不同变压器油电气性能的对比研究

1 引言

变压器油是源于石油的一种分馏产物， 它的主要成分是具有特定分子量的烷烃、环烷族饱和烃及芳香族不饱和烃等化合物。变压器油主要装在电力变压器、断路器、电流互感器和电压互感器里，以起到绝缘、散热冷却和熄灭电弧的作用[1]。

加氢变压器油是近年来采用先进精制工艺炼制的一类变压器油。生产过程中采用的是异构脱蜡工艺，包括加氢裂化、异构脱蜡和加氢后精制。文献[2]研究了中石化上海某公司生产的加氢基础油， 从理化性能和电性能方面对加氢基础油和环烷基油进行了比较，认为加氢基础油粘度小，且具有优异的氧化安定性，性能比环烷基油有明显的优势，具有良好的市场前景。文献[3]中采用多种方法评价了加氢变压器油和环烷基变压器油的抗氧化性能， 得出了加氢变压器油优于环烷基变压器油的结果， 认为这主要是加氢变压器油的烷烃含量高于环烷基变压器油所致。总的来说，国内对加氢变压器油性能的研究报道还不多。

变压器油作为电气设备的绝缘介质， 应当具备良好的电气性能。变压器油电气性能的基本参数有击穿电压、介质损耗因数、相对介电常数和体积电阻率等。绝缘击穿电压是检验油耐受极限电应力情况的非常重要的一项指标;介质损耗因数tanδ 与电阻率，对油中存在的可溶性极性杂质、老化产物以及带电胶体等的反应非常敏感。在较高温度下介质损耗因数与电阻率通常具有较好的相关性， 介质损耗因数增大，电阻率降低。油品的介质损耗因数与电阻率直接影响电气设备的绝缘性能[4]。

本文中笔者采用国家标准GB/T7595-2008 指定的实验方法， 在同一测试平台上测定国内外四种环烷基变压器油和一种加氢变压器油的电气性能指标，并与GB/T7595-2008 要求的运行中变压器油质量指标中的电气性能指标进行比较， 运用实验结果评价各种变压器油电气性能的差异性， 旨在为电力部门选用变压器油提供参考依据。

2 实验部分

2.1 实验材料

从市场上收集五种变压器油产品列于表1。油样均为投入运行之前的未使用油， 未经脱水或净化处理，直接用于各项电气性能指标测试。

2.2 检测仪器

DTL 全自动介损仪， 奥地利BAUR 公司生产;DTA100C 全自动绝缘油耐压试验仪，奥地利BAUR公司生产;ZHYD3002 变压器油带电倾向性全自动测定仪，山东中惠仪器有限公司。

2.3 分析方法

GB 5654-2007-T《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》[5]。DL 429.9-91《绝缘油介电强度测定法》[6]。DL 421-09《电力用油体积电阻率测定法》[7]。DL/T 1095-2008《变压器油带电现场测试导则》[8]。

3 结果与讨论

3.1 五种变压器油样介质损耗因数的比较

介质损耗因数表示在电场作用下， 电解质极化和电导所引起的电能损失。纯烃系非极性化合物，在电场作用下不发生或很少发生转位，但杂质成分，如胶质和酸类则为极性物，在电场作用下，随电力线方向变化而转位， 这种转位消耗了部分电能而转变为热，这不但损失电能，而且使变压器的温度增高，降低了变压器油的工作能力， 使变压器加速老化和变质。五种变压器油样品介质损耗因数的测定结果列于表2。

介质损耗因数的大小对判断油品劣化或污染程度是很敏感的。通常新油中极性杂质含量甚少，其介质损耗因数也很小，但当油劣化或混入其他杂质时，随着油中极性杂质或胶体物质含量的增加， 介质损耗因数也会随之增大。

从表2 可以看出， 国产加氢变压器油的介质损耗因数为0.000 36，比其他四种油品低很多，说明国产加氢油中含有的极性氧化物和杂质最少。而日本进口油的介质损耗因数最大，达到0.001 35，是国产加氢变压器油的3.75 倍，很可能其中含有的杂质和极性氧化物比较多， 但不排除是化学组成不同所导致的。

瑞典进口的两种环烷基油， 样品3 是最高等级的，样品2 是标准等级的。标准级样品2 的介质损耗因数是国产加氢油的2.86 倍，最高级的样品3 的介质损耗因数也是国产加氢油的1.94 倍，明显不如国产加氢油。国产的环烷基油的介质损耗因数比其他进口的环烷基油的都低， 最接近进口样品3 的最高等级的环烷基油，但也无法与国产加氢油相比。

