不同水分含量下三元混合式绝缘油浸纸板的介电、工频击穿及产气特性对比研究

朱孟兆，朱文兵，陈 鑫，郝 建，高晨煜，冯大伟

（1.国网山东省电力公司电力科学研究院，山东 济南 650000；2.重庆大学 输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室，重庆 400044；3.国网无锡供电公司，江苏 无锡 214000）

0 引言

绝缘油承担着绝缘、散热和灭弧的功能，被誉为“变压器的血液”，其性能对变压器的安全稳定运行意义重大[1]。矿物绝缘油在油浸式变压器中的应用已有100多年历史，因为其优良的绝缘性能和稳定的化学性质，依然是目前应用最广泛的绝缘油[2]。然而，矿物绝缘油具有较低的闪点和燃点、不可再生性以及较差的生物降解性，不能满足当前新型绿色环保及高防火安全性绝缘材料的需求[3]。因此，寻找矿物绝缘油的理想替代品一直是近20年来国内外学者的研究热点。

植物绝缘油具有电气性能好、生物降解率高、环保可再生、延缓绝缘纸老化等优点，被认为是矿物绝缘油的理想替代品，并已成功应用于10～420 kV电压等级的电力变压器中[4-5]。然而，与传统矿物绝缘油相比，植物绝缘油的氧化安定性差，凝点和介质损耗因数较高，并且具有较高的黏度和酸值[6]。因此将植物绝缘油应用于油浸式变压器之前，需要对变压器的绝缘、散热等关键结构进行优化设计，以满足变压器出厂检测及安全运行要求。

混合绝缘油由矿物绝缘油和植物绝缘油按照一定工序混合得到，可改善单一油品性能上的不足，统筹兼顾各种绝缘油性能的优缺点，逐渐成为国内外研究的热点[7]。I FOFANA等[8]、C PERRIER等[9]对合成酯与矿物绝缘油混合而成的混合绝缘油基础性能进行了系统研究，提出了20%合成酯+80%矿物绝缘油的理想混合比。梁帅伟[10]、郭沛[11]提出了20%植物绝缘油（橄榄油/精炼菜籽油）+80%矿物油的混合绝缘油配方，该类型混合绝缘油的关键性能基本满足GB 2536—2011的要求，并且可延缓绝缘纸的老化，但介质损耗因数、运动黏度、酸值等参数稍高。D GRZEGORZ等[12]提出酯类的添加可以有效地提高矿物油的防火安全性能。A BEROUAL等[13]则提出天然酯的添加可以提高矿物油的工频击穿电压和直流击穿电压，提升幅度分别达到12.0%和28.5%。综合分析国内外混合油的研究进展，现有混合油存在酸值、运动黏度、介质损耗较高等性能缺点，在应用于油浸式变压器前需要对变压器的结构进行优化设计。针对此，LIAO Ruijin等[14]研制了一种新型三元混合式绝缘油（76%矿物油+19%大豆植物油+5%棕榈油），油品中抗氧化剂为0.2% T511+0.2% L06（质量分数），该三元混合式绝缘油性能参数满足IEC 60296-2012或GB 2536—2011中矿物绝缘油的性能参数要求。

油-纸绝缘是变压器内绝缘的主要组成部分，其电气性能的重要性不言而喻。国内外研究表明，油-纸绝缘中的水分对变压器的电气及力学性能有着极其重要的影响，水分的增加会大幅降低油-纸绝缘的电气强度，并加速油-纸绝缘的老化，缩短其绝缘寿命[15-16]。本研究以矿物油浸绝缘纸板为参比对象，在不同水分含量下对新型三元混合式油浸绝缘纸板的工频击穿特性以及产气特性展开研究，为新型三元混合式油-纸复合体系的安全应用及故障诊断提供基础数据支撑。

1 实验

1.1 实验材料及其性能参数

三元混合式绝缘油的3种基础油型号及供应商如表1所示，其中25#矿物绝缘油是对照组用油。

表1 新型三元混合式绝缘油的基础油Tab.1 Base oils for novel three-element mixed insulating oil

三元混合式绝缘油是以矿物油、大豆油和棕榈油为基础油按照体积比76∶19∶5进行混合，并加入0.4%的复合抗氧化剂（0.2% T511+0.2% L06）得到，其性能参数如表2所示。矿物绝缘油和三元混合式绝缘油在90℃、50 Pa下真空干燥48 h，干燥后两种油品水分含量在15×10-6左右。

表2 新型三元混合式绝缘油性能参数Tab.2 Parameters of the novel three-element mixed insulating oil

