高压交流或直流电场下评定变压器油氧化安定性的试验方法

摘要

高压交流或直流电场下评定变压器油氧化安定性的试验方法，应用于变压器油氧化安定性评定实测。在高温和高压交流或直流电场下，在金属催化剂存在条件下，通入空气或氧气，进行变压器油的加速氧化，利用模拟装置内置的油介质损耗因数测量电极杯在线监测变压器油的介质损耗因数的变化，监测达到规定值0.02时所需要的时间作为考察变压器油的氧化安定性指标。效果是：评定变压器油在高温、交流或直流电场、有氧和金属催化剂存在条件下的氧化安定性。

说明书

技术领域

本发明涉及电网输变电技术领域，特别涉及变压器中绝缘材料的变 压器油，是一种在高压交流或直流电场下评定变压器油氧化安定性的试 验方法。主要用于变压器、换流变压器、互感器、电抗器等电气设备用 变压器油的氧化安定性的评定。

背景技术

近年来，随着西电东输工程的实施，我国电力工业已经进入大电网、 特高压电网的发展时期，相继建成了750kV和1000kV特高压交流输电工 程，±500kV高压直流及±660kV和±800kV特高压直流输电工程。变压 器是输电工程中极其重要的输变电设备，其行业发展与电力工业的整体 发展密切相关。国内变压器行业通过引进国外先进技术，使变压器产品 品种、水平及高电压变压器容量都有了大幅度提高。运行中变压器要承 受高电压、雷电冲击和操作过电压的长周期作用，因此作为变压器中主 要绝缘材料的变压器油除应具备较好的电气性能外，还应具备较好的交 流或直流电场下的氧化安定性。

变压器油在运行期间受到高压交流电场或直流电场、交直流叠加电 场、高温、空气及铁芯、铜、银等金属的催化作用而发生氧化，产生酸 物质腐蚀固体绝缘材料，生成的油泥后沉积于铁芯及线圈表面又造成固 体绝缘层传热差、温升高，使固体绝缘材料老化裂解，严重威胁变压器 长周期运行。因此，需要对变压器油进行氧化安定性的评定。

目前，国内外变压器油标准中都规定了变压器油氧化安定性的评定 方法，GB2536-91和SH0040-09规定采用SH/T 0206方法、ASTM D3487-2006 规定采用ASTM D2440方法、IEC60296-2003规定采用IEC61125方法等评 定变压器油的氧化安定性。现行的变压器油氧化安定性评定方法，都是 采用相类似的原理，即在规定的温度下，在铜的催化作用下，在规定的 试验周期通入氧气或空气进行氧化试验，测定氧化后油的酸值和沉淀或 介质损耗因数，通过氧化油的酸值和沉淀及介质损耗因数的大小来判定 变压器油的氧化安定性。以上方法最大的缺陷是试验条件与变压器的运 行工况相差较大，没有考虑高压电场对氧化的影响，其评定的结果很难 反应出变压器油在实际设备中的氧化进程。本领域技术人员公知，变压 器油可以是矿物油(石油产品)，或者是合成硅油，或者是合成酯，或 者是天然植物油。

我国电力部门曾在20世纪70年代设计一套在交流电场条件下评定 变压器油抗氧化安定性的模拟设备及试验方法，但该设备存在以下缺陷： 一是只能在交流电场下评定变压器油的抗氧化性能，不能在直流电场下 评定；二是电场强度固定不能调整且电场强度较小；三是通入的氧气无 分配管；四是采用氧化后变压器油的水溶性酸达到0.014mgKOH/g时作为 “氧化寿命”，与变压器油作为绝缘用油的运行工况相比采用该项目不 科学；五是受当时技术水平限制，自控水平低。

石油商技杂志第六期中，发表了一篇《台架评定技术的变压器油抗 氧化性能评价中的应用》。对变压器油氧化安定性评定方法有论述。但 该设备存在缺陷：一是通入的氧气无分配管，导致氧气在试验油样中分 布不均匀，不能实现全部试验油样的均匀氧化；二是采用氧化后变压器 油的酸值达到规定指标时所需时间作为“氧化寿命”，与变压器油作为 绝缘用油的运行工况相比采用该项目不科学，不能直接体现变压器油绝 缘性能下降趋势和程度；三是测量过程不能实现自动测量和数据自动采 集。

针对现行的变压器油氧化安定性评定方法的不足。急需开发一套适 合目前高压交流变压器和换流变压器的发展状况，在高压交流或直流电 场下评定变压器油抗氧化性能的模拟试验装置和方法，为评估变压器用 油提供技术支持。

