变压器各一台进行解体分析，将退役后的矿物油与天然酯的理化性能、纤维素纸的聚合度(DP)与含水量进行对比，分析其老化程度。同时对9台在运中的天然酯配电变压器取油样测量油中溶解气体，以评估其绝缘状态。

1 实验

1.1 退役变压器解体分析实验

1.1.1 退役变压器的主要参数与负载情况

两台配电变压器均为2018年5月于陕西咸阳退役，其主要参数如表1所示，所用绝缘液体分别为大豆基天然酯与25#矿物油。其年度负载曲线如图1所示，天然酯变压器的平均负荷为88 kW，在2017年1月出现了21天的过载，期间最大负载为314 kW；矿物油变压器的平均负荷为51 kW，无过载历史。

表1 退役变压器的主要参数Tab.1 Main parameters of decommissioned transformers

图1 变压器年度负载曲线Fig.1 Annual loading curves of two transformers

1.1.2 变压器解体

解体前从变压器中取油进行理化性能实验。将变压器吊芯后分别从高压侧绕组中部匝数的上、中、下3部分取纤维素纸测量聚合度及含水量，取样位置如图2所示，观察绝缘组件的状态无明显异常。由于变压器低压侧绕组为箔式绕组，无法取低压侧纤维素纸进行分析。

1.2 在运变压器油DGA实验

取油的变压器均为2011年挂网的大豆基天然酯配电变压器，取油样时间为2019年9月，总计9台10 kV配电变压器。取油后立即在实验室采用气相色谱仪进行油中溶解气体分析。

图2 变压器的解体Fig.2 Decomposition of transformer

1.3 测试方法

对于所取油样和纸样，按照表2标准进行性能测试。

表2 测试标准Tab.2 Test standards

2 变压器解体分析结果与讨论

2.1 绝缘油理化性能分析

分别测试两种绝缘油的理化性能，结果如表3～4所示。由表3～4可知，在服役7年后，变压器中的大豆基天然酯性能均能够满足比合格值更严格的未使用天然酯的典型值要求；矿物油除倾点高于-40℃要求外，其余性能均满足合格值要求。

对比表3和表4的测试结果，大豆基天然酯的黏度远大于矿物油，黏度高会影响变压器的散热性能。天然酯的饱和含水量约为1 000 mg/kg，矿物油的饱和含水量约为90 mg/kg[16]。本次实验中，天然酯的含水量为24.8 mg/kg，高于矿物油的含水量5.9 mg/kg，但天然酯的相对含水量为2.5%，而矿物油的相对含水量为6.6%。T SUZUKI等[17]研究发现在含水量低于200 mg/kg时，水分对天然酯电气强度的影响非常微小，E GOCKENBACH等[18]对天然酯进行不同含水量下的介质损耗因数测试，也发现在含水量低于200 mg/kg时，水分对其几乎没有影响。

表3 大豆基天然酯性能测试结果Tab.3 Test results of soybean-based natural ester

表4 矿物油性能测试结果Tab.4 Test results of mineral oil

2.2 变压器纤维素纸分析

矿物油变压器与大豆基天然酯变压器中均使用纤维素纸，纤维素纸的含水量测试结果如图3所示，聚合度测试结果如图4所示。

图3 纤维素纸中含水量Fig.3 Water content in Kraft paper

图4 纤维素纸聚合度Fig.4 DP of Kraft paper

由图3可知，矿物油中纤维素纸平均含水量为1.77%，大豆基天然酯中纤维素纸平均含水量为0.67%，矿物油中纤维素纸平均含水量为天然酯中纤维素纸中含水量的2.5倍。这是由于天然酯的饱和含水量远高于矿物油，且天然酯的亲水性较矿物油高。纤维素纸中含水量低会降低纸的水解老化速率，能在一定程度上延长变压器的寿命。

由于变压器热点处于距离绕组上部约1/5处，预期纤维素纸上中部的聚合度相对较低。从图4可以看出，大豆基天然酯变压器纤维素纸的聚合度最低为857，矿物油变压器纤维素纸的聚合度最低为603。假设纤维素纸的初始聚合度相似，说明大豆基天然酯变压器中纤维素纸聚合度下降程度远低于矿物油变压器中。另外，由图1可知大豆基天然酯变压器的整体负载高于矿物油变压器，且曾出现约1.57倍的额定负载，故可以判断大豆基天然酯相比矿物油对纤维素纸的老化有延缓作用。

3 大豆基天然酯变压器油样分析

对9台在运的10 kV大豆基天然酯变压器取油后测试其油中溶解气体含量，结果如表5所示。IEEE C57.155-2014规定不同概率下的气体含量如表6所示。表5中的典型值为概率为90%统计的大豆基天然酯变压器油中溶解气体值，从表5～6可以看出，2号变压器油中溶解气体含量超过（90%统计值）但未超过95%统计值，而4、5、6号变压器油中溶解气体含量超过95%统计值但未超过98%统计值。

表5 在运变压器DGA测试结果Tab.5 DGA test results of transformers in operation

表6 IEEE C57.155规定不同概率下的气体含量Tab.6 Gas content under different probability specified by IEEE C57.155

由于IEC TC14尚未正式颁布针对天然酯变压器的DGA方法，若将传统的三比值法和Duval三角形应用于判断天然酯变压器故障则会存在一定的误差。近年由Duval提出的Duval五边形法被认为是可用于天然酯变压器故障的DGA分析方法[19]。

将前述2、4、5、6号4台变压器的油中溶解气体含量结果绘入Duval五边形中，如图5所示，可见4台变压器的油中溶解气体含量均位于Duval五边形中的T1区域，即4台大豆基天然酯变压器均可能存在低于300℃的热故障[19]。根据IEEE C57.155-2014要求，这4台变压器是否存在热故障需进一步观察与测试。

图5 存在故障变压器的Duval五边形Fig.5 Duval pentagon of transformers with fault

4 结论

本研究解体分析了两台服役年限约7年的大豆基天然酯变压器及矿物油变压器，对9台服役的10 kV大豆基天然酯变压器取油样进行DGA测试分析，得出以下结论：

（1）服役7年后解体变压器中大豆基天然酯的理化性能均能够满足典型值要求，矿物油除倾点高于-40℃要求外，其余性能均满足合格值要求。

（2）解体分析的矿物油变压器中纤维素纸平均含水量为1.77%，最低聚合度为603。大豆基天然酯变压器中纤维素纸平均含水量为0.67%，最低聚合度为857。结合年度负载曲线可以证实天然酯较矿物油对纤维素纸的老化有延缓作用。

（3）参照IEEE C57.155-2014标准，对选取的9台在运中天然酯变压器进行油中溶解气体分析，其中4台超过该标准中90%的天然酯变压器油中溶解气体含量，表明可能存在低于300℃的潜伏低温过热缺陷。