绝缘纸板选用厚度为0.45 mm的普通牛皮绝缘纸板。将纸板在130℃、50 Pa下分别干燥0、3、24 h，并在60℃、50 Pa下浸油48 h，制成水分含量分别为0.9%、1.6%、4.3%的三元混合式绝缘油浸纸板和矿物绝缘油浸纸板样品。

1.2 绝缘油浸纸板介电特性测试

采用Novocontrol Concept 80型宽频介电谱仪对绝缘油浸纸板的相对介电常数、介质损耗因数以及体积电导率进行测试，绝缘油浸纸板的水分含量分别为0.9%和4.3%，实验温度为30℃，测试频率为10-1～107Hz。

1.3 绝缘油浸纸板工频击穿及产气特性分析实验

工频击穿试验参照IEC 60243-1进行，升压速率为1 kV/s。油杯中电极采用柱-柱电极，实验系统如图1所示。试验温度为30℃，每个样品至少测量11次工频击穿电压，并采用Weibull分布进行分析。

在三元混合式绝缘油浸纸板和矿物绝缘油浸纸板分别击穿20次、40次和60次后，开启密封油杯使用玻璃注射器快速抽取绝缘油样品，并严格密封。为减少空气对实验结果的影响，取样位置位于油面50 mm以下的油浸纸板击穿点附近。采用中分2 000B变压器油中溶解气体气相色谱分析仪获取 H2、C2H2、CO2、CH4等特征气体含量，按照 DL/T 722—2014《变压器油中溶解气体分析和判断导则》，对比三元混合式绝缘油浸纸板和矿物绝缘油浸纸板发生工频击穿后油中溶解气体的差异，分析三元混合式绝缘油-纸板复合体系工频击穿故障下的产气特性。

图1 工频交流击穿实验系统Fig.1 The system of AC breakdown experiment

2 结果及分析

2.1 绝缘油浸纸板的介电特性分析

图2为不同水分含量下矿物绝缘油浸纸板和三元混合式绝缘油浸纸板的介电特性。从图2可以看出，与矿物绝缘油浸纸板相比，三元混合式绝缘油浸纸板具有较大的相对介电常数、介质损耗因数和体积电导率，三元混合式绝缘油中24%的植物油成分是两种绝缘油浸纸板介电性能产生差异的主要原因。两种绝缘油浸纸板的介电性能差异主要集中在低频段，当频率为50 Hz时，水分含量为0.9%的三元混合式绝缘油浸纸板的相对介电常数、介质损耗因数和体积电导率分别为相同水分含量矿物绝缘油浸纸板的1.02倍、1.58倍和1.63倍。绝缘油浸纸板的介电特性受纸板水分影响显著，三元混合式绝缘油浸纸板在水分含量为0.9%时的相对介电常数、介质损耗因数和体积电导率分别为水分含量为4.3%时的1.52倍、30.91倍和46.29倍，高水分含量下三元混合式绝缘油浸纸板的相对介电常数、介质损耗因数和体积电导率也高于矿物绝缘油浸纸板。

2.2 绝缘油浸纸板的工频击穿特性分析

图2 不同水分含量下矿物绝缘油浸纸板和三元混合式绝缘油浸纸板的介电特性Fig.2 The dielectric properties of mineral oil-impregnated pressboard and three-element mixed insulating oil-impregnated pressboard at different moisture contents

Weibull分布是一种广泛应用于绝缘材料和绝缘结构失效数据的统计分析方法，采用双参数Weibull分布对绝缘油浸纸板工频击穿电压进行拟合分析，双参数Weibull分布模型的失效分布函数如式（1）所示[15]。

式（1）中：t为变量，在本文中对应绝缘油浸纸板的击穿电压值，随着t的增大，失效概率增加；α为尺度参数，用于描述绝缘油浸纸板的特征击穿电压；β为形状参数，反映击穿电压的分散性。通过获得的实验数据样本对失效分布函数中的α、β进行估计，进而确定Weibull分布模型参数。本研究数据样本为完整数据，经验分布函数Fn(ti)的取值由式（2）计算获得，i代表测试样本次序，n为样本数量。

图3为不同水分含量下两种绝缘油浸纸板工频击穿电压的Weibull分布图，表3为Weibull分布中的α、β值。

图3 两种绝缘油浸纸板不同水分含量下工频击穿电压的Weibull分布Fig.3 Weibull probability plot of breakdown voltage for two types of oil-impregnated insulation pressboards at different moisture contents