发明内容

本发明的目的是：提供一种高压交流或直流电场下评定变压器油氧 化安定性的试验方法，能在实验室内模拟变压器油在变压器带电运行过 程的氧化进程，并且能够测量不同交流电场强度、直流电场强度、空气 流量、温度等因素作用下变压器油介质损耗因数变化的信号，获得反映 此变压器油的绝缘性能下降到限制值(此时需要进行换新油)的时间，为 变压器油预测使用寿命提供可靠的实验数据。

本发明采用的技术方案是：高压交流或直流电场下评定变压器油氧 化安定性的试验方法，其特征在于：变压器油在高温和高压交流或直流 电场下，在金属催化剂(比如：小型交流变压器本身的绝缘铜线、硅钢 片、钢及银焊接体等)存在条件下，通入空气或氧气，进行变压器油的 加速氧化，利用模拟装置内置的油介质损耗因数测量电极杯在线监测变 压器油的介质损耗因数的变化，监测达到规定值0.02时所需要的时间作 为考察变压器油的氧化安定性指标，包括如下步骤：

步骤A、称取变压器油样品，将变压器油样品加热到50～60℃，在 真空度为0.1333～1.333KPa下进行脱气脱水处理，处理后变压器油样品 的水分含量小于10mg/kg；在温度为90℃条件下介质损耗因数小于 0.001；

步骤B、将高压电极、微型齿轮泵、低压电极、气体分配管、液位传 感器、温度传感器和油介质损耗因数测量电极杯、外筒盖、吊装杆和聚 四氟乙烯管用60～90℃石油醚进行清洗，晾干；用干燥清洁的空气吹扫 小型交流变压器，吹扫时间至少5分钟；

步骤C、将高压电极、微型齿轮泵、气体分配管、液位传感器、温度 传感器和油介质损耗因数测量电极杯固定到外筒盖上，低压电极筒固定 到小型交流变压器上，小型交流变压器通过四根吊装杆吊装在外筒盖上， 调整吊装位置，以保证高压电极垂直穿入低压电极筒，且处于低压电极 筒的中心位置，微型齿轮泵的进口与油介质损耗因数测量电极杯出口通 过聚四氟乙烯管相连接，将组成好的外筒盖和外筒放入真空干燥箱中， 在真空度为1～5kPa条件下干燥30分钟，除去金属表面和绝缘纸吸附的 水分；

步骤D、将干燥好的组合的外筒盖垂直装入外筒；将处理后的变压器 油样品，采用真空注入方式，注入到外筒内，当液位传感器报警时，停 止注入。

步骤E、将上述模拟装置安放到试验台中盘式加热器上，模拟装置的 高压电极通过高压绝缘电缆与高压交直流发生器相连，模拟装置的小型 交流变压器输出端通过电缆线与电容器组相连，模拟装置的油介质损耗 因数测量电极杯通过电缆与多通道油介质损耗因数测量电桥相连；将模 拟装置内的变压器油样品温度加热到试验温度(如90℃)，在高压电极 上施加0～50kV±0.1kV交流或0～70kV±0.1kV直流电压，在小型交流 变压器上施加380V交流电压，以流量速率100mL/min通入干燥的空气或 氧气，进行氧化试验；

步骤F、记录试验开始的时刻T0，设定变压器油样品的介质损耗因 数测量周期1～10小时，同时油介质损耗因数测量电极杯自动记录变压 器油样品的介质损耗因数值，当到介质损耗因数值达到试验确定的值 0.02时，停止试验，再次记录停止试验时刻T1，抗氧化测试周期T： T＝T1-T0。T代表时间，单位：小时；

步骤G、将上述模拟装置控制系统断开，自然冷却至50℃以下，将 模拟装置内的变压器油样品取出，用于其它理化性质和电气性质分析。

高压交流或直流电场下评定变压器油氧化安定性的试验装置，包括 计算机、控制柜、试验台。计算机与控制柜之间连接信号线；控制柜与 试验台之间导线连接，试验台上有3～10个模拟装置。

试验台主要由高压交直流发生器、模拟装置、盘式加热器、电容器 组、一个多通道油介质损耗因数测量电桥构成。模拟装置座在盘式加热 器上，模拟装置的高压电极通过高压绝缘电缆与高压交直流发生器相连， 模拟装置的小型交流变压器输出端通过电缆线与电容器组相连，模拟装 置的油介质损耗因数测量电极杯通过电缆与多通道油介质损耗因数测量 电桥相连；多通道油介质损耗因数测量电桥采用的是变频谐波分析法中 使用的介质损耗因数测量电桥，多通道油介质损耗因数测量电桥不属于 本发明的内容，本领域技术人员熟知。

