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      配電變壓器過載油紙絕緣老化特性研究

      2021-08-28 02:51:18黃正勇周少喻王向東
      電氣化鐵道 2021年4期
      關(guān)鍵詞:絕緣紙油紙老化試驗

      黃正勇,周少喻,王向東,金 淼

      0 引言

      中國高速鐵路建設(shè)發(fā)展迅速,全國80%的城市覆蓋高速鐵路網(wǎng)[1]。配電變壓器是高速鐵路電力供電系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備,尤其是35 kV及以下電壓等級配電變壓器。截至目前,高鐵用油浸式配電變壓器一直使用礦物油[2],然而礦物油的閃點低,容易誘發(fā)火災(zāi),同時,礦物油的降解能力較差[3]。植物絕緣油作為變壓器中礦物油的替代品,由于其具有可再生性、生物降解性和較低的可燃性等優(yōu)點,越來越受到人們的重視。有關(guān)試驗表明,植物絕緣油的熱老化速率低于礦物絕緣油[4~7]。礦物絕緣油的老化絕緣特性已被學(xué)者研究[8,9]。文獻(xiàn)[10]研究了變 壓器材料對合成酯老化性能的影響。文獻(xiàn)[11]研究對油紙試樣在不同溫度條件下進(jìn)行加速熱老化試驗,得到不同老化程度的油紙試樣。然而,目前對于高鐵用植物絕緣油配電變壓器研究較為鮮見。

      2017年,中國鐵路總公司《35 kV及以下植物絕緣油配電變壓器研制與應(yīng)用》科研課題立項,由多家高校和企業(yè)參與聯(lián)合研發(fā)。植物絕緣油變壓器過載油紙絕緣老化特性研究是該課題的研究內(nèi)容之一,重點研究絕緣油擊穿電壓、水分、酸值、介損等老化特性,以及絕緣紙含水量、聚合度、機(jī)械強(qiáng)度等老化特性,為研制環(huán)保節(jié)能型高過載能力植物絕緣油高鐵配電變壓器提供技術(shù)支撐。

      1 試驗裝置及材料

      1.1 試驗裝置

      熱老化試驗采用不銹鋼老化罐(作為容器)及老化試驗箱,如圖1所示。不銹鋼老化罐能夠阻止外部空氣進(jìn)入,避免外界因素對老化試驗產(chǎn)生干擾。老化試驗箱內(nèi)置加熱器用于加熱,通過內(nèi)部風(fēng)扇保持溫度均勻分布,提供所需要的老化試驗溫度環(huán)境。

      圖1 植物油紙絕緣老化試驗裝置

      1.2 試驗材料

      試驗中采用的絕緣油分別為菜籽油、大豆油、酯交換油及礦物絕緣油,絕緣紙采用A級、B級絕緣紙。具體信息如表1所示。

      表1 熱老化試驗材料

      2 試驗方法及步驟

      熱老化試驗需保證老化機(jī)理不變,老化試驗所選取的溫度是試驗的關(guān)鍵參數(shù),溫度太低或太高均不利于試驗,溫度太低將導(dǎo)致老化試驗時間過長,溫度過高將導(dǎo)致植物絕緣油裂化、熱氧化、蒸發(fā)。通常情況下,變壓器的正常運(yùn)行油溫最高不高于95 ℃,綜合考慮變壓器過載情況,最終選定植物絕緣油老化試驗溫度為130、145 ℃。熱老化試驗步驟如下:

      (1)為保證絕緣油中的含水量低于5 mg/kg,先將大豆油、酯交換油、菜籽植物絕緣油放入90 ℃/50 Pa的真空箱中干燥48 h;A級、B級絕緣紙在空氣中自然吸濕,使得試驗用絕緣紙的含水量低于0.5%,將質(zhì)量比為15∶1的絕緣油與絕緣紙加入到不銹鋼密封罐中,再加入表面積與絕緣油體積比為1∶6的漆包銅條;在40 ℃/50 Pa條件下真空浸漬裝有絕緣油、絕緣紙和漆包銅條的密封罐24 h,完成試驗材料預(yù)處理。試驗樣品預(yù)處理結(jié)束后,開展老化試驗。

      (2)考慮氧化作用對植物絕緣油和絕緣紙板老化初期的影響,將不銹鋼密封罐充滿氮氣后密封,并將密封后的不銹鋼罐置于設(shè)定溫度下的老化箱中進(jìn)行加速老化試驗。老化箱設(shè)定溫度區(qū)間為120~180 ℃,每5 ℃為一個梯度,使用脈沖加熱裝置精確加熱至準(zhǔn)確的溫度梯度值。