从介质损耗因数的角度可得出国产加氢油比其他四种环烷基油优越的结论。

显然， 各种油品的介质损耗因数差异是由其化学组成和杂质含量所决定的， 其中的构效关系本研究组正在进行深入研究。

3.2 五种变压器油样体积电阻率的比较

体积电阻率是变压器油的一项重要电化学性能指标，它反映了油品的介电性能。如果该项指标不合格，会引起油系统调速部件的电化学腐蚀，尤其在伺服阀内，电阻率越低，电化学腐蚀越严重。变压器油的体积电阻率同介质损耗因数一样， 可以判断变压器油的老化程度与污染程度。油中的水分、污染杂质和酸性产物均可使电阻率降低。五种变压器油样品体积电阻率的测定结果列于表3。

从表3 可以看出， 国产加氢变压器油的体积电阻率是609.1×1010，远远比其他环烷基油的高很多，反映出加氢油中的水分、污染杂质和酸性产物非常少(尚需进一步实验证实)。而日本进口油的体积电阻率最小，为146.9×1010，只有国产加氢变压器油的24%，说明其含有的杂质可能比较多，但也有可能是加氢油与环烷基油化学成分的差异造成的。

最高等级样品3 环烷基油的体积电阻率(375.1×1010)比其标准等级的样品2 的(274.2×1010)高37%，已经很好了，但是比国产加氢变压器油的体积电阻率(609.1×1010)还是大幅度地低了62%。

虽然国产的样品5 环烷基油的介质损耗因数比其他进口的环烷基油都低， 但是它的体积电阻率(254.0×1010)比瑞典两种油的体积电阻率都低，说明体积电阻率与介质损耗因数之间没有相关性。

从体积电阻率数据比较， 同样可以得出国产加氢变压器油比其他四种环烷基油更优越的结论。该结论与介质损耗因数的比较结果是一致的， 两组数据得到互相引证。

3.3 五种变压器油样介电常数的比较

介电常数又称电容率或相对电容率， 是表征电介质或绝缘材料电性能的一个重要数据， 常用ε 表示。它是指在同一电容器中用同一物质为电介质和真空时的电容的比值， 表示电介质在电场中贮存静电能的相对能力。材料的介电常数愈小，表示其绝缘性愈好。五种变压器油样品介电常数的测定结果列于表4。

在表4 的测定结果中， 国产加氢变压器油的介电常数是2.07，比其他四种样品(平均2.125)略低一些，也就是说其绝缘性比其他的稍好一点。其他四种环烷基油，不管国产的还是进口的，也不管牌号，介电常数的测定数据大体上是一样的， 绝对差值在0.03 之内，没有明显差别。从介电常数比较，五种样品的数据大体相同，不能得出国产加氢变压器油比其他四种环烷基油明显更好的结论。

3.4 五种变压器油样击穿电压的比较

击穿电压是检验变压器油耐受极限电应力情况的重要指标， 可用来判断变压器油含水和其他悬浮物污染的程度， 以及对注入设备前油品干燥和过滤程度的检验。运行中油的击穿电压低是变压器工作处于危险状态的信号。五种变压器油样品击穿电压的测定结果列于表5。

表5 的测定结果显示， 国产加氢变压器油的击穿电压指标达到66.9kV，比其他四种油样高一个台阶，是最低的样品3 的击穿电压的2.2 倍。在此，又可以发现加氢油比环烷基油电气性能更好。

样品2 的击穿电压比最高级样品3 的击穿电压高1.2 倍， 说明最高等级样品3 油并不是什么性能都比标准等级的好。国产环烷基油的击穿电压也远远高于日本进口油和瑞典油的击穿电压。

在介质损耗因数、体积电阻率、介电常数三项指标测试中落后的日本油样， 在击穿电压指标方面比瑞典两种环烷基油都要好。这一结果反映出击穿电压指标与其他三项指标之间不存在正比例的关系。

3.5 五种变压器油样带电倾向的比较

在强迫油循环的大型电力变压器中， 由于变压器油流过绝缘纸及绝缘纸板的表面时， 会发生油流带电现象。大型电力变压器的油流带电现象，除上述外，还与变压器油的加工精制工艺、油的老化、变压器的结构(包括泵、散热器、油箱等)、运行状况、油中杂质、光照、油纸之间水分的迁移等因数有关。由于油流带电引起变压器内部放电， 是威胁大型变压器安全运行的重要因数之一。油流带电使变压器内各绝缘部件上积聚了一定的电荷， 这些电荷将建立一定强度的直流电场， 当该电场强度超过油的击穿强度或固体绝缘沿面放电强度时， 便会发生油的击穿和沿面放电，油中放电和沿面放电的发展，进一步促使油质劣化， 又使放电加强， 并在绝缘表面形成碳迹，使其绝缘性能大大降低，最终导致绝缘事故[9]。

