变压器油烃组成及添加剂与其介电常数、介质损耗因数和电阻率的关联性研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)中国石油克拉玛依润滑油研究所 作者:于会民

  本文中作者选择了几种变压器油进行了试验,给出了试验结果并进行了讨论。根据试验结果,介绍了在交流和直流电场下变压器油烃组成及添加剂对其介电常数、介质损耗因素和电阻率的影响。

1、前言

  目前,我国输变电已经进入大电网、特高压和智能电网的发展时期。在“十一五”期间,我国开展±800kV电压等级的特高压直流输电项目,如云广±800kV和向上±800kV特高压直流输电工程等。换流变压器是直流输电系统的关键设备,也是交、直流输电系统连接两端换流站和逆变站的核心设备。国内一些公司吸收了外国公司的技术,以±500kV等级换流变压器的设计经验为基础,完成了±800kV等级换流变压器的研发制造工作。用于直流输电的特高压换流变压器与一般超高压交流变压器不同,其每相除具有一个超高压网侧绕组外,还有一个到两个全绝缘的超高压直流用阀侧绕组。阀侧绕组除承受一般交流变压器的交流和冲击电压外,还要承受叠加的直流电压作用。而交流电压和直流电压对绝缘的作用完全不同,以前采用的交流变压器绝缘结构分析方法不再适用于超高压换流变压器绝缘设计。±800kV换流变压器的绝缘结构由油、纸和纸板的复合绝缘材料构成,与一般的电力变压器相比,换流变压器阀侧在运行时不但承受交流电压和冲击电压,还要承受直流电压作用。相应的换流变压器要受到交流电场、直流电场和极性反转电场的作用。

  换流变压器承受正弦交流电压时,其电场在不同绝缘材料中的分布为电容性分布,即取决于不同材料的电容率(介电常数ε)。在介电常数较低的变压器油中电场强度比较高,而介电常数相对较高的纸板中交流场强较低。换流变压器承受稳态直流电压作用时,其稳态直流电场分布取决于复合绝缘结构中不同材料的电阻率值。稳态直流场集中分布于电阻率高的绝缘纸板中,对于电阻率最低的变压器油来说,接近于短路状态,即此时油中稳态直流电场分布很少。换流变压器承受极性反转电场的情况时,根据加电时间的不同过程,其电场分布是不同的。在极性反转后瞬间,在电阻率最低的变压器油中具有较高的场强。这说明反转后瞬间,场强在复合绝缘结构中的分布是电容性分布,即瞬间绝缘结构电场分布的决定因素是绝缘材料的介电常数。相对于纸和纸板,变压器油的耐受场强较低,但其在反转后瞬间承受极高的场强,此处为换流变的绝缘薄弱部位。在电压极性反转过程中,绝缘介质的交界面上出现了孤立的空间电荷,而且此种电荷的分布比较复杂,大量的空间电荷造成了局部电位的升高或降低而形成“电位高峰”或“电位低谷”并进一步形成了空间电荷间的附加电场,此附加电场叠加到原电场上,引起了电场的畸变。

  变压器油作为换流变压器的绝缘用油,其介电常数和电阻率的大小直接影响换流变压器的绝缘结构设计,其电阻率的高低直接影响换流变压器中空间电荷的消散速率、畸变电场的存在时间。因此,开展换流变压器油的基础油组成与添加剂与其介电常数、介质损耗因数和电阻率的关联性研究,其结论能为直流变压器油质量改进和换流变压器的绝缘设计提供技术支持。

2、试验材料及试验方法

2.1、试验材料

  随着我国特高压直流设备国产化的发展,目前运行的±800kV换流变压器大部分采用国产的变压器油。因此,基础油选择生产变压器的几种基础油,添加剂选择变压器油制造行业广泛使用的抗氧剂,以及近年来,为了抑制变压器油的硫腐蚀问题而在油中加入金属钝化剂,作为考察对象。基础油性质见表1。

表1 样品性质

样品性质

  表1的结果表明,N1、N2和N3的Cp值小于50%,是不同芳烃含量的环烷基基础油,N4的Cp值大于56%,是低芳烃的石蜡基基础油。试验室选择了国内外变压器油制造行业常用的主要抗氧剂和金属钝化剂,详细情况见表2。

表2 添加剂及其制造商

添加剂及其制造商

2.2、试验方法及设备

  目前,用于变压器油介损、介电常数和电阻率测量的方法主要用GB/T5654(等效于IEC60247)、IEC61620和ASTMD924,变压器油电阻率测量方法还有DL/T421和ASTMD1169,电阻率测定值不仅与测试电场强度、充电时间和液体温度有关,还与变压器油的组成和溶解性电导粒子的数量有关,其原理:在250kV/mm~500kV/mm直流电场下,在1min时间内测量极化电流,计算得到电阻率。试验设备见表3。

表3 主要试验仪器及设备

主要试验仪器及设备

结论

  (1)温度与换流变压器油的介电常数、介质损耗因数和电阻率相关,随着温度升高介电常数减小,介质损耗因数增大,电阻率减小,电阻率大的减小幅度也大,不呈线性关系。

  (2)芳烃含量(CA值)的高低与换流变压器油的击穿电压和介质损耗因数没有相关性,与体积电阻率有相关性,且呈反比关系,体积电阻率的大小与原油属性没有关系。

  (3)变压器油常用抗氧剂在通常的加入量下,对介质损耗因数和体积电阻率没有负面影响,钝化剂加入对介质损耗因数没有负面影响,对体积电阻率有明显的降低作用,即在直流电场下钝化剂会增加基础油的电导性能。

  (4)降低换流变压器油的电阻率比较适宜的途径是调整基础油的芳烃含量或加入适当的添加剂。

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