      (3)為了獲取不同老化程度的絕緣油紙絕緣組合,老化試驗設(shè)定不同長度的試驗時間后并取樣,取樣時間設(shè)定為0、7、15、30、80天。

      (4)為了減少操作等因素引起的誤差,各種絕緣油和絕緣紙板的組合在相同老化狀態(tài)下每次取3個樣品進(jìn)行化驗分析,試驗數(shù)據(jù)結(jié)果取計算平均值。

      熱老化試驗流程如圖2所示。

      圖2 熱老化試驗流程

      3 熱老化試驗結(jié)果

      3.1 油中水分含量

      變壓器絕緣油中水分含量是老化試驗的重要參數(shù),圖3所示為不同油紙組合下油中水分含量隨老化時間的變化曲線??梢钥闯觯匣^程中礦物油紙絕緣油中水分含量最少,但植物絕緣油的飽和含水量在1 000~2 000 mL/L范圍內(nèi),礦物絕緣油則在100 mL/L以下,因此植物絕緣油相對含水量低于礦物絕緣油。3種植物油紙絕緣組合老化過程中,油中水分含量均是最初呈增加趨勢,然后隨著老化時間的延續(xù)呈減小的趨勢。對于礦物油紙絕緣組合則是有所區(qū)別。礦物絕緣油與A級絕緣紙組合在105 ℃與120 ℃老化結(jié)果中,油中水分隨老化時間的變化趨勢是在0~15天時段內(nèi)隨老化時間增加油中水分含量增加,而15~30天時段內(nèi)油中水分呈現(xiàn)下降的趨勢,隨著老化時間的繼續(xù)增加,油中水分含量繼續(xù)增加。礦物絕緣油與B級絕緣紙的組合老化試驗結(jié)果中,油中水分的變化規(guī)律均是先隨著老化時間的增加而增加,然后趨于穩(wěn)定。植物油紙絕緣組合中,在老化初期,老化速率變化加快,產(chǎn)生大量微水并且擴(kuò)散到絕緣油中,油中水分增大;隨著老化時間的增加,老化速率變化減慢,油紙絕緣裂化程度也逐漸穩(wěn)定,隨著老化時間進(jìn)一步增加,油中水分含量繼續(xù)增加,由于長鏈脂肪酸甘油酯水解反應(yīng)的加強(qiáng)消耗了水分,因此造成絕緣油中水分含量呈下降趨勢。

      圖3 油中水分隨老化時間的變化曲線

      3.2 絕緣紙中水分含量

      纖維素是絕緣紙的主要成分,具有極強(qiáng)的水分束縛能力,含有大量親水基團(tuán)的長鏈極性分子。絕緣紙含有油紙組合中的絕大部分水分。水分含量和絕緣紙的機(jī)械壽命成反比。絕緣油和纖維素降解產(chǎn)物的水分還促使纖維素水解,使絕緣紙劣化過程加速??刹捎媒M合水分測試儀對油中含水量進(jìn)行測定試驗。

      將干燥爐溫度設(shè)定為140 ℃進(jìn)行絕緣紙樣微水蒸發(fā),并通過惰性氣體的作用使微水進(jìn)入電解池。庫倫滴定基于標(biāo)準(zhǔn)卡式反應(yīng):

      通過單質(zhì)碘與定量的微水進(jìn)行反應(yīng),陽極產(chǎn)生碘的量通過測量電流和平衡時間獲得,計算出絕緣紙中蒸發(fā)微水的含量。圖4所示絕緣紙中水分含量隨老化時間的變化曲線。

      圖4 絕緣紙水分隨老化時間的變化曲線

      試驗結(jié)果表明,植物油紙絕緣與礦物油紙絕緣紙中水分含量均表現(xiàn)出先劇烈上升而后逐漸下降至波動穩(wěn)定的特性。在不同油紙絕緣組合中,礦物油紙絕緣組合的紙中水分含量在老化過程中最高,植物油菜籽油紙絕緣組合的紙中水分含量最低。

      3.3 油中酸值

      絕緣油酸值是變壓器運(yùn)行中表征絕緣油老化狀態(tài)的重要指標(biāo)。植物絕緣油與礦物絕緣油的酸性物質(zhì)種類及含量變化規(guī)律差異很大,礦物絕緣油酸值測試標(biāo)準(zhǔn)不能適用于植物絕緣油。圖5所示為油中酸值隨老化時間的變化曲線。

      圖5 油中酸值隨老化時間的變化曲線

      試驗結(jié)果表明,植物絕緣油的酸值在整個老化周期內(nèi)變化非常顯著,酸值增幅較為明顯,但與礦物油紙組合相比,其老化速率在相同試驗條件下更低。這是由于植物絕緣油主要成分為長鏈脂肪酸甘油酯,在老化過程中會分解出長鏈脂肪酸,導(dǎo)致酸值大于礦物絕緣油,但長鏈脂肪酸對植物絕緣油性能影響較小。

