徐 陽(yáng)，焦夏男，黃偉嘉，林旭釗，胡 婷，關(guān)偉民

（1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司廣州供電局，廣東 廣州 510000；2.武漢澤電新材料有限公司，湖北 武漢 430074；3.武漢大學(xué)，湖北 武漢 430072）

0 引言

天然酯（植物油）作為絕緣油在配電變壓器中使用可以追溯至建國(guó)初期石油資源短缺的時(shí)代。隨著我國(guó)工業(yè)化進(jìn)程的推進(jìn)，采用石油提煉的礦物油以其價(jià)格上的優(yōu)勢(shì)逐漸取代了天然酯，成為變壓器中應(yīng)用最為廣泛的一種絕緣油[1]。然而，不易降解的礦物油一旦泄漏會(huì)對(duì)水體和土壤造成嚴(yán)重的污染，并且由于其回收處理成本高而增加了變壓器的全壽命周期成本。因此，針對(duì)一些特殊的應(yīng)用場(chǎng)合（例如水電站和海上風(fēng)電等環(huán)保要求較高的變電站），自20世紀(jì)80年代西方發(fā)達(dá)國(guó)家就已經(jīng)開(kāi)始了酯類(lèi)絕緣油的研究和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。酯類(lèi)絕緣油主要分為合成酯和天然酯兩類(lèi)，合成酯性能優(yōu)越但成本高，僅用于一些特殊需求（例如不可燃、低凝點(diǎn)等）應(yīng)用場(chǎng)合；天然酯在國(guó)外的應(yīng)用相對(duì)合成酯更加廣泛，目前全球已經(jīng)有超過(guò)百萬(wàn)臺(tái)使用天然酯作為絕緣油的變壓器在運(yùn)行[2-4]。雖然國(guó)內(nèi)目前天然酯絕緣油變壓器投運(yùn)的臺(tái)數(shù)有限，但隨著天然酯絕緣油制備技術(shù)的提高和成本的不斷降低，國(guó)內(nèi)存在較大的市場(chǎng)空間。

由于天然酯絕緣油相對(duì)于傳統(tǒng)的礦物絕緣油存在黏度和凝點(diǎn)較高等劣勢(shì)，天然酯絕緣油變壓器在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)考慮相關(guān)特性參數(shù)，例如加寬油道等。此外，120℃下絕緣紙?jiān)谔烊货ソ^緣油中的老化速率約為礦物絕緣油中的1/5[5-9]，使用天然酯絕緣油對(duì)在役礦物絕緣油變壓器進(jìn)行延壽的研究和工程實(shí)踐已在南方電網(wǎng)等電力企業(yè)開(kāi)始實(shí)施。在換油過(guò)程中變壓器中的殘余礦物絕緣油不可避免地會(huì)與新添加的天然酯絕緣油混合。因此，掌握混合后的絕緣油基本電氣特性參數(shù)對(duì)于換油延壽技術(shù)至關(guān)重要。本研究通過(guò)加速熱老化實(shí)驗(yàn)研究天然酯絕緣油和礦物絕緣油按不同比例混合后的熱老化特性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果可對(duì)換油后變壓器絕緣油的性能參數(shù)和熱老化特性提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 主要原材料

本研究采用的絕緣油為澤電大豆基天然酯和克拉瑪依25#礦物油，兩種油的主要性能參數(shù)如表1所示。從表1可以看出，天然酯絕緣油的擊穿電壓較高，然而其介質(zhì)損耗因數(shù)、運(yùn)動(dòng)黏度、酸值相對(duì)礦物油較大，這是由天然酯絕緣油的組成特性決定的。兩種樣品性能均滿(mǎn)足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求[10-11]。其中天然酯絕緣油的相對(duì)介電常數(shù)與絕緣紙的更接近，燃點(diǎn)遠(yuǎn)高于礦物油，在絕緣設(shè)計(jì)上具有優(yōu)勢(shì)。

表1 天然酯和礦物油的主要性能參數(shù)Tab.1 Main performance of natural ester and mineral oil

1.2 加速熱老化實(shí)驗(yàn)

按天然酯體積分?jǐn)?shù)分別為0%、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%和100%，與礦物絕緣油均勻混合成400 mL混合液，密封（25℃）靜置24 h后測(cè)量各樣品的介質(zhì)損耗因數(shù)、酸值、擊穿電壓、微水含量、燃點(diǎn)等，得到不同混合油樣相關(guān)性能參數(shù)的初始值。然后將樣品置入恒溫箱進(jìn)行100℃、168 h加速熱老化處理。測(cè)量加速熱老化后混合油樣的主要性能，并與其初始的性能參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析。