表3 两种绝缘油浸纸板击穿电压Weibull分布模型中的α和β值Tab.3 Values of α and β in Weibull distribution of the breakdown voltage for two types of oil-impregnated insulation pressboards

从表3可以看出，矿物绝缘油浸纸板和三元混合式绝缘油浸纸板击穿电压的等效值（即α值）随纸板水分含量的增加而逐渐减小；相同纸板水分含量下，三元混合式绝缘油浸纸板击穿电压的等效值高于矿物绝缘油浸纸板；三元混合式绝缘油浸纸板击穿电压Weibull分布中的β值略高于矿物绝缘油浸纸板，即其击穿电压数据的分散性相对较小。

图4为水分含量对两种绝缘油浸纸板击穿电压的影响。从图4可以看出，随着水分含量的增加，两种绝缘油浸纸板的击穿电压均出现一定程度的下降。当纸板水分含量从0.9%上升至4.3%时，矿物绝缘油浸纸板和三元混合式绝缘油浸纸板的击穿电压分别下降了19.02%和5.50%。纸板含水量的增加会导致绝缘油浸纸板中杂质离子浓度增大，体积电导率上升，电流密度增加，从而使绝缘油浸纸板的击穿电压降低；同时，水分含量的增加会加剧绝缘油浸纸板的介质损耗，导致介质温度升高，引起油纸绝缘劣化，使绝缘油浸纸板的击穿电压下降。两种绝缘油浸纸板击穿电压的差距在纸板水分含量较高时更为明显。当纸中水分含量为0.9%时，三元混合式绝缘油浸纸板的击穿电压特征值仅为矿物绝缘油浸纸板的1.01倍，而当水分含量为4.3%时，三元混合式绝缘油浸纸板的击穿电压特征值增长为矿物绝缘油浸纸板的1.18倍。由于三元混合式绝缘油具有较高的饱和水含量，该种绝缘油浸纸板的击穿电压受水分含量的影响较小。

图4 水分对两种绝缘油浸纸板工频击穿电压的影响Fig.4 Effect of moisture on the power frequency breakdown voltage of two types of oil-impregnated insulation pressboards

三元混合式绝缘油浸纸板的击穿电压特征值大于矿物绝缘油浸纸板的重要原因之一是绝缘油-纸板复合体系电场分布的差异。绝缘油浸纸板可认为是绝缘纸板与绝缘油组成的双层复合电介质，每层电介质在交变电场下所承受的电场强度如式（4）所示，其中εr1、εr2分别为两层电介质的相对介电常数；E1、E2分别为两层电介质承受的电场强度[17]。由表2可知，三元混合式绝缘油与矿物油的相对介电常数分别为2.32和2.13。因此，在相同外施电压下，三元混合式绝缘油浸纸板内油纸间的电场分布更为均匀，从而具有更高的击穿电压值。

采用COMSOL Multiphysics仿真软件构建两种油浸纸板在柱-柱电极下的电场分布仿真模型，油浸纸板厚度为0.45 mm，三元混合式绝缘油与矿物绝缘油的相对介电常数分别为2.32和2.13，两种油浸纸板的相对介电常数分别为4.94和5.05[18]，仿真时施加的交流电压u=21 000sin(100πt)V。t=0.005 s时，仿真结果如图5～6所示。从图5可以看出，电极倒角处的电场明显强于其他部位，最大电场位于电极倒角与绝缘纸板表面的接触圆周上。由于三元混合式绝缘油-纸板复合体系中绝缘油与绝缘纸板相对介电常数之比小于矿物绝缘油-纸板复合体系，三元混合式绝缘油浸纸板的电场强度略低于矿物绝缘油浸渍纸板，如图6所示。三元混合式绝缘油较高的交流击穿电压及其油浸渍绝缘纸板承受较小的电场强度是三元混合式绝缘油浸渍纸板具有更高交流击穿电压的原因。

图5 三元混合式绝缘油浸渍绝缘纸板柱电极下的电场分布仿真结果Fig.5 The simulation result of electric field distribution of the three-element mixed oil-impregnated pressboard under cylinder electrode

图6 从电极中心沿径向方向电场分布Fig.6 Electric field distribution in the radial direction from the electrode center

距离电极轴心11 mm、分别距油-纸分界面0.1 mm的绝缘油中电场强度(Eo)和绝缘纸板中电场强度(EP)如表4所示。从表4可以看出，与矿物绝缘油-纸板复合体系相比，在三元混合式绝缘油-纸板复合体系中，不仅相同位置的绝缘油、绝缘纸板的电场强度更小，且绝缘油与绝缘纸板间电场强度差值(ΔE)也较小，进一步表明三元混合式绝缘油-纸板复合体系油纸间电场分布更为均匀，从而具有更高的工频击穿电压。