五种变压器油样品带电倾向的测定结果列于表6。

由表6 可知， 最高级别的样品3 环烷基油的油流带电倾向最小。国产加氢变压器油的油流带电倾向也很小，不过不是最低的，说明并不是加氢变压器油的所有电气性能都最好。从总体来看，国产加氢变压器油的油流带电倾向还是明显比其他环烷基油的小得多。瑞典普通级别的样品2 环烷基油油流带电倾向是国产加氢油的2.6 倍， 日本进口油是国产加氢油的4.1 倍。国产的环烷基油表现不错，比样品2和日本进口油超出一大截， 但是仍然明显比不上国产加氢油。

从数据分析可以发现， 油流带电倾向指标并不与介质损耗因数成正比关系。

3.6 五种变压器油样电气性能测试数据与国家标准的比较

2007 年颁布执行的中华人民共和国国家标准GB/T7595-2008《运行中变压器油质量指标》[10]中的电气性能指标要求摘录于表7 中。

五种变压器油电气性能测试数据与国家标准的比较结果分别见图1～图3(图中序号6 为国家标准)。

本实验采用的油样均为未处理的投入运行前的油。由图1 可知，五种油的介质损耗因数均远远小于国家标准值0.005，数值最高的4 号样品(日本进口环烷基油)也只有标准最高限定值的27%，说明所有被测试样品都符合国家标准要求的500kV ～1000kV 电力设备质量指标。0.005 的指标只是最低的准入标准， 五种油的介质损耗因数还是存在明显优劣的。

国家标准对于设备电压最低等级35kV 及以下的变压器油的击穿电压要求是大于35kV，较高等级500kV 的变压器油的击穿电压要求是大于60kV。五种油中只有样品1 的击穿电压为66.9kV， 大于60kV，可以用于500kV 等级电力设备;样品5 击穿电压为52.1kV， 可以用于330kV 等级电力设备;样品4 为40.9kV，可以用于66kV～220kV 等级电力设备;样品2 为36.8kV，可以用于35kV 及其以下等级的电力设备。样品3 连最低标准都达不到，因此必需经过处理才能投入使用。

五种油的体积电阻率均大于6×1010Ω·m 两个数量级，即符合国标要求的的任何等级的电力设备。国家标准对油流带电倾向和析气性指标没有做出规定，不好比较。

4 结论

(1)除了样品3 高级环烷基油的击穿电压指标不达标外， 其余四种变压器油样品的电气性能测试数据都达到国家标准规定的指标， 可以满足使用要求。

(2)被测的五种变压器油样品的电气性能指标存在很大的差距。国产加氢变压器油的各种电气性能表现优异， 其介质损耗因数最低、体积电阻率最大、击穿电压最高，明显比其他四个环烷基油样品高一个台阶。国产加氢变压器油介电常数与其他四个环烷基油样品基本一样，没有明显差别，也就是说绝缘性相同。从总体来看，国产加氢变压器油的油流带电倾向比其他环烷基油小得多，运行安全性比较高。

(3)五种样品相互比较，可以得出国产加氢油电气性能普遍比其他四种进口或国产环烷基油好、运行安全性更高的结论。

(4)介质损耗因数、体积电阻率、介电常数和击穿电压以及带电倾向五项项指标之间不存在正比例的关系。各指标是相互独立的，要综合考虑才能对油样的电气性能做出正确评价。

(5)各种油品的电气性能差异是由其化学组成和杂质含量所决定的，其中的构效关系有待进一步研究。

参考文献：

[1] 王红梅. 电力用油(气)[M]. 北京：化学工业出版社，2008.

[2] 盛祖红. 加氢变压器油[J]. 合成润滑材料，2008，35(2)：8-11.

[3] 张燕, 张金芳. 加氢变压器油和环烷基变压器油抗氧化性能的评价[J]. 合成润滑材料. 2010，37(3)：10-12.

[4] 连玉英. 变压器油的性能与检验综述[J]. 广州电力，1997,(4):40-43.

[5] GB5654-2007-T，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[S].

[6] DL429.9-91， 电力系统油质试验方法绝缘油介电强度测定法[S].

[7] DL421-91，绝缘油体积电阻率测定法[S].

[8] DL/T1095-2008，变压器油带电现场测试导则[S].

[9] 陈国元. 强迫油循环变压器油流带电的危害及其抑制[J]. 华北电力技术，1992,(8)：30-35.

[10] GB/T7595-2008，运行油中变压器油质量[S].