变压器天然酯与矿物油的评价二

原文：刘军变压器百草园

1 介绍

环保型天然酯绝缘液是新一代变压器绝缘冷却液。天然酯以无碳、防火、全生物降解、纤维素老化慢、高温绝缘兼容而减少排放等特性完胜矿物油。

此报告分两部分，全面分析比较关键理化与绝缘特性，并得出天然酯完全能用于配变和主变的结论。

第一部分分析比较基本理化特性，首先包括化学成分、颜色、酸性、中和值、表面张力，其次还包括含水量限值、氧化稳定性、密度、倾点；第三对油色谱监测（DGA）讨论、参考标准、环境及安全进行比较；最后在报告末尾还描述整体设计的改进和挑战。

第二部分为变压器设计师最感兴趣的介电绝缘特性介绍，涵盖介质损耗因数、击穿电压、介电常数、黏性、直流电阻率、油流带电；也包含详细的局放、正负极性雷电冲击电压的传播特性、浸渍纸板性能；还讨论天然酯与矿物油混合情况下天然酯的高黏度对有载开关性能的影响。此报告还指出在设计天然酯浸渍的超高电压变压器时所需特别关注的要点。

2 击穿电压

击穿电压是一项重要且较普遍的绝缘液试验，因为它能够提供绝缘油的主要指标，在现场也容易进行。绝缘液的击穿电压是其耐受介电质应力的能力，指的是在既定试验条件下能使两电极间发生击穿的电压。击穿电压试验主要显示污染物的存在（如液体中的水、灰尘和导电物质），当试验发生低介电击穿的时候，就有其中一种或多种物质存在。

3 与矿物油的可混合性

混合性是指所有比率都能混合的一种持续性属性，并能形成一种均匀溶液。天然酯能100%在所有比率下与矿物油混合。如需再注，少量的矿物油不会影响天然酯的性能。如有7%以上的矿物油，将会降低燃点到300℃以下，这是K级绝缘液的最低燃点。

4 材料相容性

在变压器设计中材料相容性至关重要。对于相容性，主要考虑酸值、介损、粘度和表面张力等变化。一般情况，用于生产标准矿物油变压器的材料都能与天然酯相容。表3根据应用类别列出经过测试且显示与天然酯相容的材料。同时也列出一些与天然酯不相容或仅建议在特定条件下使用的材料。比如氯丁橡胶可以作为软木复合材料的粘合剂，但不能单独使用。材料按类型列出，但在某一特定的类型中可能会有几种不同的专有配方。不同配方的材料对天然酯的反应可能会因添加剂的不同而有差异，对于弹性体和聚合物而言尤其如此。如某种未列出的材料对设备性能非常重要，应向材料制造商咨询并进行详细测试后再使用。

表3 天然酯相容性材料和不相容的材料

天然酯相容性材料
密封圈和O形圈	BS2751丁腈橡胶、碳氟化合物橡胶（氟橡胶）、聚四氟乙烯 (Teflon) 、尼龙、EPR/EPDM
垫片和填料	丁腈软木塞/氯丁二烯 (WCL TD1120)
导线和包线漆	聚酯、环氧树脂
容器漆、绝缘漆	环氧树脂
塑料/片材	双向拉伸聚酯 (Mylar) 、聚酯 (Melinex) 、玻璃/环氧树脂 (HGW) 、聚醚醚酮、聚丙烯、玻纤增强环氧树脂 (FRP)
绝缘套管	环氧树脂/玻璃、聚酯/玻璃
金属	铜、铝、铁芯用钢
其他	牛皮纸、芳纶纸 (Nomex) 、层压板、酚醛纸板、陶瓷、棉织带、菱格点胶环氧树脂纸、胶合板
天然酯不相容的材料
橡胶和塑料	EPDM 、氯丁橡胶、天然橡胶、聚氯丁烯、聚苯乙烯、交联结构聚氨酯 (XLPE)、交联结构聚氨酯 (Raychem ZHTM) 、AQP 弹性体
软管	交联结构聚氨酯 (Raychem ZHTM) 、AQP 弹性体 (Aeroquip FC332AQP) 、弹性体 (Raychem DR-25-1-0-SP) 、抗紫外线聚烯烃 (Raychem HX-SCE)
密封剂	低模量硅 (Bostik Bond-Flex)
金属	镀锌钢材和锌漆
其他	乙丙橡胶(自粘带)