表4 绝缘油与绝缘纸板间电场强度的差值Tab.4 Difference value of electric field between insulating oil and insulation pressboard

2.3 绝缘油浸纸板工频击穿产气特性分析

图7为水分含量为0.9%的两种绝缘油浸纸板击穿20次、40次和60次后油中主要溶解气体含量。从图7可以看出，随着绝缘油浸纸板击穿次数的增加，油中各溶解气体含量明显上升；与矿物绝缘油浸纸板相比，三元混合式绝缘油浸纸板发生相同次数工频击穿后，油中c(H2)、c(CH4)、c(C2H4)、c(C2H2)和c(总烃)相对较少，例如发生60次工频击穿后，三元混合式绝缘油中c(C2H2)和c(总烃)仅为矿物绝缘油中的72%和78.43%，三元混合式绝缘油中c(CO)和c(C2H6)为矿物绝缘油中1.49倍和1.42倍。除CO2外，绝缘油浸纸板工频击穿产生的主要气体为H2和C2H2。

图7 两种绝缘油浸纸板工频击穿后油中溶解气体含量Fig.7 Dissolved gas contents in oil of two types of oil-impregnated insulation pressboards after breakdown

图8为两种绝缘油浸纸板工频击穿后油中溶解气体占比。从图8可以看出，随着击穿次数的增加，油中溶解的CO2所占比例不断下降，从新油中90%以上下降到击穿60次后的45%以下，而其他溶解气体所占比例显著上升。H2、C2H2为除CO2之外占比最高的两种气体，工频击穿60次后，三元混合式绝缘油中溶解的H2和C2H2占比达到23.07%和18.05%。

图8 两种绝缘油浸纸板工频击穿后油中溶解气体占比Fig.8 The proportion of dissolved gases in oil of two types of oil-impregnated insulation pressboards after breakdown

表5为DL/T 722—2014《变压器油中溶解气体分析和判断导则》中，基于三比值法的常见变压器故障诊断方法[19]。矿物绝缘油浸纸板工频击穿故障下c(C2H2)/c(C2H4)、c(CH4)/c(H2)、c(C2H4)/c(C2H6)分别基本维持在4.33～6.91、0.17～0.68和2.75～3.08，符合DL/T 722—2014中对于放电故障范畴的界定。三元混合式绝缘油浸纸板工频击穿故障下c(C2H2)/c(C2H4)、c(CH4)/c(H2)、c(C2H4)/c(C2H6)分别为 4.39～9.20、0.08～0.14、0.33～2.22，其中c(CH4)/c(H2)和c(C2H4)/c(C2H6)小于矿物绝缘油浸纸板工频击穿后相应的油中气体比值，且不完全符合DL/T 722—2014中对于放电故障三比值范围的界定。因此，三元混合式绝缘油浸纸板工频击穿故障后c(CH4)/c(H2)、c(C2H4)/c(C2H6)小于矿物绝缘油浸纸板，可作为区别两种绝缘油-纸复合体系工频击穿故障的依据；同时，传统矿物绝缘油变压器基于油中溶解气体分析的故障诊断方法不再适用于三元混合式绝缘油变压器，需要综合各类型电、热故障油中溶解气体特性后加以修正。

表5 溶解气体三比值法Tab.5 Three-ratio method of dissolved gas analysis

3 结论

（1）与矿物绝缘油浸纸板相比，三元混合式绝缘油浸纸板的相对介电常数、介质损耗因数和体积电导率偏大，且随纸板水分含量的增加而升高。相同水分含量下三元混合式绝缘油浸纸板的击穿电压大于矿物绝缘油浸纸板；当水分含量从0.9%升高为4.3%，矿物绝缘油浸纸板的工频击穿电压下降了19.02%，而三元混合式绝缘油浸渍纸板仅下降5.50%；油浸纸板水分含量越高，三元混合式绝缘油浸纸板的工频击穿性能优越性越显著。

（2）H2和C2H2是三元混合式绝缘油浸纸板与矿物油浸纸板工频击穿的主要产气类型，工频击穿60次后三元混合式绝缘油中溶解的H2和C2H2占比达23.07%和18.05%。三元混合式绝缘油浸纸板工频击穿故障后c(CH4)/c(H2)、c(C2H4)/c(C2H6)小于矿物绝缘油浸纸板，可作为区别两种绝缘油-纸板复合体系产气特性差异的依据。