三種酯類絕緣油低能放電故障下產(chǎn)氣特性研究

王 煒，宋浩永，黃青丹，陳于晴，莫文雄

（廣東電網(wǎng)公司廣州供電局電力試驗研究院，廣東 廣州 510410）

0 引言

油浸式變壓器是電力系統(tǒng)中重要的電氣設(shè)備之一，絕緣油在油浸式變壓器中起到絕緣和散熱的作用。目前油浸式變壓器中使用的絕緣油主要是以石油為原料的礦物絕緣油，但礦物絕緣油的生物降解率較低，在泄漏的情況下容易造成自然環(huán)境的污染。而酯類絕緣油的生物降解率一般高于80%，有助于減少CO2的排放，屬于環(huán)境友好型液體電介質(zhì)。鑒于此，近年來酯類絕緣油受到了更多的關(guān)注，并逐漸應(yīng)用在高電壓等級的變壓器中。酯類絕緣油目前包含單酯、雙酯、三酯和四酯，除了源自大自然的三酯絕緣油之外，其他的油品均為通過化學(xué)合成方法獲得。其中單酯絕緣油一般由天然植物油與醇類通過酯交換反應(yīng)或脂肪酸直接與醇類脫水反應(yīng)獲取；三酯絕緣油主要為天然酯絕緣油，也稱植物絕緣油，主要源于天然油料作物，主體成分為甘油三酯，也可通過化學(xué)合成獲得；四酯絕緣油主要為季戊四醇酯，習(xí)慣上稱其為合成酯。天然酯及合成酯絕緣油屬于高燃點及高黏度絕緣油，單酯絕緣油燃點略高于礦物絕緣油，其運動黏度低于傳統(tǒng)礦物絕緣油。

油中溶解氣體分析（DGA）是檢測油浸式變壓器運行故障的最有力手段之一。油浸式變壓器的內(nèi)部故障主要分為電故障和熱故障，在放電或過熱的情況下，絕緣油及絕緣紙會產(chǎn)生化學(xué)變化生成氣體，生成的氣體會溶解于絕緣油中。對變壓器絕緣油中的溶解氣體進(jìn)行分析，可診斷變壓器的運行狀態(tài)，判斷變壓器的故障類型。

N A MUHAMAD等[1]研究了大豆基天然酯絕緣油在局部放電和電弧條件下的產(chǎn)氣特性，結(jié)果表明，大豆基天然酯絕緣油產(chǎn)生更多的H2。張召濤[2]研究表明，電擊穿時，天然酯及礦物絕緣油的最顯著特征氣體均為C2H2。C PERRIER等[3]研究表明，電擊穿時，礦物絕緣油和天然酯的故障氣體均為C2H2及H2。蔡勝偉等[4]研究表明，天然酯絕緣油在工頻擊穿下產(chǎn)生的烴類氣體小于礦物絕緣油。胡小博等[5]研究表明，天然酯在沿面閃絡(luò)及擊穿故障下的CO產(chǎn)出量高于礦物絕緣油。杜詩悅[6]研究表明，擊穿故障下，菜籽基天然酯的H2產(chǎn)出比例最高。相晨萌[7]研究表明，擊穿故障下，山茶籽絕緣油的C2H2產(chǎn)出比例最高。

然而，目前單酯類絕緣油的研究數(shù)據(jù)還非常缺乏，診斷造成單酯絕緣油變壓器故障的原因較為困難，因此有必要對單酯絕緣油故障條件下產(chǎn)生的氣體進(jìn)行研究。本研究在同一試驗平臺下，對單酯、天然酯及合成酯絕緣油的電故障產(chǎn)氣特性進(jìn)行模擬試驗，為明確酯類絕緣油變壓器的油中溶解氣體診斷闕值、獲取酯類絕緣油變壓器的油中溶解氣體診斷方法提供參考。

1 試驗

1.1 試樣

選取3種酯類絕緣油，并選取一種礦物絕緣油作為基準(zhǔn)進(jìn)行對比試驗，所選取試樣及其典型參數(shù)如表1所示。

表1 4種絕緣油的典型參數(shù)Tab.1 Typical parameters of four insulating oils

1.2 絕緣油脫水脫氣處理

絕緣油中的氣體和水分會對油中溶解氣體的測試結(jié)果產(chǎn)生影響。因而，在故障模擬試驗前，首先對絕緣油試樣進(jìn)行脫水脫氣的預(yù)處理，處理平臺如圖1所示。預(yù)處理主要通過加熱、攪拌及抽真空的方式脫去絕緣油中的水分和氣體，處理溫度為80℃左右，真空度小于80 Pa，處理時間大于48 h。同時使用氮氣作為保護(hù)氣體，防止在絕緣油的轉(zhuǎn)移過程中其他氣體的滲入。