1.3 性能測(cè)試

絕緣油酸值采用SYD-264B型自動(dòng)酸值滴定儀，依據(jù)GB/T 264—1983進(jìn)行測(cè)量；介質(zhì)損耗因數(shù)采用AI6000型油介損電阻率測(cè)量?jī)x依據(jù)GB/T 5654—2007進(jìn)行測(cè)量；擊穿電壓采用HYG-100kV型絕緣油介電強(qiáng)度自動(dòng)測(cè)試儀依據(jù)GB/T 507—2002進(jìn)行測(cè)量；微水含量采用WS-3000型微量水分測(cè)量?jī)x依據(jù)GB/T 7600—2014進(jìn)行測(cè)量；燃點(diǎn)采用SYD-3536型開(kāi)口閃點(diǎn)燃點(diǎn)測(cè)試儀依據(jù)GB/T 3536—2008進(jìn)行測(cè)量。

2 結(jié)果與討論

2.1 擊穿電壓

熱老化前后不同比例混合絕緣油的擊穿電壓如圖1所示。從圖1可以看出，當(dāng)天然酯體積分?jǐn)?shù)小于40%時(shí)，老化前混合油樣的擊穿電壓相比純礦物油有所下降，在體積分?jǐn)?shù)為20%時(shí)達(dá)到最低，然后逐步升高。當(dāng)天然酯體積分?jǐn)?shù)超過(guò)40%時(shí)，混合油樣的擊穿電壓開(kāi)始超過(guò)純礦物油，并且擊穿電壓變化波動(dòng)逐漸減小，整體而言，不同混合比例的混合油樣，初始擊穿電壓均保持在65 kV以上。

圖1 熱老化前后不同比例混合絕緣油的擊穿電壓Fig.1 Breakdown voltage of mixed insulating oil with different proportion before and after thermal ageing

加速熱老化后，所有混合油樣的擊穿電壓均有一定程度下降，但整體隨著天然酯含量的增加下降幅度減小，擊穿電壓逐漸增大。天然酯體積分?jǐn)?shù)在10%以上的混合油樣經(jīng)歷加速熱老化后擊穿電壓較純礦物絕緣油有所增大，尤其是當(dāng)天然酯體積分?jǐn)?shù)在90%以上（礦物油體積分?jǐn)?shù)在10%以下）時(shí)，混合油樣的擊穿電壓和老化前相當(dāng)。值得注意的是純天然酯在加速熱老化實(shí)驗(yàn)后的擊穿電壓較熱老化實(shí)驗(yàn)前甚至略有提升。與后面的介質(zhì)損耗因數(shù)、酸值和微水的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比可知，這不意味著天然酯在高溫下的分解速率更低，而是由于天然酯與礦物油的熱老化分解產(chǎn)物不同，以及天然酯本身特性造成了擊穿電壓的差異，同時(shí)也有可能是擊穿電壓測(cè)試存在一定的波動(dòng)性。

2.2 介質(zhì)損耗因數(shù)

圖2為熱老化前后不同比例混合絕緣油的介質(zhì)損耗因數(shù)。

圖2 熱老化前后不同比例混合絕緣油的介質(zhì)損耗因數(shù)Fig.2 Dielectric loss factor of mixed insulating oil with different proportion before and after thermal ageing

