柴淑穎

0 引言

牽引變壓器是一種特殊變壓器，作為高鐵和電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，其壽命和可靠性直接關(guān)系到運(yùn)行成本及安全性。近年來，天然酯絕緣油由于其環(huán)保和安全的特性，日益為電力用戶和變壓器生產(chǎn)廠家所關(guān)注，特別是國(guó)產(chǎn)天然酯絕緣油具備供貨能力以來，已有不少配電變壓器更新改造項(xiàng)目采用該產(chǎn)品[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前國(guó)內(nèi)投運(yùn)的天然酯絕緣油配電變壓器已有3千多臺(tái)。除了配電變壓器，更高電壓等級(jí)的電力變壓器能否采用天然酯絕緣油正成為新的研究課題。隨著天然酯絕緣油產(chǎn)品價(jià)格的下降和性能的不斷改進(jìn)提高，天然酯絕緣油或有更大的應(yīng)用空間。本文就天然酯絕緣油在牽引變壓器中使用時(shí)對(duì)變壓器壽命的影響進(jìn)行分析，以期為牽引變壓器的絕緣系統(tǒng)選擇提供參考。

1 牽引變壓器的運(yùn)行特點(diǎn)與壽命評(píng)估

與普通變壓器相比，牽引變壓器經(jīng)常承受過負(fù)荷和短路沖擊，其故障發(fā)生率和絕緣老化程度明顯高于普通電力變壓器，運(yùn)行條件較惡劣。牽引變壓器的使用壽命取決于變壓器運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)期經(jīng)受電氣、機(jī)械、熱環(huán)境和其他條件以及其聯(lián)合作用的考驗(yàn)，變壓器固體絕緣纖維素大分子的老化過程即纖維素的降解過程是多種外界因素、多種降解過程綜合作用的結(jié)果，絕緣的老化是溫度、含水量、含氧量和含酸量的時(shí)間函數(shù)，迄今為止還沒有簡(jiǎn)單且唯一的壽命終止準(zhǔn)則用于定量變壓器的剩余壽命。Montsinger首次利用拉伸強(qiáng)度（Tensile Strength，簡(jiǎn)稱TS）來確定不同溫度下絕緣紙的老化速率，并建議將TS值下降至初始值的一半時(shí)作為絕緣紙絕緣壽命的終點(diǎn)。20世紀(jì)80年代，國(guó)外學(xué)者提出了用粘度法測(cè)量絕緣紙聚合度（Degree of Polymerization，簡(jiǎn)稱DP）作為變壓器內(nèi)絕緣老化程度的判別依據(jù)，普遍認(rèn)為新絕緣紙的聚合度為1 000左右，當(dāng)DP值下降到500時(shí)，變壓器整體壽命已進(jìn)入中期；當(dāng)DP值下降到200時(shí)，已到壽命晚期。除了根據(jù)變壓器固體絕緣紙板在水、高溫和化學(xué)反應(yīng)等條件下產(chǎn)生的糠醛、CO、CO2等含量預(yù)測(cè)變壓器壽命外，比較可行的方法是依據(jù)油紙絕緣系統(tǒng)的聚合度、抗張強(qiáng)度等參數(shù)的變化預(yù)測(cè)變壓器的壽命，根據(jù)相關(guān)參數(shù)對(duì)牽引變壓器的壽命作出大致估算。

GB/T 1094.7—2008《電力變壓器 第7部分：油浸式電力變壓器負(fù)荷導(dǎo)則》列出了在110 ℃參考溫度下充分干燥、無氧氣的熱改性絕緣系統(tǒng)正常絕緣壽命，見表1[2]。

表1 在110 ℃參考溫度下充分干燥、無氧氣的熱改性絕緣系統(tǒng)正常絕緣壽命

以熱點(diǎn)溫度為基準(zhǔn)，采用非熱改性紙絕緣材料時(shí)熱點(diǎn)溫度值為98 ℃時(shí)的相對(duì)老化率為1，相對(duì)熱老化率V定義為

式中：θh為熱點(diǎn)溫度，℃。

在一定時(shí)期內(nèi)的壽命損失L為

式中：Vn為第n個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)的相對(duì)熱老化率；tn為第n個(gè)時(shí)間間隔的時(shí)長(zhǎng)；n為所考慮期間內(nèi)時(shí)間間隔的序數(shù)；N為所考慮期間內(nèi)時(shí)間間隔的總數(shù)。

TB/T 3159—2007《電氣化鐵路牽引變壓器技術(shù)條件》規(guī)定牽引變壓器的正常使用壽命不少于30年，客運(yùn)專線牽引變壓器的典型負(fù)荷曲線如圖1[3]所示，且規(guī)定環(huán)境溫度為30 ℃時(shí)線圈最熱點(diǎn)溫度不超過140 ℃，頂層油溫不超過105 ℃。