5 黏度

黏度指的是在正常条件下液体流动的阻力。绝缘液黏度越低，就意味着流速越好，即能够使对流热交换有所提升。随着温度降低，每种绝缘液都会变得更粘稠。表3所列为不同标准下最大黏度限值。此外，黏度也会影响一些机械部件的运行，如分接开关、油泵和调压器，它也能决定绝缘液中使用的设备容量。表4列出黏度对变压器设计及生产的影响，天然酯纤维素浸渍时间会有所增加。

表3 不同标准下黏度限值

标准	温度	黏度（cSt）
标准	温度	矿物油	天然酯	参考序号
ASTM D 445	100	≤3	≤15	12,13
	40	≤12	≤50
	0	≤76	≤500
IEC-ISO 3104	40	≤12	≤50	5,6
IEEE	100	-	≤15	7,8
	40	≤12	≤50
	0	-	≤500

表4 黏度对变压器生产的影响

变压器生产过程	矿物油	天然酯	参考序号
绝缘浸渍时间	在相同温度下，天然酯所需时间几乎为矿物油的2倍		14
变压器注油时温度要求	天然酯所需的液体温度更高		15
绝缘试验前的静放时间	在相同温度下，天然酯所需时间几乎为矿物油的2倍		14

6 比热和热导率

比热是指单位质量的物质温度改变1℃所需要的热量。热导率是指材料传导热度的一种属性。热传导发生在高导热性材料上的几率比在低导热性材料上要高。热膨胀是当热传导时，物体所作出的相应的体积变化趋势。表5解释高黏度对于变压器热性能的影响。

表5 黏度对变压器热性能的影响

热相关属性	矿物油	天然酯	参考序号
液体流速	天然酯的较高黏度降低流速		10
变压器顶部和底部液体温差	天然酯由于高黏度温差大，大容量变压器更明显
顶层油温升	比矿物油高3-5℃
平均线圈温升	大约比矿物油高1-2℃
线圈热点温升	大约比矿物油高20℃
铁心热点及表面温度	天然酯更高
铁心内部与外部温差	天然酯中温差更大，设计考虑铁心散热		16
散热片性能	天然酯中散热片进口与出口有较高温差		17
强迫油流冷却系统	天然酯中需要用到更大功率的泵		10
真空泵的速度	天然酯中需要用到3倍容量的泵		18
20℃时比热（J/kgK）	1860	1883	10
1m³/h液体从20℃到60℃所需的热量（kW）	20	21	10
导热性（W/mK）	0.126	0.1644	10
热膨胀系数（1/℃）	0.00075	0.00074	10
为更好的均匀电场分布，脱气温度设置（℃）	60	80	18

7 相对介电常数

相对介电常数为绝缘材料（介电材料）的一种属性，即充满相同体积给定材料的电容与真空电容比值。相对介电常数是指相对真空下使得电荷场下降的因数。在交流电场，介电常数在变压器内部电场分布扮演重要角色。天然酯有着将近高出40%的相对介电常数，固体绝缘与液体之间的介电常数在天然酯中比矿物油中低。因此，充天然酯的变压器电场分布会有所不同。矿物油变压器中，绝大多数高场强都在油中，固体绝缘（纸板和纸）上接受的电气应力相对较小；但是，在天然酯变压器中，固体绝缘受到的电应力相对于在矿物油中要更大。固体绝缘的介电强度要更大，因此更大的场强对绝缘没有负面作用。场强计算显示，天然酯液体绝缘间隙中场强相对来说低大约8%，当纸绝缘承受不均匀高场强时才是关键。表6列出20℃下矿物油与天然酯的相对介电常数。

表6 变压器绝缘液的相对介电常数

温度

℃

相对介电常数

参考序号

矿物油

天然酯

2.2

3.1

8 介质损耗功率因数

介质损耗功率因数测量的是在变化的电气绝缘液中介电损耗及能量以热的形式耗散量。新的天然酯液相比矿物油具有更高的介质损耗。变压器介损试验结果显示出在正常操作条件下，天然酯比矿物油有更高的介质损耗因数。

