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摘要：天然酯绝缘油是一种高燃点、生物可降解、可再生的环保液体电介质，目前正逐渐替代矿物质绝缘油应用于电力变压器、海上风电等领域，但天然酯油与矿物质变压器油在亲水性、分子结构等方面存在着较大差异，作为电力变压器用绝缘油会对绝缘性能产生较大影响。其中含水量、酸值、杂质颗粒等因素对绝缘性能的影响尤为显著。为此从水分、酸值、杂质颗粒等方面对天然酯油变压器绝缘性能进行分析，并总结了优化其绝缘性能的措施。其中添加纳米粒子、添加抗氧化剂等方法能够有效改善绝缘油的介质损耗因数、击穿电压，从而显著提高天然酯油变压器的绝缘性能。能够为天然酯油变压器的设计、运维等提供理论依据，有助于减少资源浪费和环境污染，从而进一步推进绿色电网的建设。
关键词：天然酯油；变压器；绝缘性能；优化措施
Analysis of Factors Affecting Insulation Performance of Natural Ester Oil Transformer
Guo Xianqing，Sun Wenyi，He Yintao
(Guangdong Mingyang Electric Co．，Ltd．，Zhongshan，Guangdong 528451，China)
Abstract：Natural ester insulating oil is a kind of high ignition point，biodegradable，renewable environmental protection liquid dielectric．At present，natural ester oil is gradually replacing mineral insulating oil and applied in power transformers，offshore wind power and other fields，but there are great differences between natural ester oil and mineral insulating oil in molecular structure，hydrophilicity and other aspects，as the insulation oil for power transformers will have a great impact on the insulation performance．The influence of moisture content，acid value and impurity particles on insulation performance is particularly significant．Therefore，the insulation performance of natural ester oil transformer was analyzed from the aspects of moisture，acid value and impurity particles，and the measures to optimize its insulation performance were summarized．The addition of nanoparticles and antioxidants could effectively improve the dielectric loss factor and breakdown voltage of insulating oil，so as to significantly improve the insulation performance of natural ester oil transformer．The research results can provide theoretical basis for the design，operation and maintenance of natural ester oil transformers，and help to reduce resource waste and environmental pollution，so as to further promote the construction of green power grid．