按照GB/T 1094.7—2008的計(jì)算方法，設(shè)變壓器的負(fù)載損耗與空載損耗之比為5，變壓器的頂油溫升和繞組溫升按牽引變壓器的特殊工況設(shè)計(jì)，按照?qǐng)D1所示負(fù)荷曲線計(jì)算得到變壓器在負(fù)載系數(shù)為0.8、2、3倍時(shí)的最熱點(diǎn)溫度分別為70 ℃、131.5 ℃、140 ℃。則該變壓器的日壽命損失為

圖1 牽引變壓器典型負(fù)荷曲線

式（3）表明雖然變壓器設(shè)計(jì)滿足變壓器最熱點(diǎn)溫度不超過140 ℃的要求，但遠(yuǎn)達(dá)不到變壓器的理論壽命，而且1小時(shí)2倍過負(fù)荷后繞組熱點(diǎn)溫度計(jì)算值約為135 ℃，這不僅會(huì)降低變壓器的計(jì)算壽命，而且采用非熱改性紙也會(huì)降低變壓器絕緣材料的可靠性。如果既要滿足變壓器最熱點(diǎn)溫度不超過140 ℃的要求，又要滿足變壓器的理論壽命，變壓器的設(shè)計(jì)溫升仍需降低，必然加大變壓器銅材和變壓器油的用量。如果既要滿足經(jīng)濟(jì)性，又要滿足正常壽命要求，選擇耐熱性更好的材料或許是一個(gè)可行的選擇。

2 天然酯絕緣油與礦物油的熱性能差異

天然酯絕緣油由大豆、菜籽、山茶籽和橄欖等油料種子提煉而成，其主要成分為脂肪酸甘油三酸酯，該特殊成分決定了天然酯絕緣油的特殊性能。表2[4]為典型天然酯絕緣油和礦物油的性能對(duì)比。

表2 天然酯絕緣油與礦物油熱性能對(duì)比

由表2可以看出，天然酯絕緣油的閃點(diǎn)和燃點(diǎn)比礦物油高很多，因此天然酯絕緣油變壓器過負(fù)荷運(yùn)行條件下絕緣液體的耐受溫度可以提高一個(gè)水平，只要絕緣紙的耐熱溫度高，變壓器完全可以承受更高的負(fù)荷，換言之，如果保持原有的負(fù)荷水平，則變壓器的標(biāo)稱容量可以降低一個(gè)等級(jí)。

3 天然酯絕緣油-纖維素絕緣基紙系統(tǒng)與礦物油-纖維素絕緣基紙系統(tǒng)比較

3.1 抗張強(qiáng)度

傳統(tǒng)油浸式變壓器主要采用的油紙絕緣系統(tǒng)為礦物絕緣油與纖維素基紙相結(jié)合，當(dāng)采用天然酯絕緣油，纖維素基紙抗張強(qiáng)度參數(shù)與之前的絕緣系統(tǒng)存在很大區(qū)別。圖2[5]所示為IEEE C57.154纖維素基紙?jiān)诘V物油中和天然酯絕緣油中的抗張強(qiáng)度加速老化試驗(yàn)結(jié)果比較，其中縱坐標(biāo)為材料的抗張強(qiáng)度TS（%），橫坐標(biāo)為150 ℃時(shí)的老化時(shí)間（單位：h，下同）。

圖2 150 ℃時(shí)纖維素基紙?jiān)诘V物油中和天然酯絕緣油中的抗張強(qiáng)度加速老化試驗(yàn)結(jié)果比較

由圖2可以看出，如按照前述的抗張強(qiáng)度達(dá)到50%作為絕緣紙絕緣壽命的終點(diǎn)，置于天然酯絕緣油150 ℃試驗(yàn)條件下，纖維絕緣紙達(dá)到其50%抗張強(qiáng)度所需時(shí)間約為2 000 h。纖維絕緣紙?jiān)?50 ℃礦物油中的單位壽命為0.005，若按照纖維絕緣紙?jiān)诘V物油中正常絕緣壽命65 000 h計(jì)算，其在150 ℃時(shí)的老化時(shí)間為65 000×0.005 = 325 h。因此，同等條件下天然酯絕緣油-纖維素絕緣基紙系統(tǒng)與礦物油-纖維素絕緣基紙系統(tǒng)壽命比為2 000 / 325 = 6.15。