表7列出国际标准下介质损耗的不同限值。表8是在不同温度与介损的关系。

表7 不同标准下变压器绝缘液介损的特定限值

标准	温度℃	介损		参考序号
标准	温度℃	矿物油	天然酯	参考序号
ASTM	25	0.05	≤0.2	12,13
IEEE	100	大于230kV，0.3	≤4.0	7,8
IEEE	100	小于230kV，0.4	≤4.0	7,8
IEC 60247	90	≤0.005	≤0.05	5,6

表8 不同液体和温度的功率因数

温度℃	变压器功率因数		参考序号
温度℃	矿物油	天然酯	参考序号
25	0.02	0.08	9
90	0.09	0.64
130	0.25	3.92
	天然酯的功率因数通常更高		20,21,22

9 纸板特性

变压器绝缘是由固体绝缘和液体绝缘组成。固体绝缘除了本身绝缘外，还具有机械强度以便支撑线圈。表9提供纸板在天然酯和矿物油浸渍下的相对介电常数。

表10显示的是多种纸绝缘材料在天然酯和矿物油浸渍下介损比较。表11显示的是在天然酯和矿物油浸渍下纸板的泄露放电。表12显示的是纸板在矿物油和天然酯下的性能表现。由于天然酯的密度和黏度更高，给定温度下固体绝缘需要更长时间来浸渍。由于具有吸湿性，相对于在液体中，湿气更趋向于停留在固体绝缘材料，这会增加绝缘系统寿命。在天然酯中，带天然酯浸渍纸板比带矿物油浸渍的纸板具有更高的击穿电压。

表10 不同液体浸渍下固体绝缘材料的介损

温度℃	多种纸绝缘材料	介损或（%）		参考序号
温度℃	多种纸绝缘材料	矿物油	天然酯	参考序号
25	菱格点胶纸	0.5	0.6	9
	低密度纸板	0.3	0.3
	高密度纸板	0.4	0.4
90	菱格点胶纸	0.8	1.2
	低密度纸板	0.6	1.0
	高密度纸板	0.6	1.0
130	菱格点胶纸	5.0	6.2
	低密度纸板	4.5	5.3
	高密度纸板	2.8	5.1

表11 表面爬电特性

表面追踪/爬电特性

矿物油

天然酯

参考序号

水分含量

4.30%

＜0.5%

-

追踪起始

当50kV时

47kV开始

23

高追踪增长

长度

15mm间隙60分钟内桥接

50mm间隙60分钟内桥接

24

尺寸

短的主干与细微侧分支

在纸板上形成很多分支组成树形

深度

只在背面可见

只在前表面可见

表12 纸板对变压器绝缘液的影响

	矿物油	天然酯	参考序号
纸板与层压纸板浸渍速率	60℃下纸板浸渍天然酯速率与20℃下纸板浸渍矿物油速率相等		10
液体浸渍纸板的击穿强度	天然酯击穿电压稍高于矿物油，可视为等同		25
液体浸渍纸板的交流击穿强度	未老化和热老化条件下，天然酯的击穿电压都比矿物油高		26
液体和纸板绝缘间的水分平衡	水分趋向于留在纸板中	由于天然酯的高亲水性，水分更趋向于留在天然酯中	26,27
液体-纸板绝缘系统间的热稳定性	在老化期间，天然酯相较于矿物油有着更好的热稳定性
相同温度下液体中绝缘的老化	天然酯中的纸板老化更慢
纸板的干燥	由于天然酯的吸湿性，在干燥、浸渍后，水分的移动会持续，能够增加绝缘寿命		28
更好干燥的影响	更加干的纸板能够防止纸板中的高泄露电流密度		28

10 正负极性雷电冲击下的传播

变压器中使用的绝缘液要承受各种暂态过电压及持续操作过电压。对于变压器设计者，绝缘液耐受暂态过电压的能力非常重要。暂态过电压既可以是正极性也可以是负极性。在均匀电场中，正负极性对击穿电压没有影响。尽管正负极性在均匀场强中的液体击穿电压影响很小或没影响，但对不均匀电场中的液体有很大影响。表13对比正负极性雷电冲击下矿物油和天然酯的不同表现。

