变压器油老化对介损的影响及其绝缘寿命试验探析

[摘 要]变压器油是高压电气设备、尤其是电力变压器最重要的绝缘介质，担负着电气设备绝缘、冷却、灭弧以及信息载体等作用。为保证各油浸设备的可靠运行，迫切需要准确地评估变压器油的绝缘状态。因此，本文对变压器油老化对介损的影响进行了分析，并对其绝缘寿命进行了试验。

[关键词]变压器油 老化 介质 影响 绝缘寿命

中图分类号：F320；P49 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）10-0064-01

引言

介质损耗因数可以灵敏地检验变压器油的绝缘劣化和精制程度，是最重要的指标之一，而介质损耗因数与油的老化程度直接相关。近年来，国内外有学者采用逐步升压法和恒定电压法评估有机绝缘材料寿命，用它加速老化聚丙烯、聚酞亚胺和聚偏二氟乙烯薄膜的寿命试验，并对得到的结果进行比较，认为逐步升压法基于的累积效应，在老化应力作用下无自恢复特性，适用于评估固体绝缘材料的绝缘寿命，而恒定电压法适用于评估液体绝缘介质的绝缘寿命。本文分别从变压器油的电气老化和热氧老化两方面进行研究，探讨油质的老化对介质损耗因数的影响，采用恒定电压法评估变压器油的绝缘寿命。

1 电气老化

电应力是导致绝缘材料性能劣化的主要因素之一，通过加速寿命模型研究绝缘材料在电应力作用下的寿命是得到广泛认可的试验方法。加速寿命试验方法有两种：恒定电压加速寿命试验和步进电压加速寿命试验。步进升压法是基于固体绝缘的累积效应。与液体和气体电介质不同，固体绝缘在老化应力作用下无自恢复特性，故本试验采用恒定电压法。恒定电压法的基本原理是：在采用恒定电压法进行试品加速老化试验时，匀速升压至试验电压，该电压为小于绝缘材料击穿电压的适当选定值，保持电压值不变直至试品击穿为止，记录击穿时间和试验电压值。用反幂函数作材料电老化寿命计算经验模型，得到变压器油绝缘寿命模型的电压耐受系数。试验采用锥尖棒-圆形平板电极间隙，也称尖-板电极。尖-板间隙的最大电场强度产生在尖电极的顶点。采用XCⅡ─6试验变压器，TDS3054B数字存储示波器对测量回路中的无感电阻R=50Ω的电压信号进行采集，采样频率。

2 热氧老化

变压器油与氧有较强的亲和作用，在水分、铜铁等导线材料的催化剂作用下，以及外界加速因素（热、震动与冲击、电场）的影响下，其氧化就是一个必然的过程。酸值和介质损耗因数都是反映油质老化程度的重要指标，两者的相关性都是研究过程中应关注的问题。

2.1 试验材料和仪器

（1）新油：25号变压器油。（2）Avatar360傅立叶红外光谱仪。（3）KD9101型自动油介损试仪。（4）2020型热鼓风恒温老化干燥箱。（5）干燥器。

2.2试验方法

2.2.1油的热老化试验

（1）铜丝的绕制。将T1号铜丝用240号砂纸磨光，再用滤纸擦净，绕成外径为（19±1）mm的螺旋形，用苯洗涤两次并吹干，放入干燥器内冷却、备用。（2）油样的热老化。准确称取500g变压器油，分别放入1000mL试剂瓶内，油样要均匀而不形成气泡，将绕制好的铜丝放入瓶中，密封后放入老化箱内，温度设定为115℃。记录下油样放入老化箱的时刻作为油开始老化的时间。在氧化过程中，每隔72h，取出20g试油，装入250mL试验瓶中，然后立刻放入干燥器中冷却、干燥，严格控制水分进入试油中。

2.2.2酸值和介质损耗因数的测定

酸值的测定：按照GB/T264-1983《石油产品酸值测定法》进行试验。介质损耗因数的测定：按照GB/T5654-2007《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》测量介质损耗因数。