圖1 絕緣油預(yù)處理平臺示意圖Fig.1 Schematic diagram of insulating oil pretreatment platform

1.3 電故障模擬裝置

電故障模擬裝置結(jié)構(gòu)見圖2。模擬裝置采用針-板電極，針電極材質(zhì)為鎢鋼，曲率半徑為40～60 μm；板電極材質(zhì)為不銹鋼；電極上下極桿材質(zhì)為銅，穿出容器與外部電源相連，上桿可調(diào)節(jié)以改變針-板電極間距。故障模擬裝置的密封容器為有機(jī)玻璃材質(zhì)；容器上蓋板裝設(shè)有兩個密封閥，左端閥連接保護(hù)用氮氣；下罐體底部閥為油路閥門，注油時連接儲油罐，取油樣時連接玻璃注射器。本研究使用的是100 kV/1 kJ的沖擊電壓發(fā)生器，該電壓發(fā)生器容量較小，因此模擬故障為低能放電故障。

圖2 電故障模擬裝置結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of electrical fault simulator

1.4 試驗流程

變壓器標(biāo)準(zhǔn)中采用負(fù)極性雷電波進(jìn)行試驗，因此本文中絕緣油故障模擬試驗也選取負(fù)極性雷電波進(jìn)行測試，即針電極上施加負(fù)極性雷電波，板電極接地。試驗首先采用逐級升壓法對絕緣油進(jìn)行耐壓測試，測得5 mm電極間隙下，單酯、天然酯、合成酯、礦物絕緣油的平均擊穿電壓分別為44.5、41.1、37.0、61.7 kV。因此選取試驗電壓為65 kV進(jìn)行模擬故障測試，保證各絕緣油在同等電壓下進(jìn)行試驗。進(jìn)行5次擊穿試驗后，震蕩試驗容器5 min，之后靜置30 min，待模擬裝置中絕緣油產(chǎn)生氣體溶解平衡后，從底部取樣閥門取出油樣進(jìn)行測量。

2 結(jié)果與討論

4種絕緣油擊穿后的氣體種類及含量如圖3所示。由圖3可見，礦物絕緣油的總產(chǎn)氣量最多，之后總產(chǎn)氣量由多到少依次為單酯、合成酯、天然酯。分別針對每種氣體的產(chǎn)生量進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)4種絕緣油中生成甲烷、乙烯、乙炔最多的是礦物絕緣油；生成乙烷最多的是天然酯；生成的氫氣最多的是合成酯。且3種酯生成的氫氣量都多于礦物絕緣油。在3種酯類絕緣油中，單酯絕緣油生成的乙烯和乙炔最多，合成酯生成的氫氣和甲烷最多。

圖3 油中溶解氣體種類及含量Fig.3 Type and content of dissolved gas in oils

目前油中溶解氣體的故障診斷方式主要有三比值法、大衛(wèi)三角形及大衛(wèi)五邊形法。三比值方法主要用于礦物絕緣油的油中溶解氣體診斷，根據(jù)DL/T 722—2014《變壓器油中溶解氣體分析和判斷導(dǎo)則》，主要根據(jù)氣體含量（V）以V（乙炔）/V（乙烯）、V（甲烷）/V（氫氣）、V（乙烯）/V（乙烷）來判定變壓器的故障。為分析礦物絕緣油的三比值方法是否適用于3種酯類絕緣油，分別對4種絕緣油產(chǎn)氣比值進(jìn)行計算，結(jié)果如表2所示。

表2 4種絕緣油故障產(chǎn)氣的三比值Tab.2 The three ratios of gas produced in four insulating oils at failure

由表2可見，對于本試驗條件下的故障氣體診斷，單酯、天然酯及礦物絕緣油屬于低能放電，而合成酯屬于電弧放電。因此三比值法可以大致判斷出單酯及天然酯的電故障類型，但合成酯的電故障類型診斷會存在誤差。

IEEE C57.155:2014給出了天然酯及合成酯絕緣油中故障溶解氣體的大衛(wèi)三角形解釋方法，大衛(wèi)三角形的3個坐標(biāo)軸分別為甲烷、乙烯及乙炔占此3種氣體之和的相對比例。

