羅永利，羅傳仙，王鵬浩，張 靜，邴 龍，陳 鶴，羅子秋

（1.國網(wǎng)呼倫貝爾供電公司，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021100；2.國網(wǎng)電力科學(xué)研究院武漢南瑞有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430074）

0 引言

油浸式電力變壓器作為電力系統(tǒng)中能量傳輸分配的核心，在電網(wǎng)中占據(jù)著重要的地位。變壓器運(yùn)行中受內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)及周圍環(huán)境等因素的影響，其內(nèi)部油紙絕緣性能會不斷劣化，導(dǎo)致變壓器發(fā)生故障，給電網(wǎng)供電帶來安全隱患[1-2]。

油浸式電力變壓器的內(nèi)部絕緣主要由絕緣紙板和變壓器油構(gòu)成，因此變壓器油是極其重要的液體絕緣介質(zhì)[3]。國內(nèi)外研究表明，變壓器油的絕緣性能直接決定變壓器能否處于正常安全的運(yùn)行狀態(tài)，水分和溫度是影響其絕緣性能的主要因素[4-8]。變壓器油中水分含量的增加會改變變壓器內(nèi)部的電場分布，使得變壓器中油紙絕緣的電氣強(qiáng)度快速下降，加快變壓器油的老化，縮短變壓器油的絕緣壽命[9]。

然而上述研究大多在常溫或高溫條件下進(jìn)行，在低溫或極寒條件下變壓器油的性能研究報道很少。近年來在我國東北寒冷地區(qū)和西部高海拔地區(qū)，變壓器長期面臨-40℃及以下溫度的極寒天氣，給其正常運(yùn)行造成極大的影響，如吉林通化地區(qū)和雙陽地區(qū)的主變壓器曾因溫度過低使得瓦斯繼電器及連管中的變壓器油凝固，導(dǎo)致變壓器輕瓦斯保護(hù)動作[10-11]。因此，亟需開展極寒條件下變壓器油的性能研究工作。

水分是低溫或降溫過程中研究變壓器油性能的關(guān)鍵因素，隨著油溫的變化，水分以溶解水、懸浮水、沉積水3種存在形式相互轉(zhuǎn)化[12-13]。當(dāng)溫度較高時，油中水分主要為溶解水；當(dāng)溫度降低時，水在油中溶解度降低達(dá)到過飽和狀態(tài)形成極微小的水珠懸浮于油中，成為懸浮態(tài)水分，過多懸浮態(tài)水分聚集便會沉積在油底部形成沉積水；當(dāng)溫度降至0℃及以下時，微水凝結(jié)成冰滴，水的相位發(fā)生改變，使變壓器油和微水構(gòu)成的體系變得不再單一、均質(zhì)，其電氣理化性能將發(fā)生改變，可能使油液劣化變質(zhì)失去原有的功能，造成變壓器的運(yùn)行故障[14]。

因此，為探究極寒條件下不同微水含量變壓器油的黏度、導(dǎo)熱系數(shù)和介電性能的特性，本研究通過高低溫試驗(yàn)箱控制變壓器油及試驗(yàn)環(huán)境溫度，在每個溫度點(diǎn)采集數(shù)據(jù)，對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合計(jì)算等處理，分析從常溫到極寒條件下微水含量對變壓器油的黏度、導(dǎo)熱系數(shù)、電導(dǎo)率與介電性能的影響。

1 試驗(yàn)

1.1 主要原材料

45#變壓器油，上海松行貿(mào)易發(fā)展有限公司；3A分子篩，奧斯催化材料（大連）有限公司。

1.2 設(shè)備和儀器

BYES-8A型微量水分測定儀，邦億精密量儀（上海）有限公司；高低溫試驗(yàn)箱，武漢環(huán)試檢測設(shè)備有限公司；NDJ-8S型旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)，上海精天電子儀器有限公司；TC4000E型導(dǎo)熱系數(shù)測試儀，西安夏溪電子科技有限公司；DX6100型一體化精密油介損體積電阻率測試儀，揚(yáng)州攀峰電氣有限公司；高溫馬弗爐，河南泰斯特儀器有限公司；真空過渡倉，鄭州克普斯機(jī)械設(shè)備有限公司。

1.3 試樣制備

45#變壓器油中微水含量x用微水質(zhì)量/變壓器油總質(zhì)量表示，如式（1）所示。

式（1）中：w表示微水質(zhì)量，mg；s表示變壓器油總質(zhì)量，kg；故微水含量x單位為mg/kg，即試驗(yàn)中BYES-8A型微量水分測定儀輸出的微水含量結(jié)果單位。