3 试验结果

3.1 电老化对介质损耗因数的影响

恒定电压法选定电压等级为40kV～60kV，将试样置于恒定电压下直至击穿。电气老化主要是由于电介质内部微观游离放电对变压器油的作用和影响造成的，而电老化本身是一种空间分布的、随时间发展和积累的损伤过程。在足够高的电场作用下，电流甚至在电场不再增加的情况下开始从稳态过渡到非稳态，在绝缘中产生破坏性的导电路径，继而导致绝缘介质的击穿。高电场下绝缘介质中电流局部加热导致绝缘材料的性质改变，而材料性质的改变反过来使电流增加，这会直接导致电压耐受系数a减小，绝缘性能下降，最终导致油的击穿。试验表明电压耐受系数a在很大程度上决定了液体电介质的寿命，在电应力作用下，根据上述加速寿命试验的原理，利用逆幂律分布函数对试验数据进行拟合，得到恒定电压法变压器油绝缘寿命，当变压器油内部出现局部放电，油中气体杂质、水分等气化成微泡，在高电场强度下导致微观电击穿，从而引发游离损耗的产生，使介质温度上升，导致介质损耗因数增大。老化变压器油介质损耗因数与电压U的关系是随着变压器油的电老化，其介质损耗因数逐渐增大，而从分子结构上看，矿物油为中性或弱极性液体，其组成成分以烷烃、环烷烃为主，分子中的C-C键的电离能约为4eV，当变压器油内部出现局部放电时，就会聚集大量的带电粒子直接轰击电介质，当粒子的轰击能量达到10eV以上，液体电介质的主链便会断裂，油质会加剧老化，介质损耗因数会迅速升高。

3.2 变压器油的热氧老化

变压器油的热老化机理可用链锁反应来解释。红外光谱分析变压器油在115℃老化箱内老化35d，分别在0d、14d、21d、28d、35d进行红外检测，由红外光谱图可以得出如下结论：（1）在3743cm-1～3650cm-1之间，油样有两个吸收峰a峰和b峰，是由游离的-OH和缔合的-OH伸缩振动引起的，在老化后期该峰有明显加强的现象。（2）在2660cm-1～2730cm-1之间，随着老化过程的加深，这个谱带逐渐形成了两个吸收峰（f峰和g峰），这是醛类的C-H伸缩振动出现的特征吸收峰。（3）在2370cm-1～2360cm-1范围内形成的吸收峰h是由-CC-伸缩振动引起的。C=O作用所产生的吸收峰j在大约1726cm-1处形成，j峰处的波数一般低于1746cm-1，这正好与醛类C=O伸缩振动引起的吸收带1740cm-1～1720cm-1相一致，是醛类基团作用的结果。老化初期j波峰保持不变，14d后有加强的趋势。

3.3 介质损耗因数与酸值相关性的研究

对老化箱中氧化的试油每隔72h取样一次，按照上述步骤分别测定其酸值和介质损耗因数，从相关数据可以看出变压器油的酸值和介质损耗因数成对数关系。将数据进行线形回归，变压器油的酸值的对数应当在直线附近上下波动，并且这种波动应服从正态分布，变压器油的介质损耗因数随着酸值的升高不断增大，依照对数关系。劣化初期介损升高是微小的，但这种微小的变化是一种恶性循环的开始。由于介质中不均匀性的存在，将引起偶极损耗的增加，绝缘介质在老化以后，当酸值超过一定时，油的成分有某种改变，在交变电场中周期性的极化的存在，吸收了电场中的能量而转变为热能的形式，从而引起介质损耗在散热程度及热效应形式上的某种改变，导致变压器油中焦耳热效应的加剧，使油的劣化加速，引发有功功率的增长变化，其介电性能会显著下降，介质损耗因数迅速升高。其结果是使变压器油颜色逐渐加深，气味产生了变化，介质损耗因数迅速上升，当酸值超过0.1mgKOH/g、介质损耗因数大于0.04时，油质已经急剧变坏。

结论

试验表明：采用红外光谱法主要是根据反应过程中醛类化合物和酸类化合物生成及烃基含量的增加来分析判断变压器油的氧化程度。变压器油的介质损耗因数与其酸值成对数关系，当酸值超过0.1mg/g时，介质损耗因数升高到0.04以上。电压耐受系数a在很大程度上决定了液体电介质的寿命，采用逆幂律分布函数可以有效地对变压器油的平均寿命进行评估。局部放电对变压器油的电老化寿命有直接影响，随着变压器油的电老化，其介质损耗因数逐渐增大。

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