對4種絕緣油電故障條件下的油中溶解氣體分別采用推薦的天然酯大衛(wèi)三角形、礦物絕緣油大衛(wèi)三角形以及合成酯大衛(wèi)三角形進(jìn)行分析，結(jié)果如圖4所示。圖4中代表單酯絕緣油代表天然酯絕緣油代表合成酯絕緣油代表礦物絕緣油。PD為局部放電；D1為低能放電；D2為高能放電；T1為低溫?zé)峁收?；T2為中溫?zé)峁收?；T3為高溫?zé)峁收?；DT為放電或過熱。由圖4可見，4種絕緣油模擬電故障產(chǎn)生的油中溶解氣體均落在D1區(qū)域內(nèi)，即均屬于低能放電故障。

圖4 4種絕緣油電故障的大衛(wèi)三角形診斷Fig.4 Duval triangle diagnosis of four insulating oils electric faults

大衛(wèi)五邊形法是大衛(wèi)本人于2017年提出的[8]，該方法的圖形為一個正五邊形，五邊形中心與各頂點的連接線為其坐標(biāo)，5種坐標(biāo)的數(shù)值為H2、CH4、C2H4、C2H6、C2H2共5種故障氣體的相對含量。繪制時，首先繪出5種故障氣體在5個坐標(biāo)軸上的坐標(biāo)點，之后以這5點為頂點做五邊形，該五邊形的幾何中心即為該故障氣體在大衛(wèi)五邊形中的具體位置。因幾何中心一定會落在40%以內(nèi)坐標(biāo)的正五角形內(nèi)，故最終大衛(wèi)五邊形的頂點坐標(biāo)為40%。

對4種絕緣油的模擬電故障油中溶解氣體繪制大衛(wèi)五邊形圖，結(jié)果如圖5所示。圖5中代表單酯絕緣油代表天然酯絕緣油代表合成酯絕緣油代表礦物絕緣油。PD為局部放電；D1為低能放電；D2為高能放電；T1為低溫?zé)峁收希籘2為中溫?zé)峁收?；T3為高溫?zé)峁收希籗為雜散氣體區(qū)域，指200℃下正常工作或過載條件的產(chǎn)氣特性。

圖5 4種絕緣油電故障的大衛(wèi)五邊形診斷Fig.5 Duval pentagon diagnosis of four insulating oils electric faults

由圖5可見，單酯絕緣油、天然酯絕緣油及礦物絕緣油的故障點均在D1區(qū)域內(nèi)，即低能放電故障，而合成酯的故障點在低能放電與局部放電的邊界上，造成分辨困難。此外，合成酯的大衛(wèi)五邊形診斷方式也難以明確指出本次模擬故障的故障類型。

根據(jù)大衛(wèi)五邊形法的計算方式，計算4種絕緣油中5種絕緣氣體總故障氣體的比例，也就是大衛(wèi)五邊形法的頂點坐標(biāo)，如表3所示。由表3可見，酯類絕緣油低能放電故障氣體中氫氣的比例遠(yuǎn)高于礦物絕緣油；甲烷、乙烯及乙炔的比例低于礦物絕緣油。單酯的乙烯比例在酯類絕緣油中最高，合成酯的乙炔含量在所有絕緣油中最低。

表3 4種絕緣油中5種故障氣體的相對比例Tab.3 The relative ratio and five fault gases in four insulating oils %

3 結(jié)論

（1）礦物絕緣油中生成的總故障氣體最多，之后故障氣體產(chǎn)生總量由多至少依次為單酯、合成酯、天然酯；礦物絕緣油中生成甲烷、乙烯、乙炔較多；天然酯中生成的乙烷較多；在酯類絕緣油中，單酯絕緣油生成的乙烯和乙炔較多；合成酯生成的氫氣和甲烷較多。

（2）酯類絕緣油低能放電故障氣體中氫氣的比例遠(yuǎn)高于礦物絕緣油，甲烷、乙烯及乙炔的比例低于礦物絕緣油。單酯的乙烯比例在酯類絕緣油中最高，合成酯的乙炔含量在所有絕緣油中最低。

（3）單酯及天然酯絕緣油的低能放電可用三比值法、大衛(wèi)三角形法及大衛(wèi)五邊形法判定。合成酯的低能放電可用大衛(wèi)三角形法進(jìn)行判定。