Key words：natural ester insulating oil；transformer；insulation performance；optimization measures
0引言
作为电力系统的设备之一，变压器在电网中的安全平稳运行至关重要。目前油浸式变压器应用广泛，其所用的液体绝缘介质主要来源于从石油中提炼出的矿物绝缘油，虽然矿物绝缘油有着优异的电气绝缘性能、低温流动性能和抗氧化性能，但其降解性差，发生泄漏时容易造成水体污染，另外，废弃的变压器油中含有硫、磷、氯及重金属等有毒有害物质，且石油为不可再生能源，大量的废弃矿物质绝缘油不但会造成资源浪费，而且会进一步加剧环境恶化。随着人们的环保意识逐渐加强，可持续发展理念深入人心，寻找能够替代矿物绝缘油的环保型液体绝缘介质已成为当前变压器领域研究的一个热点。天然酯绝缘油是由油菜籽、葵花籽、棕榈果、大豆等天然植物油料经压榨、精炼和脱酸等工艺制作而成，不但具有燃点、闪点高，安全防火性能满足电力系统变压器用油要求等优点，而且自然降解率均在90％以上，即使发生变压器油泄漏等问题也不会对水源、土壤等产生严重的污染。因此天然酯油成为了矿物质绝缘油良好的替代品。但天然酯油的主要成分为甘油三酸酯，与由烷烃、环烷烃和芳香烃等组成的矿物质绝缘油在分子结构、亲水性等方面存在着较大的差异，其中含水量、酸值、杂质颗粒等因素对绝缘性能的影响尤为显著，给天然酯油变压器在设计、运行、维护等方面极大程度上增加了难度。因此，开展影响天然酯油变压器绝缘性能因素的研究，掌握改善天然酯油变压器绝缘性能措施，对天然酯油变压器设计、运维以及大力推进绿色电网的建设、减少石油资源浪费和矿物质绝缘油对环境的污染等多方面都具有重要意义。在此背景下，本文从水分、酸值、杂质颗粒3个方面综述了影响天然酯油变压器介质损耗因数、击穿电压等绝缘性能的因素，并总结了近几年改善天然酯油变压器绝缘性能的研究进展。
1影响天然酯油变压器绝缘作用的因素分析
1．1水分对天然酯油绝缘性能的影响
评估油浸式电力变压器绝缘状态主要以油中含水量及分布状况作为依据。当绝缘油中水分含量超过允许范围，此时随着含水量的继续增加，则会导致局部放电起始电压和击穿强度急剧下降，从而威胁变压器的正常运行、降低绝缘油纸的机械强度，加速热老化速率，缩短变压器绝缘系统的寿命。因此国家能源局针对不同电压等级下的天然酯变压器油含水量进行了明确规定，其中，对于220 kV电压等级的变压器在投入运行前含水量应小于等于100 mg／kg，运行中含水量应不大于150 mg／kg。
由于天然酯油在分子组成、亲水性等与矿物油存在着明显差别，因此含水量对天然酯油的影响也与矿物绝缘油截然不同，从分子结构上看，矿物质油是由各种碳氢化合物所组成的混合物，主要包括烷烃、环烷烃、芳香烃和烯烃等，属于憎水基团；而天然酯油是由含羟基和羰基的甘油三酸酯分子构成，属于亲水基团。大量亲水基团的存在会显著天然酯油的吸水性，从而使局部放电起始电压和击穿强度显著降低。研究发现，当含水量在一定范围内，水分对击穿强度及天然酯油浸纸板的电气强度影响并不明显，但当含水量超过一定值时，天然酯油中水分达到相对饱和后，此时溶解水从油中析出转变为分散水，使油及油浸纸板的电导率和介质损耗因数不断下降，进而使得天然酯油变压器的电气强度迅速下降[1－2]。
变压器油中温度与水含量之间存在相互的耦合作用，即油温的变化会影响油中水含量发生变化，导致变压器油的绝缘强度变化。研究表明，温度可以改变水分子的状态，当温度下降到一定程度时，水分会逐渐以微小冰晶的形态存在于变压器油中，随着温度进一步降低，天然酯油的黏度、凝点等也会增大，不但影响变压器的绝缘性能，其散热性能也会大幅降低，甚至导致变压器发生故障。当温度过高时，油中水分含量也会随之增大，天然酯油黏度过小便不能再对水分子产生束缚作用，进而增加变压器油中导电小桥形成的可能性，导致天然酯油变压器的击穿电压不断下降[3－4]。