通過微量水分測定儀測得試驗(yàn)所用的初始45#變壓器油的微水含量為23.5 mg/kg，然后對45#變壓器油初始試樣進(jìn)行除水和加濕處理得到不同微水含量試樣。

除水處理是利用3A分子篩實(shí)現(xiàn)的，使用前需對其進(jìn)行活化處理，步驟如下：先將分子篩放入馬弗爐在400℃下加熱4 h，然后降溫至200℃后將分子篩移至充滿氮?dú)獾恼婵者^渡艙冷卻至室溫。制備好活化的分子篩后放入700 mL的初始45#變壓器油試樣中，靜置兩天獲得微水含量較低的變壓器油試樣。

加濕處理是將加濕器噴出的水霧通過導(dǎo)管引到盛有微水含量為23.5 mg/kg的45#變壓器油玻璃瓶口，保持2 min后移走導(dǎo)管停止加濕，并將處理過的變壓器油密封靜置1 d獲得微水含量較高的變壓器油試樣。

最后通過等體積混合微水含量較低的變壓器油和原始的變壓器油可獲得微水含量處在中間值的變壓器油試樣。

完成上述4種微水含量的變壓器油的配置后，采用BYES-8A型微量水分測定儀對每瓶變壓器油微水含量進(jìn)行3次測量并取平均值，測量結(jié)果如表1所示。

表1 4種油樣的微水含量測量數(shù)據(jù)Tab.1 Measurement data of trace moisture content in four oil samples

1.4 試驗(yàn)方法

1.4.1 黏度

依據(jù)GB/T 10247—2008中的《黏度測量方法》和JJG 1002—2005的《旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)檢定規(guī)程》，采用NDJ-8S型旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測量變壓器油黏度，分別設(shè)置9個溫度測試點(diǎn)：30、20、10、0、-10、-20、-30、-35、-40℃。由于-50℃時變壓器油凝固，黏度計(jì)無法工作，未能獲得該溫度下的數(shù)據(jù)。

1.4.2 導(dǎo)熱系數(shù)

依據(jù)GB/T 10297—2015和ASTM D5930-2017的導(dǎo)熱系數(shù)測量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，采用導(dǎo)熱系數(shù)測試儀測量變壓器油導(dǎo)熱系數(shù)，測量方法稱為瞬態(tài)熱線法（又名探針法），探針直徑為1.6 mm，測量范圍為0.02～5.00 W/(m·K)，分辨率可達(dá)0.000 1 W/(m·K)，分別設(shè)置9個溫度測試點(diǎn)：30、20、10、0、-10、-20、-30、-40、-50℃。

1.4.3 電導(dǎo)率和介電性能

依據(jù)GB/T 5654—2007《液體絕緣材料工頻相對介電常數(shù)、介質(zhì)損耗因數(shù)和體積電阻率的測量》，采用一體化精密油介損體積電阻率測試儀測量變壓器油電導(dǎo)率、相對介電常數(shù)和介質(zhì)損耗因數(shù)，分別設(shè)置 9 個溫度測試點(diǎn)：30、20、10、0、-10、-20、-30、-40、-50℃。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 微水含量對黏度的影響

圖1為4種微水含量油樣動力黏度隨溫度變化的曲線。

圖1 4種微水含量變壓器油黏度隨溫度變化曲線Fig.1 Temperature dependence curves of transformer oil viscosity with four kinds of trace moisture content

從圖1可以看出，4種油樣的動力黏度均從30℃開始隨溫度的降低呈凹曲線上升，且微水含量越高，曲線上升越快。相比較于溫度對黏度的影響，微水含量對變壓器油黏度影響較小，當(dāng)溫度降到-10℃以下時，微水含量較高的變壓器油的黏度曲線才稍高于微水含量較低的變壓器油。

對4種微水含量的變壓器油黏度變化曲線進(jìn)行擬合分析，得到4種油樣的擬合曲線均服從式（2）的指數(shù)函數(shù)規(guī)律。

式（2）中：y表示待測油樣的動力黏度，mPa·s；t表示待測油樣的溫度，℃。A1、A2、t1、t2、y0均為擬合曲線表達(dá)式中的擬合參數(shù)，表2為不同油樣表達(dá)式中的擬合參數(shù)數(shù)值。

