植物与矿物绝缘油热故障产气差异性分析

尹 惠，韩秋篁，王飞鹏，相晨萌，史常凯，白雪峰，古凌云

(1. 中国电力科学研究院有限公司 配电变压器节能技术北京市重点实验室，北京100192；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)

变压器是现代电力系统的重要组成部分，其运行状态将影响电网供电质量及可靠性。在变压器可能发生的各类故障中，由绝缘问题引发的故障占据了多数。对于油浸式变压器，其油纸绝缘系统在变压器运行过程中受到电、磁和温度场的综合作用，将发生绝缘油和绝缘纸的老化，并伴随局部过热性故障[1]。而传统矿物绝缘油的闪点和燃点较低[2]，热故障引发变压器燃烧和爆炸的可能性增高。为此，基于预判变压器老化状态及潜在故障，发展出多种变压器故障诊断方法，如，油中溶解气体分析(DGA, dissolved gas-in-oil analysis)[3-5]、油中糠醛分析[6-10]、纸的聚合度分析[11-14]等。其中，DGA诊断法在故障早期可检测出发展中的内部故障，准确度高，受电磁场等因素干扰小，在矿物绝缘油变压器故障诊断中获得了广泛的应用。

近年来，植物绝缘油因燃点高、自然降解率高、油纸绝缘配合度好、原料可再生等优势大量用于油浸变压器[2, 15-17]，在变压器热故障诊断研究中得到重视[18-21]。由于植物绝缘油与矿物绝缘油组成成分的差异[2]，传统应用于矿物绝缘油变压器的DGA诊断法已不能直接应用于植物绝缘油变压器中，需针对特定的植物绝缘油进行模拟变压器热故障下油中溶解气体研究，得到气体组分、含量及变化趋势等规律，提出适用于植物绝缘油变压器的油中气体诊断方法。

文中通过模拟植物绝缘油与矿物绝缘油热故障试验，分析2种不同类型绝缘油的油中溶解气体规律及差异性，为建立适用于特定植物绝缘油变压器的DGA故障诊断方法提供依据。

1 实验方法

1.1 试样及处理

选取实验室精炼的山茶籽绝缘油、商用FR3绝缘油(原料基于大豆油)、25#矿物绝缘油及牛皮绝缘纸作为试验材料，在实验前对试样进行预处理，其中，绝缘油、绝缘纸分别置于90 ℃真空干燥箱中干燥48 h，在真空环境冷却后取出，将纯油样密封，按油纸质量比15∶ 1将干燥后的绝缘纸分别浸入相应绝缘油中，并放于40 ℃真空干燥箱中静置24 h，制备油纸绝缘试样。表1所示为试验用各类绝缘油的基本理化及电气特性。

表1 试验用各类绝缘油基本理化及电气特性

1.2 模拟热故障试验装置

为模拟变压器在不同温度(低温：<300 ℃，中温：300～700 ℃，高温：>700 ℃，依据IEC 60599标准[23])下的热故障，获得相应热故障下绝缘油中溶解气体，设计了1套试验装置，如图1所示。该试验装置由管式电阻炉、加热管(容积25 mL)、金属油杯(容积500 mL)和温控装置等部分构成。温控装置可以设置并显示电阻炉的加热温度，加热管壁上附着的热电偶温度传感器(图中未画出)可以实时监测油样在热故障试验时的热点温度。

表2所示为进行热故障试验时,当加热管温度到达预设值并维持稳定后，依据变压器不同温度热故障持续时间，确定相应试验温度下的加热持续时间。

图1 模拟变压器热故障试验装置示意图Fig. 1 Sketch of transformer thermal-fault-simulation unit

1.3 试验方法

基本实验步骤如下：

1)试样预处理；

2)设置热故障试验中对应的管式电阻炉加热温度，开启加热电源并等待电阻炉温度达到稳定的设定值；

3)将预处理后的试样置于金属油杯中，如图1所示，并通过金属导管将试样通入电阻炉加热管中；

4)待加热管温度维持在稳定的设定值，继续加热试样至设定的试验时间，如表2所示；

5)加热结束后，静置30 min，使热故障试验产生的气体充分扩散并溶解于试验油样中，取出油样，用色谱仪测定油中溶解气体的成分和含量，取3次测量的平均值作为最终结果，计算每组数据的标准偏差。