3.2 聚合度

圖3[5]所示為IEEE C57.154纖維素基紙?jiān)诘V物油中和天然酯絕緣油中的聚合度加速老化試驗(yàn)結(jié)果比較，其中縱坐標(biāo)為材料的聚合度DP，橫坐標(biāo)為150 ℃時(shí)的老化時(shí)間。

圖3 150 ℃時(shí)纖維素基紙?jiān)诘V物油中和天然酯絕緣油中的聚合度加速老化試驗(yàn)結(jié)果比較

由圖3可知，150 ℃時(shí)纖維素基紙?jiān)谔烊货ソ^緣油中4 000 h老化試驗(yàn)后其聚合度約為250，而在礦物油中500 h其聚合度約為210，說明纖維素基紙與天然酯絕緣油相容性較好。

3.3 絕緣壽命

由于纖維素基紙?jiān)谔烊货ヅc在礦物油中抗張強(qiáng)度和聚合度有顯著區(qū)別，天然酯絕緣油紙系統(tǒng)與礦物油絕緣油紙系統(tǒng)的壽命計(jì)算方法也不同，按照IEEE C57.154的說明，礦物絕緣油-纖維素基紙絕緣系統(tǒng)的單位壽命為

天然酯絕緣油-纖維素基紙絕緣系統(tǒng)的單位壽命為

二者的壽命曲線見圖4。仍以第1節(jié)的牽引變壓器負(fù)荷曲線（圖1）和變壓器溫升計(jì)算值為例，對(duì)于礦物絕緣油-纖維素基紙系統(tǒng)，相對(duì)老化率為

圖4 纖維素基紙絕緣系統(tǒng)壽命曲線

變壓器的日壽命損失計(jì)算值為

對(duì)于天然酯絕緣油-纖維素基紙系統(tǒng)，相對(duì)老化率為

變壓器的日壽命損失計(jì)算值為

顯然，當(dāng)采用天然酯絕緣油，負(fù)荷曲線下變壓器的限值溫度和理論壽命同時(shí)滿足。

3.4 容水性

變壓器中的水分主要聚集在絕緣紙（板）和變壓器油中，會(huì)使絕緣電阻降低、介質(zhì)損耗因數(shù)增加，局放起始電壓和擊穿強(qiáng)度也隨絕緣系統(tǒng)含水量增加而急劇下降。此外，水分還直接參與油、紙纖維素等高分子材料的化學(xué)降解反應(yīng)，促使這些材料降解老化，從而再加速絕緣系統(tǒng)介電強(qiáng)度的降低和各項(xiàng)性能的劣化。天然酯絕緣油與礦物絕緣油分子結(jié)構(gòu)差異大，礦物絕緣油中含有一定量的不飽和烴、烷烴、芳香烴等烴類物質(zhì)，屬于憎水基團(tuán)。天然酯絕緣油的主要成分是甘油三酸酯，含有羥基和羰基等親水基團(tuán)，在相同溫度下天然酯絕緣油的相對(duì)飽和含水量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于礦物絕緣油，如表3所示。

表3 不同溫度下絕緣油飽和溶解度 mg/kg

由于天然酯絕緣油吸收固體絕緣材料中水分的能力強(qiáng)于礦物絕緣油，使得絕緣紙板中的含水量保持在較低水平，這也是其能延長(zhǎng)絕緣材料使用壽命的原因之一。

4 結(jié)論

（1）天然酯絕緣油作為一種新型絕緣材料，由于其環(huán)保和高燃點(diǎn)特性，已有不少配電變壓器更新改造采用該產(chǎn)品，更高電壓等級(jí)的電力變壓器是否適宜采用該產(chǎn)品引起各方關(guān)注。

（2）由于牽引變壓器經(jīng)常承受過負(fù)荷和短路沖擊，其絕緣老化程度明顯高于普通電力變壓器，選擇纖維素基紙-礦物油絕緣系統(tǒng)在最大程度滿足牽引變壓器特殊負(fù)荷限值溫度條件下常常不滿足產(chǎn)品的理論壽命要求。

（3）由于天然酯絕緣油吸收固體絕緣材料中水分的能力強(qiáng)于礦物絕緣油，纖維素基紙-天然酯油絕緣系統(tǒng)與纖維素基紙-礦物油絕緣系統(tǒng)相比，同等條件下其抗張強(qiáng)度和聚合度等老化參數(shù)指標(biāo)明顯較優(yōu)，可以在最大程度滿足牽引變壓器特殊負(fù)荷限值溫度的條件下符合理論壽命要求。

（4）由于目前天然酯絕緣油與礦物油的價(jià)格和性能差別較大，選擇用于變壓器的液體絕緣材料需綜合考慮技術(shù)和經(jīng)濟(jì)兩方面的因素。