表2 4種擬合曲線的參數(shù)數(shù)值Tab.2 Parameter values of four fitting curves

根據(jù)文獻(xiàn)[15]，擬合曲線服從指數(shù)函數(shù)規(guī)律可以通過流變學(xué)原理進(jìn)行解釋。從流變學(xué)原理的角度，變壓器油的黏度用式（3）表示。當(dāng)摩爾體積隨溫度變化小且ΔS*不隨溫度變化的情況下，式（3）可簡化為式（4）。

式（3）～（4）中：η為黏度；h為普朗克常數(shù)；N為阿伏伽德羅常數(shù)；S*為粘流過程的活化熵；H*為粘流過程的焓；V為摩爾體積；R為氣體摩爾常數(shù)；T為絕對溫度；A為常數(shù)；Eη為流動活化能。

從式（4）可知，變壓器油的黏度隨溫度的變化服從指數(shù)函數(shù)表達(dá)式。因此結(jié)合式（4）和液體流動活化理論對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行解釋如下：隨著溫度的降低，變壓器油中分子的熱運(yùn)動速率變慢，流體的自由空間變小，導(dǎo)致分子向周圍空間躍遷的阻力變大，從宏觀上表現(xiàn)為變壓器油的黏度隨著溫度的降低呈指數(shù)型增大。

2.2 微水含量對導(dǎo)熱系數(shù)的影響

圖2為4種微水含量的變壓器油導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的變化曲線。從圖2可知，不同微水含量的變壓器油導(dǎo)熱系數(shù)受溫度和微水含量的影響較小，整體均在較小范圍內(nèi)波動。

圖2 4種微水含量變壓器油導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度變化曲線Fig.2 Temperature dependence curves of thermal conductivity of transformer oil with four kinds of trace moisture content

圖2顯示4種微水含量的變壓器油的導(dǎo)熱系數(shù)隨著溫度的降低在小范圍內(nèi)整體呈先減小后增大的趨勢，推斷其可能的原因是：隨著溫度降低，變壓器油的飽和吸水濃度降低，一部分水從油中析出，析出的微水分子阻礙油分子的熱運(yùn)動，使得導(dǎo)熱系數(shù)減小。當(dāng)溫度降到0℃以下時，析出的微水凝結(jié)成冰滴，冰滴對油分子熱運(yùn)動的阻礙進(jìn)一步加大，導(dǎo)熱系數(shù)繼續(xù)減小。當(dāng)溫度降到-45℃以后，變壓器油和微水組成的復(fù)合體系完全凝固，導(dǎo)熱系數(shù)開始增大。

與溫度相比，微水含量的變化對變壓器油導(dǎo)熱系數(shù)的影響較小，隨著微水含量的增加，導(dǎo)熱系數(shù)僅在小范圍內(nèi)波動。

2.3 微水含量對介電性能的影響

2.3.1 相對介電常數(shù)

圖3為4種微水含量的變壓器油的相對介電常數(shù)隨溫度的變化曲線。從圖3可以看出，4種不同微水含量的變壓器油的相對介常數(shù)均隨著溫度的降低而近似呈線性增大。相比于溫度，微水含量對變壓器油的相對介電常數(shù)影響較小，4種不同微水含量的變壓器油的相對介電常數(shù)隨溫度變化趨勢相同，僅在很小范圍內(nèi)波動。

圖3 4種微水含量變壓器油相對介電常數(shù)隨溫度變化曲線Fig.3 Temperature dependence curves of relative permittivity of transformer oil with four kinds of trace moisture content

出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因是：變壓器油主要成分為烷烴、環(huán)烷族飽和烴、芳香族不飽和烴等化合物，屬于弱極性介質(zhì)。電介質(zhì)極化的宏觀參數(shù)εr與分子微觀參數(shù)N、α、Ei的關(guān)系，即克勞修斯方程式[16]，如式（5）所示。

式（5）中：εr為相對介電常數(shù)；N為單位體積分子數(shù)；α為分子極化率；Ei為作用于分子的有效電場；ε0為真空介電常數(shù)；E為作用在電介質(zhì)上的宏觀電場。

根據(jù)式（5）可知，當(dāng)變壓器油體積隨溫度降低而減小時，變壓器油單位體積內(nèi)分子數(shù)目N上升，從而使得變壓器油相對介電常數(shù)增大。

2.3.2 電導(dǎo)率

圖4為4種微水含量的變壓器油的電導(dǎo)率隨溫度的變化曲線。從圖4可以看出：①從30℃開始4種微水含量的變壓器油的電導(dǎo)率隨著溫度的降低均呈先增大后減小的趨勢，形成4條單峰值曲線；②隨著微水含量由7.8 mg/kg增大到35.5 mg/kg，電導(dǎo)率的峰值升高，對應(yīng)出現(xiàn)電導(dǎo)率峰值的溫度從-15℃升高到0℃。