天然酯油含水量上升会对变压器的漏电流及损耗产生影响，损耗和漏电流的增加会导致变压器运行温度升高，进而使绝缘材料的老化加快，降低变压器的使用寿命。油浸式电力变压器的内部绝缘材料多以含纤维素分子的纤维性材料为主，而纤维素是一种线性高分子聚合物，在高温下，纤维素易发生水解，其水解增加的水分会对天然酯油的水解反应产生促进作用。宋浩永等[4]研究了天然酯油老化过程中的水分含量。结果表明，在老化期间，绝缘纸和绝缘油因老化速率的上升致使老化程度进一步加深，过程中会产生大量水分，油中含水量的提高会加快甘油三酸酯的水解反应，从而降低绝缘材料的使用寿命。
当油中含水量增加时，可通过气相色谱检测法观察油中气体含量，证实因天然酯油分解使天然酯油的电气性能下降[5]。
《天然酯绝缘油电力变压器选用导则》明确指出，新设备投运前天然酯绝缘油中C2 H2含量应不大于0．1μL／L，且投运前后两次DGA检测不应有明显的区别。研究表明，在放电条件下，天然酯油中初始含水量的增加会促进天然酯油的分解，增加油内C2 H2、C2 H6等气体的含量，从而使得天然酯油的电气强度和理化性能下降[6]。
从上述分析中可以发现，当天然酯油中的含水量达到相对饱和后，油温升高会造成油中水分的体积分数不断增加，油及油浸纸板的电导率和介质损耗因数不断下降，致使变压器的绝缘强度迅速下降，另外，变压器中的纤维性绝缘材料发生水解会促使天然酯油的水解反应，加速绝缘材料的老化，进而延长变压器的使用寿命。因此，严格控制天然酯油中的含水量，可以保持天然酯绝缘油的稳定性，确保变压器可靠安全运行。
1．2酸值对天然酯油绝缘性能的影响
在变压器运行过程中，天然酯油易与空气发生氧化反应进而产生大量脂肪酸。油中氢离子大量存在会促使天然酯油更不稳定，还会对变压器中的金属结构产生腐蚀作用，如铜、铁、铝等，腐蚀后产生的金属离子可以进一步促进天然酯油发生降解，这一系列的反应又会加速天然酯油的氧化过程，导致绝缘油的介质损耗因素增大，降低变压器的绝缘强度。张过有等[7]测试了在不同酸值下的天然酯油的温度介电谱。其结果如图1所示，对于不同酸值下的天然酯油，其相对介电常数都随温度升高而降低；当绝缘油中的温度不变时，酸值越高，天然酯油的相对介电常数越大。此外，天然酯油的老化和绝缘纸纤维素的水解均会产生酸性物质。酸值升高不但会腐蚀变压器中的金属构件，还会极大程度上增加天然酯油的导电性，从而使油的绝缘水平下降。当纤维性绝缘材料长期处于高温环境中时会加剧材料的热老化程度，进一步降低变压器的绝缘水平。实验表明，随着热老化时间的增加，天然酯油酸值的增加远远大于矿物质绝缘油，且老化温度越高，酸值增加越快[8]。
因此，在天然酯油运输、贮藏和使用的过程中，应尽量避免天然酯油与空气的接触，减缓设备中金属构件与空气的氧化反应，改善变压器的绝缘特性，从而延长变压器的使用寿命[9]。
1．3杂质颗粒对天然酯油绝缘性能的影响
击穿电压、介质损耗因数、体积电阻率均是表示变压器油绝缘特性的重要参数。其中击穿电压可以直接反应绝缘油中是否含有杂质颗粒。实际应用中，天然酯油在运输、贮藏、运行的过程中会不可避免地混入含金属、碳、纤维素等颗粒物杂质。研究表明，天然酯油中纤维素颗粒杂质的含量可达到总杂质颗粒含量的90％以上。
天然酯油变压器的绝缘性能会受到杂质颗粒的影响发生明显降低。实验发现，天然酯油中杂质含量增加会导致变压器油的击穿电压下降，且在冲击电压下的作用下，变压器油间隙冲击击穿电压下降会越明显。文献[10－12]研究了含Cu、Fe、Ni、Zn、SiO2等杂质颗粒对绝缘油击穿电压的影响。结果表明，杂质颗粒含量与油液的击穿电压成反比关系，杂质含量越高，其绝缘油的击穿电压值越小。且Cu、Ni元素相比于其他杂质颗粒对天然酯油的电气性能、产气量等影响更明显。
由于纤维性材料的分子结构中含有大量的糖醛酸和羟基，属于多孔性结构。因此纤维素杂质颗粒会吸附大量水分。由于天然酯油与矿物质绝缘油在分子结构上的差异，在变压器运行过程中，天然酯油中的水分含量要远远高于矿物绝缘油，因此可能导致更多的水分被变压器内纤维素杂质颗粒吸附，在水分和纤维素杂质颗粒的综合作用下，天然酯油变压器的绝缘性能会出现较大变化。张重远等[13]探究了纤维素杂质与水含量合作用对天然酯油绝缘性能的影响，结果表明，天然酯油的相对介电常数会随纤维素杂质颗粒含量的增加而增加，直流电阻率随杂质颗粒含量的增加而降低，此外，水分含量对相对介电常数及直流电阻率的影响也与纤维素杂质颗粒的影响相同，显然，当纤维素颗粒和水分含量综合作用时会明显加剧上述影响。