      3.4 絕緣油界面張力

      界面張力的測量是一種用于檢查絕緣油中是否存在老化產(chǎn)生的可溶性極性雜質(zhì)的間接方法,通過DT-102(A)型全自動界面張力儀測量絕緣油試樣的界面張力,測試結(jié)果如圖6所示。

      圖6 絕緣油界面張力隨老化時間的變化曲線

      由圖6可以看出,試驗初期植物絕緣油的界面張力約為礦物絕緣油的一半,隨著老化時間的增加,植物絕緣油與礦物絕緣油的界面張力均呈下降趨勢,但下降趨勢逐漸放緩。界面張力對絕緣油老化生成物的存在非常敏感,老化生成物將明顯降低絕緣油的界面張力。

      3.5 絕緣油介質(zhì)損耗

      絕緣油介質(zhì)損耗試驗結(jié)果如圖7所示。

      由圖7可以看出,隨著老化時間的增加,植物油紙與礦物油紙絕緣組合中油的介質(zhì)損耗均呈現(xiàn)增大的規(guī)律,這是因為在老化過程中極性老化生成物增大了絕緣油的介質(zhì)損耗。在相同條件下植物絕緣油的介質(zhì)損耗高于礦物油的介質(zhì)損耗。

      圖7 絕緣油介質(zhì)損耗隨老化時間的變化曲線

      3.6 絕緣油擊穿電壓

      絕緣油的擊穿電壓是最直接體現(xiàn)絕緣性能的重要參數(shù),絕緣油擊穿電壓測量采用DL/429.9-91《絕緣油介電強(qiáng)度測定法》,試驗結(jié)果如圖8所示。

      由圖8可以看出,隨著老化時間的增加,植物油紙和礦物油紙的絕緣油擊穿電壓均下降;在各種老化時間下,植物絕緣油的擊穿電壓比礦物絕緣油擊穿電壓高。

      圖8 絕緣油的擊穿電壓隨老化時間的變化曲線

      3.7 絕緣紙聚合度

      絕緣紙的主要成分為纖維素,纖維素聚合度是評估絕緣紙老化狀態(tài)的重要指標(biāo)。隨著變壓器的運(yùn)行,會出現(xiàn)絕緣紙纖維脫落、變脆等現(xiàn)象。通常將絕緣紙聚合度作為變壓器內(nèi)絕緣老化程度最直接的評判參數(shù)。新投運(yùn)變壓器的絕緣紙聚合度約為 1 100;當(dāng)聚合度為500時,油紙絕緣性能下降一半;聚合度為250左右時,油紙絕緣完全破壞。圖9所示為絕緣紙聚合度隨老化時間的變化曲線。

      圖9 A級絕緣紙聚合度隨老化時間的變化曲線

      由于B級紙為DMD材料絕緣紙,不具有聚合度測試意義,故只進(jìn)行A級紙的測試。由圖9可以看出:隨老化時間延長聚合度明顯下降;在老化試驗前期,植物油紙組合與礦物油紙組合的聚合度下降速率差異較??;隨著老化試驗時間加長,植物油紙組合聚合度下降速度逐漸變小,相同老化溫度下,其與礦物油紙組合聚合度差距逐漸變大且更加明顯,植物油紙系統(tǒng)在老化末期聚合度較高,植物油可以明顯延緩絕緣紙的整體老化速度。

      4 結(jié)論

      通過對多種類型的油品(礦物油、大豆油、菜籽油、酯交換油)、紙板(A級紙、B級紙)組合進(jìn)行油紙絕緣系統(tǒng)熱老化試驗,可以得到以下主要結(jié)論:

      (1)老化試驗中溫度越高,油紙中水分含量、絕緣油擊穿電壓及界面張力、絕緣紙聚合度越小,絕緣油酸值、介質(zhì)損耗越大;老化過程中,植物絕緣油中相對含水量低于礦物絕緣油;礦物油紙絕緣的紙中水分含量最高,菜籽油紙絕緣組合最低。

      (2)隨著老化程度加深,油中酸值均表現(xiàn)為先緩慢上升而后明顯增大,隨著時間的增加,植物絕緣油與礦物絕緣油的酸值差距越來越大。

      (3)植物絕緣油的界面張力低于礦物絕緣油,隨著老化時間的增加,兩者的界面張力均呈下降趨勢,同時界面張力下降趨勢放緩。

      (4)絕緣油擊穿電壓均隨老化程度加深而下降,植物絕緣油的擊穿電壓一直高于礦物絕緣油;老化過程中,絕緣油的介質(zhì)損耗均隨老化時間增加而呈現(xiàn)增大的規(guī)律,植物絕緣油的介質(zhì)損耗高于礦物絕緣油。

      上述對35 kV及以下植物絕緣油配電變壓器過載油紙絕緣老化特性研究的結(jié)論,可為研制環(huán)保節(jié)能型高過載能力的高鐵用植物絕緣油配電變壓器提供參考。

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