從圖2可以看出，老化前天然酯的初始介質(zhì)損耗因數(shù)約為礦物油的兩倍，隨著天然酯占比的增加，混合油樣的介質(zhì)損耗因數(shù)增大。當(dāng)天然酯的體積分?jǐn)?shù)在40%以下時(shí)，混合油樣的介質(zhì)損耗因數(shù)增大速度較快，當(dāng)天然酯的體積分?jǐn)?shù)在80%以上時(shí)，混合油樣的介質(zhì)損耗因數(shù)變化幅度減小，幾乎和純天然酯一致。但是老化后，純礦物油的介質(zhì)損耗因數(shù)有所增大，從0.404%增大到0.588%，純天然酯的介質(zhì)損耗因數(shù)反而有所減小，從1.122%減小到0.744%。分析原因可能是礦物油本身是非極性物質(zhì)，介質(zhì)損耗因數(shù)很小，在熱老化后，分解產(chǎn)生了少量的極性物質(zhì)，導(dǎo)致介質(zhì)損耗因數(shù)增大。而天然酯分子的成分和結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，本身是弱極性物質(zhì)，即便純度很高，天然酯的初始介質(zhì)損耗因數(shù)也一般比礦物油大許多。在熱老化過(guò)程中，一方面天然酯會(huì)分解產(chǎn)生極性物質(zhì)，另一方面部分極性物質(zhì)也可能會(huì)進(jìn)一步分解消失，當(dāng)極性物質(zhì)的分解速度快于生成速度時(shí)，則介質(zhì)損耗因數(shù)會(huì)減小。當(dāng)天然酯體積分?jǐn)?shù)高于30%后，老化后油樣的介質(zhì)損耗因數(shù)比老化前均有所減小，且天然酯含量越高，降低的幅度越大。當(dāng)天然酯體積分?jǐn)?shù)為10%時(shí)，老化后油樣的介質(zhì)損耗因數(shù)有個(gè)突變，一方面可能是大量礦物油的混入對(duì)天然酯的影響較大，老化過(guò)程生成的極性物質(zhì)占主導(dǎo)，另一方面也可能是由于混合油樣取樣或測(cè)試過(guò)程存在誤差，暫時(shí)無(wú)法形成規(guī)律性結(jié)論，需開(kāi)展進(jìn)一步的研究分析。不過(guò)，在不同混合比例下，混合油樣熱老化前后的介質(zhì)損耗因數(shù)差異不大，均在0.5%以下，整體而言，老化后混合油樣的介質(zhì)損耗因數(shù)還是比純礦物油大。與擊穿電壓的數(shù)據(jù)對(duì)照可見(jiàn)，介質(zhì)損耗因數(shù)和擊穿電壓之間沒(méi)有明顯的負(fù)相關(guān)性，不同比例混合油樣的擊穿電壓和介質(zhì)損耗因數(shù)并沒(méi)有太大的異常波動(dòng)。

2.3 酸值

圖3為熱老化前后不同比例混合絕緣油的酸值。

圖3 熱老化前后不同比例混合絕緣油的酸值Fig.3 Acid values of mixed insulating oil with different proportion before and after thermal ageing

從圖3可以看出，由于天然酯的酸值高于礦物油，混合油樣老化前酸值隨著天然酯含量的增加而線(xiàn)性增大，表明混合油樣之間沒(méi)有發(fā)生形成酸性物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)。純礦物油加速熱老化前后的酸值變化不大，說(shuō)明礦物油的熱分解產(chǎn)物中酸類(lèi)產(chǎn)物含量并不高。而天然酯絕緣油老化前后酸值變化較大，一方面是由于天然酯初始的酸值大于礦物油，另一方面是由于其主要成分為油酸、亞油酸，這兩者都含有不飽和脂肪酸，而天然酯的氧化穩(wěn)定性本身也低于礦物油?；旌辖^緣油經(jīng)歷加速熱老化后酸值均有所增大，先隨著天然酯含量增加而升高，在天然酯體積分?jǐn)?shù)達(dá)到50%以上時(shí)增大趨勢(shì)逐漸平緩。雖然天然酯的酸值增幅大于礦物油，但是天然酯分解的酸一般為長(zhǎng)鏈脂肪酸，相比礦物油分解的短鏈酸化學(xué)活性要低，從前面擊穿電壓和介質(zhì)損耗因數(shù)的結(jié)果也可以發(fā)現(xiàn)其對(duì)絕緣油的電氣性能影響不大。

2.4 微水含量

圖4為熱老化前后不同比例混合絕緣油的微水含量。

圖4 熱老化前后不同比例混合絕緣油的微水含量Fig.4 Water content of mixed insulating oil with different proportion before and after thermal ageing