表2 模拟热故障试验加热时间

2 结果与讨论

2.1 300 ℃以下热故障油中溶解气体分析

将预处理后的3种被试油样在90～250 ℃温度范围内进行热故障试验，分别用色谱法分离不同油样、不同温度热故障下，油中溶解气体，得到气体(除CO和CO2外)百分含量与热故障温度的对应关系，如图2所示。图中山茶籽绝缘油在被试热故障温度区间内百分含量最高的油中溶解气体为C2H6与H2，FR3绝缘油中占比最高的气体为C2H6；相比之下，矿物绝缘油中H2与CH42种气体百分含量最高。可见，植物绝缘油与矿物绝缘油在被试温度下热故障特征气体存在明显差异。同时，山茶籽绝缘油中H2百分含量随温度的变化大体呈U型曲线关系，C2H6百分含量随温度变化总体呈倒U型曲线关系；FR3绝缘油中C2H6百分含量随温度的变化趋势相对平稳；矿物绝缘油中H2百分含量随温度的升高而下降，CH4百分含量随温度升高而上升。说明不同绝缘油中热故障特征气体随温度的变化规律存在差异。另外，在被试热故障温度区间内，不同种类绝缘油中均无明显的C2H2产生，推测该现象与试验所施加的热故障能量有关。

图2 300 ℃以下热故障不同油中溶解气体百分含量对比Fig. 2 Percentage content of dissolved gases in various oils under thermal faults below 300 ℃

油纸绝缘在300 ℃以下热故障模拟试验中，不同种类绝缘油中溶解气体百分含量与温度的对应关系，如图3所示。与相应温度范围内单纯绝缘油热故障试验结果不同的是，山茶籽绝缘油中H2的百分含量大幅上升，C2H6的百分含量明显下降；FR3绝缘油中除C2H6以外，H2等气体的百分含量有所增加。说明油中含纸会增加相应温度热故障下植物绝缘油中H2的含量，原因是绝缘纸主要成分纤维素在植物绝缘油中受热分解产生了较多的H2。对比图3与图2中矿物绝缘油的产气情况可以看出，油纸绝缘在较低温度(90 ℃)热故障中产生了较多的C2H6，而在相对较高温度(200～250 ℃)热故障中产生了较多的H2，说明油中含纸对矿物绝缘油相应热故障下，油中溶解气体的影响与热故障温度具有一定相关性，原因在于矿物绝缘油浸纸的受热分解过程与热故障能量大小相关。

图3 300℃以下热故障不同油纸混合绝缘油中溶解气体百分含量对比Fig. 3 Percentage content of dissolved gases in various oils for paper-oil insulation under thermal faults below 300 ℃

表3列出了3种绝缘油及相应油纸绝缘在90 ℃、200 ℃热故障时的CO、CO2含量。表中各油样在油中含纸情况下，热故障油中溶解CO、CO2含量均明显提高，尤其在200 ℃热故障下，油纸绝缘产生的CO2含量较单纯绝缘油提高10倍以上，温度升高明显加剧了含纸绝缘油中溶解气体产生。说明油浸绝缘纸在较高温度热故障下更易分解产生相应气体。另外，200 ℃热故障下，油中含纸对矿物绝缘油溶解气体含量的影响明显弱于对植物绝缘油，说明油浸绝缘纸的分解受到绝缘油种类及成分的影响。

表3 300 ℃以下热故障油中溶解CO和CO2含量

2.2 300 ℃以上热故障油中溶解气体分析

将预处理后的3种被试油样在300～800 ℃温度范围内进行热故障试验，分别用色谱法分离不同油样、不同温度热故障下，油中溶解气体，得到气体(除CO和CO2外)百分含量与热故障温度的对应关系，如图4所示。图中植物绝缘油在被试热故障温度区间内百分含量相对较多的油中溶解气体同300 ℃以下温度区间内热故障试验所得结果基本一致，如图2所示。不同的是山茶籽绝缘油中CH4百分含量明显增多，其含量随温度升高已接近H2的对应值。矿物绝缘油在被试热故障温度区间百分含量最多的2种气体分别为CH4及C2H4，同300 ℃以下温度区间内热故障试验所得结果存在差异。随热故障试验温度升高，矿物绝缘油中CH4百分含量呈下降趋势，C2H4总体呈上升趋势。另外，矿物绝缘油在700～800 ℃热故障试验中分解产生了少量C2H2气体，说明热故障能量的提高加速了植物绝缘油与矿物绝缘油相应组分的分解，产生对应的热故障特征气体。

