变压器油,工业白油,抗磨液压油专业厂家—淄博勤润

1、引 言
油纸复合绝缘作为变压器内绝缘最主要的绝缘方式，在变压器运行过程中受温度、水分、氧气、电场等因素影响，水分是除温度外导致变压器内绝缘性能下降的最主要因素。因此，研究水分对变压器油纸绝缘热老化特性的影响具有重要意义。目前，关于水分对油纸绝缘热老化特性影响的研究成果较丰富，但现有试验研究中所用的绝缘油大部分为矿物绝缘油。矿物绝缘油因闪点低、生物降解性差、不可再生等缺点与当前所需环保型高燃点液体绝缘电介质之间的矛盾日益突出。相较矿物绝缘油，天然酯变压器油因其具有高燃点、高生物降解率、良好的电气性能等优点而被认为是矿物绝缘油的良好替代品，且天然酯变压器油的饱和含水量远高于矿物绝缘油，水分对天然酯变压器油热老化特性的影响亦有所不同。故本文研究水分对天然酯变压器油热老化特性的影响，以期为天然酯变压器油纸绝缘变压器的老化状态评估和故障诊断提供参考。
2、试验方法
2.1 主要试验材料
主要试验材料包括Cargill公司生产的FR3天然酯变压器油及魏德曼公司生产的菱格点胶纸（裁剪成1CM*5CM的长条，经干燥处理后每张重量为41MG）。
2.2 试样制备
试验前先对FR3天然酯变压器油和菱格点胶纸进行干燥脱气处理，将装有适量FR3天然酯变压器油的锥形瓶及适量点胶纸的烧杯放入90℃、50Pa的真空箱内干燥、脱气处理48h。因绝缘纸纤维具有极强的吸水性，油纸绝缘系统中的大部分水分都存储于绝缘纸中，因此将脱水处理后的绝缘纸称重后置于恒温恒湿箱中进行吸湿处理，控制处理时间，多次称重，制得初始水分含量分别为5％、10％（即每张纸吸水量分别为2.158、4.556mg）的两种绝缘纸试样。
2.3 加速热老化试验
用锥形瓶盛取250mL干燥脱气处理的FR3天然酯变压器油若干瓶，分成A、B两组；在A组FR3天然酯变压器油中放入五张初始水分含量为5％的绝缘纸，在B组FR3天然酯变压器油中放入五张初始水分含量为10％的绝缘纸，计算可得A、B两组每个试验样品中绝缘纸所吸收水分总重量分别占油纸总重量的46.87、98.95PPM；将A、B两试验组样品置于40℃、50Pa环境下真空浸油24h，制得绝缘纸初始水分含量不同的两个天然酯油纸绝缘试验组；将两个试验组锥形瓶用聚四氟乙烯密封处理后放入130℃的高温箱内进行加速热老化试验。按计划时间取出样品测量FR3天然酯变压器油的介电性能参量和油色谱。按照《液体绝缘材料相对电容率、介质损耗因数和直流电阻率的测量》测试油样相对介电常数、介质损耗因数；按照《绝缘油中溶解气体组分含量的气相色谱测定法》测试油样油色谱。
3、水分作用下天然酯油纸绝缘老化机理分析
绝缘纸的主要成分为纤维素，纤维素主要是由葡萄糖基分子间以糖苷键连接而成的线性高分子聚合物，纤维素中的糖苷键在高温和酸性水溶液作用下易与水分子作用发生水解反应，生成两个-OH基。纤维素糖苷键水解过程可表示为：天然酯变压器油的主要成分为甘油三酸酯， 在温度较高时，甘油三酸酯易与水分子结合发生水解反应产生脂肪酸和甘油，其水解反应过程为:
由式（1）可知糖苷键的水解反应会净增加2分子的水分子，因此纤维素水解增加的水分会对甘油三酸酯的水解反应产生促进作用。由式（2）可知天然酯变压器油水解反应会导致绝缘油酸值升高，绝缘油酸性增加也会对纤维素和甘油三酸酯的水解反应产生促进作用，形成恶性循环，加速油纸绝缘老化。因此，水分被认为是除温度外影响变压器油纸绝缘寿命的最主要因素。
4、试验结果分析
4.1 相对介电常数
相对介电常数随老化时间的变化关系见图1。由图1可知，A与B在老化过程中相对介电常数整体均呈快速增加趋势，老化96h前A、B增加速率基本一致，增加速率最大，老化96ｈ后A的增加速率较B有所放缓。主要原因由天然酯油纸绝缘老化机理分析可知，绝缘纸在高温和水分作用下发生水解反应生成水分，增加绝缘纸中的水分含量，而天然酯变压器油中含有羟基、羧基、酰基等亲水基团，吸收水分能力较强，老化初期绝缘纸中含水量呈迅速下降趋势，天然酯变压器油会从绝缘纸中吸收较多水分，水是强极性液体电介质，因此老化96ｈ前A与B相对介电常数增加速率最大；同时绝缘油中水分含量增加会促进绝缘油的水解反应生成更多的酸和醇等极性物质增加绝缘油的相对介电常数。
4.2 介质损耗因数
介质损耗因数（以下简称介损）随老化时间的变化关系见图2。由图2可知，B的介损在整个老化过程中均高于A，老化192h前，A、B的介损均随老化时间增加近似呈直线上升；老化192h后A的介损趋于平缓，B的介损随老化进行继续增加一段时间后亦趋于平缓。分析A、B相对介电常数可知，老化前期绝缘油水解反应生成的小分子酸和醇等极性物质和绝缘油从绝缘纸中吸收的强极性电介质水分均会导致A、B的介损快速增大。但随着老化时间的增加，油纸绝缘系统中水分含量因与外界环境之间的水分扩散，绝缘油水解消耗等作用逐渐减少，因绝缘纸中纤维素的强亲水性，绝缘油从绝缘纸中吸收的水分减少，绝缘油的水解反应速率减慢，老化产物酸、醇等生成速率降低，故天然酯变压器油的介质损耗因数趋于平缓。