因此，在天然酯油灌装、使用和运行过程中，应尽量避免杂质颗粒进入变压器油中，尤其避免掺入含Cu和Zn元素的杂质颗粒，另外，变压器油纸绝缘系统中的纤维素材料老化后产生的纤维素颗粒会和水分共同作用对天然酯油的绝缘性能产生影响，适量的纳米粒子的加入可以吸附天然酯油中的杂质颗粒以及水分子，提升天然酯油的绝缘性能。
2改善天然酯油变压器绝缘作用的措施
2．1降低天然酯油中水分、杂质颗粒及酸值的措施
天然酯油变压器由于击穿导致的绝缘性能大幅下降与油中的杂质小桥的形成密切相关。当在天然酯油中加入适量亚微观尺度的纳米粒子时，纳米粒子可以有效吸附水分、杂质颗粒，并与天然酯油形成稳定的溶胶体系，在外加电场的作用下，纳米粒子的加入会降低油中形成导电小桥的可能性，从而提升变压器的绝缘性能[14－17]。
研究发现，纳米粒子可以降低油纸之间介电常数的差异，均化油纸之间电场强度的分布，并抑制了界面感应电荷的产生，降低界面电荷对流注的吸引作用，从而缓解由于沿面流注体压缩导致前端的电场畸变，提高沿面闪络电压。文献[18－19]均通过添加TiO2纳米粒子来改善变压器油及其油纸绝缘结构的绝缘性能。结果表明，TiO2纳米粒子能够提高变压器油浸纸板的正、负极性沿面闪络电压，延长闪络时间，且随着间隙沿面距离的增加，改性效果更加明显。胡婷等[20]研究了SiO2纳米粒子改性前后天然酯油的电气性能，结果表明，SiO2纳米粒子的加入可以明显提高变压器油的击穿电压和热导率，降低介质损耗因素。
当天然酯油中的水含量超过一定范围时，天然酯油的水解反应会加剧油中酸值升高，反过来，油中酸值增加也会对天然酯油的水解反应产生促进作用，从而形成恶性循环。除了采用添加纳米粒子来提升天然酯油的绝缘性能外，还需要对变压器油中的含水量进行严格控制，由于天然酯油在运输及贮藏过程中容易掺入水分，因此应要求运输天然酯油的罐装车能够真空密封；在储藏天然酯油的油罐中应设置用于吸收水分的干燥剂和监测含水量的仪器，如湿度检测器等；当天然酯油中水分含量超标时，应进行真空加热处理以去除水分，保证天然酯绝缘油在变压器内的安全稳定运行。
2．2优化变压器绝缘结构
从变压器设计角度看，由于天然酯油与矿物绝缘油在黏度、亲水性、介电常数、tanδ等参数上存在明显差异，因此也必将影响天然酯油变压器的在绝缘结构上的变化。
宋浩永等[21]以110 kV电压等级天然酯油变压器为研究对象，对变压器在雷电冲击电压下的绝缘进行分析，在此基础上对变压器的绝缘结构进行了进一步优化，通过在油道上增加具有一定厚度软纸筒、调整调压绕组内纸筒的高度等措施增大高压绕组上端部与调压绕组之间的绝缘距离，有效降低变压器内部的最大场强，提升绝缘强度，同时也可以避免发生沿面放电现象。改进前后的绝缘结构如图2所示。
韩金华等[22]针对容量的变压器采取了不同的设计方案。315 kVA及以下小容量天然酯油配电变压器的绕组结构应采用高低压均为线绕层式结构；315 kVA及以上大容量天然酯油配电变压器的绕组结构高压应采用层式结构，低压应采用铜箔绕制结构。
2．3改进变压器绝缘材料
为保证天然酯油变压器的整体性能，变压器中所有除绝缘油以外的其他绝缘材料性能特别是高耐热性能必须与天然酯油匹配，这些绝缘材料包括绝缘纸、绝缘板及垫板等，如表1所示。
3结束语
天然酯油相比矿物质绝缘油具有更高的燃点及闪点、安全防火性好，同时拥有优异的生物降解能力，不会对环境造成严重的污染，具有良好的发展前景，但天然酯油与矿物绝缘油的分子结构、亲水性等方面存在着较大的差异，造成水含量、酸值、杂质颗粒等因素对天然酯油变压器绝缘性能与矿物绝缘油也产生不同的影响，给天然酯油变压器在设计、运行及维护方面极大程度上增加了难度。因此，本文在分析影响天然酯油绝缘能力因素的基础上，从改善天然酯油理化、电气性能和变压器绝缘结构以及绝缘材料选择上提高天然酯油变压器的绝缘性能。主要结论如下。
(1)水含量、酸值、杂质颗粒以及酯类油均会对变压器的介质损耗因数和击穿电压等绝缘性能产生一定的影响，但目前针对更高电压等级的天然酯油变压器绝缘性能改进的研究相对较少，其含水量、酸值等指标均是针对220 kV及以下的天然酯油变压器设立的。因此，未来随着我国科研人员和企业等对天然酯油变压器的进一步研究，其用油标准等也会更加完善。
(2)实际变压器运行过程中，可以通过优化变压器绝缘结构或采用更高耐压、耐热等级的固体绝缘材料来提高变压器的绝缘性能。
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