图4 300 ℃以上热故障不同油中溶解气体百分含量对比Fig. 4 Percentage content of dissolved gases in various oils under thermal faults above 300 ℃

油纸绝缘在300～800 ℃热故障模拟试验中，不同种类绝缘油中溶解气体百分含量与温度的对应关系如图5所示。与图4试验数据对比可得，山茶籽绝缘油含纸情况下H2的百分含量明显提高，与300 ℃以下温度区间内热故障试验所得规律一致；油纸绝缘情况下FR3绝缘油在300～700 ℃热故障中C2H6百分含量进一步增加，而在热故障温度达到800 ℃时，C2H4含量有所增长；矿物绝缘油含纸情况下，总体CH4百分含量降低而C2H4百分含量升高；在300～400 ℃热故障试验中，矿物绝缘油含纸情况下油中溶解的H2含量亦有所增加，结合300 ℃以下温度区间内热故障试验所得结果，可以得出200～400 ℃热故障中矿物绝缘油中浸纸时更易分解产生H2。另外，油中含纸情况下矿物绝缘油在600 ℃热故障中有少量C2H2产生，这一现象与油浸绝缘纸的分解有关。

图5 300 ℃以上热故障不同油纸混合绝缘油中溶解气体百分含量对比Fig. 5 Percentage content of dissolved gases in various oils for paper-oil insulation under thermal faults above 300 ℃

表4列出了3种绝缘油及相应油纸绝缘在400 ℃及700 ℃热故障时的CO、CO2含量。与表3试验数据不同的是，表4中各油样在油中浸纸情况下，其CO含量并无显著增长，甚至出现明显下降，同时，油中浸纸时CO2含量的增长幅度也不及300 ℃以下热故障试验结果明显，说明随热故障试验温度的升高油浸绝缘纸中CO、CO2的析出呈现一定的饱和趋势。

表4 300 ℃以上热故障油中溶解CO和CO2含量

从实验数据的分散性来看，文中使用气相色谱法分析热故障油中溶解气体的成分及含量，经多次测量得到每组数据的平均值及标准差，由图2～图5的试验结果可知，各个数据点的偏差程度均在±10%以内，数据的分散性在合理范围内。

3 结 论

文中模拟不同种类植物绝缘油与矿物绝缘油变压器热故障试验，采用色谱法分析了低温(300 ℃以下)与中、高温(300 ℃以上)热故障下油中溶解气体成分及其含量，分析了植物绝缘油与矿物绝缘油在不同温度热故障下油中溶解气体的差异性。

1) 在90～800 ℃热故障下，山茶籽绝缘油(纸)中溶解特征气体为C2H6及H2，中、高温(300 ℃以上)热故障可参考CH4含量变化；FR3绝缘油(纸)中溶解特征气体为C2H6，H2与C2H4在判断其热故障状态时具有参考意义；矿物绝缘油(纸)在低温(300 ℃以下)热故障下油中溶解特征气体为H2及CH4，在中、高温(300 ℃以上)热故障下油中溶解特征气体为CH4及C2H4，C2H6及C2H2在判断其热故障状态时可作为参考。

2) 植物绝缘油与矿物绝缘油以及不同种类植物绝缘油之间热故障油中溶解气体及其含量存在一定差异性，运用DGA手段分析及预判变压器热故障时需要结合不同的绝缘油类型及产气特性，必要时辅助特定的试验进行。

对不同种类绝缘油热故障下油中溶解气体的分析需要后续故障诊断方法的进一步研究及细化方能运用于实际变压器的故障预判中。