4.3 天然酯变压器油油色谱特性
不同老化时间A与B中溶解的气体种类及浓度柱状图见图3。由图3可知，在整个热老化过程A与B中溶解的气体含量均以CO2和C2H6为主，CO、H2其次，C2H4、CH4最少，无C2H2生成。因此，可认为CO2和C2H6是天然酯油纸绝缘热老化的特征气体。主要原因是除绝 缘纸中纤维素老化发生断裂和消去等一系列复杂化学反应会生成CO2外，相比于矿物绝缘油，天然酯变压器油的组成成分中含酯基，酯基在链式自由基反应中会通过断键反应生成CO2；同时老化过程生成的非烃类特征气体中，CO2在绝缘油中的溶解度最大，因此天然酯变压器油中溶解的CO2浓度最大。相比于矿物绝缘油，酯类绝缘油中含有亚麻酸，在非故障状态下也会产生C2H6，老化生成的烃类气体中C2H6在绝缘油中的溶解度最大，因此试验油样中溶解的烃类气体中C2H6的浓度最大。
4.3.1 CO2、CO含量
A与B中CO2、CO浓度随老化时间的变化关系见图4。由图4可知，A与B中CO2、CO浓度在热老化过程中变化趋势相似，均呈先增加后减小再增加的趋势，老化后期CO2与CO浓度大小趋于一致；但老化前期油中溶解气体增加阶段CO2、CO增加速率差距明显，B老化48h的 CO2浓度与A老化96h时相接近，B老化96h的CO浓度与A老化144h时相接近；说明绝缘纸中微水含量对老化前期植物油纸绝缘老化生成CO2、CO速率影响较大，对整个老化过程中CO2、CO的产气量影响较小。
4.3.2 H2、CH4含量A与B中H2、CH4浓度随老化时间的变化关系见图5。由图5可知，A、B中H2和CH4浓度变化趋势基本一致，老化后期A、B中溶解的H2和CH4浓度相接近。老化192h前H2浓度随老化时间的增加缓慢增加，老化192h后快速增加，增 加幅度很大，Ｂ 中H2浓度由老化时间192h以前的浓度最大值40uL/L左右上升至200uL/L左右，且老化时间192h以前H2浓度变化幅度较小。因此，在微水作用下天然酯油纸绝缘热老化过程中，油中溶解的H2浓度可作为特征量来反映植物油纸绝缘的热老化程度。CH4浓度则在老化96-192h时段增速缓慢，其他老化时段呈快速增加趋势，CH4浓度增加幅度较小，但老化48h后B中CH4浓度均低于A，说明微水含量对CH4的生成量有较明显抑制作用。
C2H4、C2H6含量A与B中C2H4、C2H6浓度随老化时间的变化关系见图6。由图6可知，老化96h前A中C2H4、C2H6浓度快速增加，老化96h后迅速减小，但老化48h前B中C2H4、C2H6浓度均已处于下降阶段，且老化48h时对应浓度均高于A，而且老化开始时A、B中C2H4、C2H6浓度基本相等，故可推断老化48h前B中C2H4、C2H6浓度已完成快速增加阶段。即A与B中C2H4、C2H6浓度变化趋势相似，老化144h前A、B中C2H4、C2H6浓度均随老化时间的增加先快速增大后快速减小，老化144h后呈缓慢上升趋势。主要原因是绝缘纸的主要成分纤维素长链贯穿结晶区和 无定形区，在无定形区，分子排列比较松散，分子 间的作用力较弱，更容易被微生物、水分子等入侵，因此老化开始阶段老化速率更快，C2H4 C2H6浓度增大速率很快；由于结晶区相对稳定性更好，故随着老化时间的增加油纸绝缘老化速率会呈下降趋势，特征气体产量会有所减少，又因为C2H4、C2H6 气体的溶解度也会受其他特征气体的溶解度等因素影响，导致油中溶解的C2H4、C2H6浓度下降速度较快。热老化过程中 C2H4生成量较少，油中溶解的C2H6波动幅值较小，C2H6的生成量较多，油中溶解的C2H6波动幅值较大。这是因为C2H4中含C=C双键，C=C双键键能比C-C键键能更高，因 此老化过程中C2H6比C2H4更容易合成，产气量更大。A与B中C2H4、C2H6浓度老化288h后基本相等，亦说明绝缘纸中微水含量主要影响C2H4、C2H6的生成速率。
5、结 论
a.绝缘纸中初始水分含量越高，天然酯变压器油的介电性能劣化的速度越快，除对CH4的生成速率表现为抑制作用，对其他几种特征气体生成速率均表现为较明显的促进作用，但对天然酯油纸绝缘热老化过程中产气量影响较小。
b.天 然酯油纸绝缘的热老化特征气体为CO2和C2H6；油中溶解的H2的浓度可作为特征量来反映不同初始水分含量植物油纸绝缘的热老化程度，具体对应关系有待进一步研究。