從圖4可以看出，由于天然酯的含水量高于礦物油，混合油樣老化前含水量隨著天然酯含量的增加而線(xiàn)性增加，沒(méi)有出現(xiàn)異常的變化。加速熱老化對(duì)絕緣油中的微水含量影響不大，因?yàn)闊o(wú)論是天然酯還是礦物油，其熱分解產(chǎn)物中水分的比例都極低。不過(guò)相對(duì)而言，隨著天然酯含量的增加，混合油樣的含水量增幅加大，這主要是因?yàn)樘烊货サ娘柡秃窟h(yuǎn)高于礦物油（25℃時(shí)天然酯的飽和含水量約為1 100 mg/kg，而礦物油的約為55 mg/kg），天然酯的親水性比礦物油強(qiáng)，含水量也高很多，因此水分更容易溶解在天然酯中。從圖4還可以看出，混合油中微水含量和天然酯所占比例成正相關(guān)。但對(duì)比圖1可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)天然酯體積分?jǐn)?shù)在20%以下時(shí)，混合油擊穿電壓隨著微水含量增加而減??；當(dāng)天然酯體積分?jǐn)?shù)為20%～40%時(shí)，即便微水含量有所增加，但混合油樣初始擊穿電壓反而有所增大，這可能是由于純天然酯的初始擊穿電壓大于純礦物油，微量水分對(duì)礦物油的擊穿電壓影響較大，對(duì)天然酯的擊穿電壓影響較??；當(dāng)天然酯體積分?jǐn)?shù)在50%以上時(shí)，混合油樣的擊穿電壓幾乎不再受微水含量增加的影響，一直穩(wěn)定維持在75 kV左右。老化后的混合油樣也可以發(fā)現(xiàn)類(lèi)似的規(guī)律，對(duì)于天然酯體積分?jǐn)?shù)為90%的混合油樣，微水含量超過(guò)了70 mg/kg，但擊穿電壓依然和老化前一致，保持在75 kV以上。而老化后的純礦物油微水含量?jī)H7.405 mg/kg，擊穿電壓低至60 kV以下，天然酯體積分?jǐn)?shù)為10%的混合油樣，其微水含量不到20 mg/kg，但擊穿電壓相比純礦物油老化油樣又減小了3.7%。說(shuō)明微水含量對(duì)礦物油擊穿電壓的影響程度遠(yuǎn)大于天然酯，混合油樣中水分的增加主要是由于天然酯比例的增加，但是溶解態(tài)的水分并不會(huì)顯著減小絕緣油的擊穿電壓，尤其是天然酯含量越高，水分對(duì)混合油樣擊穿電壓的影響反而越小。不過(guò)水解反應(yīng)對(duì)絕緣紙的老化具有重要影響，因此干燥的運(yùn)行環(huán)境對(duì)含有天然酯的絕緣油來(lái)說(shuō)依然十分重要。

2.5 燃點(diǎn)

圖5是不同比例混合絕緣油的燃點(diǎn)變化曲線(xiàn)。

圖5 熱老化前后不同比例混合絕緣油的燃點(diǎn)Fig.5 Ignition point of mixed insulating oil with different proportion before and after thermal ageing

從圖5可以明顯地發(fā)現(xiàn)，混合油樣中天然酯體積分?jǐn)?shù)在80%以下時(shí)，混合油樣的燃點(diǎn)幾乎和純礦物油沒(méi)有太大區(qū)別，當(dāng)天然酯體積分?jǐn)?shù)超過(guò)80%時(shí)，燃點(diǎn)才有所升高，不過(guò)即便是天然酯體積分?jǐn)?shù)達(dá)到90%，混合油樣的燃點(diǎn)也僅為純天然酯的68.5%，老化后油樣的燃點(diǎn)變化程度不大，略微有點(diǎn)下降，但整體和老化前相似。也就是說(shuō)礦物油混合比例達(dá)到10%時(shí)，混合油樣的燃點(diǎn)就劇烈下降，然后變化趨于平緩，幾乎接近礦物油的燃點(diǎn)。為了保證換油后的油樣依然擁有良好的防火性能，建議盡可能減少變壓器中原來(lái)的殘留礦物油，使混合油中礦物油體積分?jǐn)?shù)不要超過(guò)10%，最好控制在5%以下。

3 結(jié)論

（1）老化后，混合油樣的擊穿電壓均有一定程度減小，但整體隨著天然酯含量的增加，下降幅度減小，純天然酯的擊穿電壓老化前后幾乎沒(méi)有變化。

（2）老化前，混合油樣的介質(zhì)損耗因數(shù)隨著天然酯含量的增加而增大。但當(dāng)混合油樣中天然酯體積含量超過(guò)30%時(shí)，老化油樣的介質(zhì)損耗因數(shù)比老化前均有所減小，且天然酯含量越高，下降幅度越大。

（3）老化前后混合油樣的酸值都隨著天然酯含量增加而升高，但在天然酯體積分?jǐn)?shù)超過(guò)50%時(shí)，變化趨勢(shì)逐漸平緩。

（4）天然酯的含水量高于礦物油，并且隨著熱老化有進(jìn)一步升高的趨勢(shì)，不過(guò)天然酯含量越高，水分對(duì)混合油樣擊穿電壓的影響反而越小。

（5）老化前后混合油樣的燃點(diǎn)變化不大，但是礦物油的混入對(duì)天然酯的燃點(diǎn)影響很大，若想保持250℃以上的高燃點(diǎn)，建議混合油中礦物油含量不要超過(guò)10%，最好控制在5%以下。