圖4 4種微水含量變壓器油電導(dǎo)率隨溫度變化曲線Fig.4 Temperature dependence curves of electrical conductivity of transformer oil with four kinds of trace moisture content

通過文獻(xiàn)[17]的研究結(jié)果，可以對上述的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行解釋：①隨著溫度下降，變壓器油的飽和吸水濃度下降，當(dāng)油中含水量高于對應(yīng)溫度下的飽和濃度時，一部分水從油中析出，構(gòu)成變壓器油和微水的復(fù)合體系。在0℃附近，復(fù)合體系中微水含量達(dá)到最大值，電導(dǎo)率隨之達(dá)到峰值。峰值過后隨著溫度繼續(xù)下降，變壓器油的飽和吸水濃度持續(xù)降低，油的黏度逐漸增大，復(fù)合體系中的微水含量增加并凝結(jié)成冰滴，冰的電導(dǎo)率比水小，故復(fù)合體系的電導(dǎo)率下降；②隨著溫度的降低，微水含量越高的油樣越先達(dá)到對應(yīng)溫度下油的飽和吸水濃度，導(dǎo)致油水復(fù)合體系中析出的微水變多，電導(dǎo)率出現(xiàn)的峰值越高。降溫過程中，越先達(dá)到飽和吸水濃度的油出現(xiàn)電導(dǎo)率峰值的時間越早，出現(xiàn)峰值對應(yīng)的溫度越高。

2.3.3 介質(zhì)損耗因數(shù)

圖5為4種微水含量的變壓器油的介質(zhì)損耗因數(shù)隨溫度的變化曲線。從圖5可以看出，隨著溫度的降低，4種不同微水含量的變壓器油介質(zhì)損耗因數(shù)均呈先增大后減小的趨勢，形成4條單峰值曲線。隨著微水含量的增大，介質(zhì)損耗因數(shù)的峰值增大，介質(zhì)損耗因數(shù)峰值的溫度從-15℃升高到5℃。對比可知，4種不同微水含量變壓器油的介質(zhì)損耗因數(shù)-溫度曲線變化規(guī)律與電導(dǎo)率-溫度曲線變化規(guī)律相同。

圖5 4種微水含量變壓器油介質(zhì)損耗因數(shù)隨溫度變化曲線Fig.5 Temperature dependence curves of dielectric loss factor of transformer oil with four kinds of trace moisture content

變壓器油介質(zhì)損耗因數(shù)（tanδ）的表達(dá)式為式（6）～（7）。

式（6）～（7）中：γ為電導(dǎo)率；g為松弛極化損耗的等效電導(dǎo)率；ω為外施交變電場的角頻率；ε0為真空介電常數(shù)；εr為相對介電常數(shù)；εs為靜態(tài)介電常數(shù)；ε∞為光頻介電常數(shù)；τ為松弛極化時間常數(shù)。

由于變壓器油極性弱，且松弛時間常數(shù)τ很小[18-19]，其介質(zhì)損耗因數(shù)表達(dá)式可簡化為式（8）。

根據(jù)式（8）可知，在交流電場作用下，tanδ和電導(dǎo)率γ成正比關(guān)系，因此變壓器油的介質(zhì)損耗因數(shù)-溫度曲線變化規(guī)律與電導(dǎo)率-溫度曲線變化規(guī)律相同。

3 結(jié)論

（1）不同微水含量的變壓器油動力黏度值隨溫度的下降符合指數(shù)函數(shù)規(guī)律。不同微水含量的變壓器油動力黏度值在-10℃以上差異不大，在-10℃以下出現(xiàn)微小差異，微水含量越高的變壓器油動力黏度值越高。

（2）不同微水含量的變壓器油導(dǎo)熱系數(shù)受溫度和微水含量的影響較小，整體均在較小范圍內(nèi)波動。

（3）不同微水含量的變壓器油相對介電常數(shù)隨溫度的降低近似呈線性增大，不同微水含量變壓器油的相對介電常數(shù)變化趨勢相同，差異不大。介質(zhì)損耗因數(shù)隨溫度的降低呈先增大后減小的趨勢，微水含量越高的介質(zhì)損耗因數(shù)峰值越高，對應(yīng)達(dá)到的介質(zhì)損耗峰值溫度越高，其曲線變化規(guī)律與電導(dǎo)率-溫度曲線變化規(guī)律相同。