表13 针-板布置（极端不均匀分布场强）下暂态过电压下变压器绝缘液的表现

雷电冲击下液体的特征	矿物油	天然酯		参考序号
在不均匀场强及特殊长间隙中的传播	正、负极冲击波形下，天然酯击穿电压更低			28,30
负极性，且在间隙d（mm）下击穿电压经验公式（kV）				30
正极性，且在间隙d（mm）下击穿电压经验公式（kV）				30
间隙从0-100mm下的雷电冲击击穿电压	正、负极性下天然酯击穿电压为矿物油的65%			30
间隙从100-1000mm下的雷电冲击击穿电压	天然酯击穿电压在正极性下为矿物油40%，负极性下为矿物油50%			16
加速电压-指的是传播速度从慢到快	天然酯的加速电压更明显			10
加速电压	380kV	140kV		16
平均击穿电压-加速电压	相比于矿物油，天然酯低很多			16
平均击穿电压-加速电压	对于两种液体，正极性比负极性更明显			30
在负极性下，雷电击穿电压在液体特定间隙（mm）下与加速电压相同	55		50	16
雷电冲击下纸板间隙的影响	矿物油中影响加速电压，天然酯中没有影响			29

11 直流电阻及静电电荷

直流电阻指的是测量绝缘液两侧间的电阻。随温度升高，绝缘液电阻率快速降低。绝缘液的低电阻允许静电电荷较高传导，但较高导电率的绝缘液能够更快地疏散传导的静电。相比于矿物油，天然酯的较低体积电阻率能够更加限制固体/液体表面电位。由于天然酯较低的电阻，浸渍在天然酯中的干纤维素比浸渍在矿物油中低。表14解释并比较不同绝缘液的直流电阻率、静电电荷趋向及温度的关系。

表14 绝缘液的直流电阻率及静电电荷

	矿物油	天然酯	参考序号
90℃时直流电阻率	-	≥2	6
20℃时直流电阻率			32
电导率	天然酯电导率几乎为矿物油的2倍		16
电流/电荷产生	天然酯中更高		31
带流速的电流产生	两种液体都有所增加
带温度的电流产生	两种液体都有所增加
温度相关的电荷密度	最高60℃下增加	最高30℃下减小	33

12 有载分接开关

天然酯真空有载分接开关相比传统矿物油开关更易符合质量要求。在天然酯中对灭弧开关进行真空开关电容试验时，熄弧时间会延长，这是由于在绝缘液内击穿破坏后，液体损坏增加引起。这种现象只能通过减小开关切断容量来解决。相似的，在开关选择器上，当正反调或粗细调开关极性反转时，也必须减小容性电流。

天然酯液体的选择开关电容必须减少，以满足断弧容量。最终最大开关电流要保持住，但是恢复电压必须减小。这种约束通过适当的过渡电阻能覆盖所有产品，过渡电阻由开关厂家设计。超过150万次的机械寿命操作试验，天然酯表现出卓越的润滑能力。表15列出天然酯更适合使用真空有载开关，其他对有载开关设计或选择中需注意到的相关变化也有提及。表16比较不同液体下有载开关的介电性能。

表15 有载分接开关特性

开关设计中需要关注的方面	矿物油	天然酯	参考序号
开关类型	传统液体开关技术	真空开关技术	15
断弧容量	天然酯更低		34
选择器开断容量	为满足灭弧容量，天然酯需要减小
恢复电压	天然酯中需要合适的过渡电阻来减小恢复电压
安全装置	天然酯中需要普通压力增大的气体继电器		15
储油柜（带膨胀油箱）	真空开关、熔断器、开关液体产生非常少的气体，不会对油色谱结果有影响，这允许天然酯变压器可安装储油柜		15

表16 有载调压开关的介电性能

有载分接开关介电性能		矿物油	天然酯	参考序号
耐压（相比于矿物油百分数）	相间	与矿物油相同		15
	相对地	与矿物油相同
	调压范围	100	63-65
	调压范围	100	74-77
恢复电压		100	72
温度范围		-25到+115	-10到+115
密封系统绝对气压		0.7-1.8
电压升高和最大放电增加之间的关系	局部放电线性增加	局部放电在低电压产生，但在整个电压升高过程几乎持续不变

13 局部放电

局部放电是指导体间的部分桥接绝缘，可能发生在导体周围。局部放电会在固体绝缘的空隙或裂痕处出现，这些地方的场强超过那部分绝缘材料的击穿强度，因为空隙、裂痕或充油空隙中的介电常数低于周围介电常数。当表面切向场强大到足够击穿绝缘表面时，局部放电也可能在固体绝缘表面出现。局部放电认为是一项质量控制试验，能够体现设计、材料工艺和生产中的一些问题，表17比较天然酯和矿物油的局部放电性能。

表17 局部放电试验下变压器绝缘液的性能

不同局放特征	矿物油	天然酯		参考序号
PDIV （kV）（根据IEC 61294,50mm间隙100pC）	38.2	34		10
PD模式（施加两倍于PDIV电压）	只在正半波观察到少量放电	正负波内都观察到大量放电		10,36
PDIV-针板电极	局放在低电压下开始后，天然酯表现稍好
PDIV-纸板上点板电极	在短间隙下天然酯表现更好（分析最大不超过40mm）			37
每一局放脉冲群中的局放脉冲数量	对于老化和热老化条件下，天然酯都更高
重复性	矿物油稍低于天然酯			38
纸板影响	天然酯中负极性局放增加，负极性局放下发生闪络可能性增加，矿物油表现更好			39,40,41
放电现象的出现	第一次放电出现在18kV时，最大放电随着电压线性增加有大幅增高		第一次放电出现在18kV时，但是最大放电电压随电压增加不超过100pC

14 结论

书面探讨在变压器设计及生产中天然酯液体的介电性能。利于环境的天然酯是一种为配变和主变所青睐的绝缘液。天然酯与矿物油可混合性几乎为100%，如超过7%的天然酯在矿物油中，会将混合物的整体燃点降到300℃以下。天然酯的介损比矿物油高。

对于较小的绝缘间隙，天然酯液体击穿电压特性要优于矿物油。但是，对于较大绝缘间隙，在天然酯中的击穿电压相对于在矿物油中有所减小。相较于矿物油天然酯能够维持更多的水分，当有大量水分时有着较优的击穿电压值。天然酯中固体和液体绝缘电容率相较于在矿物油中更低，这能够帮助在不同试验条件下场强均匀分布。相比于矿物油浸渍纸板，天然酯浸渍纸板有着更高的电容率和更优的性能，但却有着较高介电损耗因数。天然酯浸渍板的表面爬电特性较低。

在纸板正负极性最大不超过100mm间隙中，用针-板法分布（极端不均匀场强），天然酯液体的雷电击穿电压值接近矿物油中的65%，间隙为100mm-1000mm时为40%。当为均匀场强分布时，雷电击穿电压对于天然酯和矿物油几乎相同。当根据IEC 61294进行试验时，天然酯中局部放电发生的电压比矿物油更低。

天然酯的黏度更高，这对于变压器湍流、固体绝缘浸渍时间、可试验前静放时间、整体热特性有更大影响。由于天然酯的低电阻率，更多的电荷转移及更高的静电电荷都会产生。建议将天然酯与真空型带降低开关切换容量的有载开关配合使用。

在第一章和第二章详尽研究天然酯的大量特性后，对于新设计和已投运的矿物油变压器，天然酯绝缘液完全满足各种要求。

表面追踪/爬电特性		矿物油	天然酯	参考序号
水分含量		4.30%	＜0.5%	-
追踪起始		当50kV时	47kV开始	23
高追踪增长	长度	15mm间隙60分钟内桥接	50mm间隙60分钟内桥接	24
	尺寸	短的主干与细微侧分支	在纸板上形成很多分支组成树形
	深度	只在背面可见	只在前表面可见

原文： 刘军 变压器百草园

原文：刘军变压器百草园