模拟装置由高压电极体、微型齿轮泵、外筒盖、聚四氟乙烯管、低 压电极筒、吊装杆、小型交流变压器、气体分配管、液位传感器、温度 传感器、油介质损耗因数测量电极杯和外筒组成。将高压电极、微型齿 轮泵、气体分配管、液位传感器、温度传感器和油介质损耗因数测量电 极杯固定到外筒盖上，低压电极固定到小型交流变压器上，小型交流变 压器通过四根吊装杆吊装在外筒盖上，调整吊装位置，以保证高压电极 垂直穿入低压电极筒，且处于中心位置，微型齿轮泵的进口与油介质损 耗因数测量电极杯出口通过聚四氟乙烯管相连接，将组成好的外筒盖垂 直装入外筒。微型齿轮泵用于实现试验油样在油介质损耗因数测量电极 杯内的循环流动，以保证测量结果的均一性。油介质损耗因数测量电极 杯通过电缆与多通道油介质损耗因数测量电桥相连，测量结果通过测量 电桥上的无线发射装置传输到控制系统的软件中，以实现数据的采集和 收集。

介质损耗因数测量电极杯包括信号测量端、电极杯盖、陶瓷绝缘环、 排液口管、电极杯外筒、内电极体、高压电接入端和进液口管。内电极 体上端密封固定在陶瓷绝缘环中心螺孔内，陶瓷绝缘环安装在电极杯外 筒上端内壁的台阶上，电极杯外筒上端内壁的台阶上有密封圈；圆柱形 的内电极体下端悬挂在电极杯外筒内，并且内电极体外壁与电极杯外筒 内壁之间形成环形的充油空腔；电极杯外筒的上端有外螺纹，在电极杯 外筒的上端螺纹固定有电极杯盖；排液口管穿过电极杯盖和陶瓷绝缘环 与充油空腔连通；信号测量端穿过电极杯盖并且信号测量端下端与内电 极体相连；电极杯外筒下端固定有进液口管，进液口管与电极杯外筒下 端的充油空腔连通；高压电接入端固定在电极杯外筒侧壁上。

控制柜由PLC控制器、手动/自动调压器、开关按钮、气体玻璃流量 计、气体质量流量计、液位控制器、介质损耗因数测量电桥控制器和若 干个交流继电器和过流保护器组成。控制柜的结构不属于本发明的内容， 本领域技术人员能完成。

计算机通过控制柜中PLC控制器分别进行多路高电压、温度、气体 流量和油介质损耗因数测量控制，传输到试验台上高压交直流发生器、 盘式加热器和一个多通道油介质损耗因数测量电桥，分别对试验台上多 个模拟装置的高压电极输入0～50kV交流电压或0～70kV直流高电压； 控制盘式加热器对充入变压器油加热；定时对油介质损耗因数测量电极 杯输入测量控制，计算机通过控制柜中PLC控制器分别输出多路低电压 和气体流量控制、传输到试验台上多个模拟装置的小型交流变压器上和 气体分配管中，定期采集多个模拟装置中变压器油的介质损耗因数值， 记录在软件中进行分析计算。

高压交直流发生器能输出0～50kV交流电压或输出0～70kV直流电 压。

高压电极体由高压电极和低压电极筒组成，内电极与外电极之间的 距为10mm，根据所配置的交、直流电源，产生电场强度为0～5kV/mm的 交流电场和电场强度为0～7kV/mm的直流电场。

小型交流变压器绕组由纸包绝缘铜线绕制而成，变比为380V/220V， 输出端连接一70μF电容器组，形成4.5A电流。

微型齿轮泵用于实现试验油样在油介质损耗因数测量电极杯内的循 环流动，以保证测量结果的均一性。油介质损耗因数测量电极杯通过电 缆与多通道油介质损耗因数测量电桥相连，测量结果通过测量电桥上的 无线发射装置传输到控制系统的软件中，以实现数据的采集和收集。

本发明的模拟试验装置原理：该技术是变压器油在高温和高压交直 流电场下，通入空气或氧气，进行变压器油的加速氧化，并利用在线监 测变压器油的介质损耗因数的技术，监测达到规定值时所需要的时间作 为考察变压器油的氧化安定性能的方式。

本发明所涉及的变压器油氧化安定性考核方式，是利用在线监测变 压器油的介质损耗因数的技术，监测油的介质损耗因数达到规定值时所 需要的时间作为考察变压器油的氧化安定性能，采用变压器油介质损耗 因数的增加速率表征变压器油的氧化安定性能的技术，替代通过氧化油 的酸值的增长速率来表征变压器油氧化安定性能的传统技术。介质损耗 因数是表征变压器油的绝缘性能的最关键指标，而绝缘性能是变压器油 的最基本的性能。因此采用介质损耗因数增加速率，来表征变压器油的 氧化安定性能具有实际的意义。

本发明的有益效果：本发明高压交流或直流电场下评定变压器油氧 化安定性的试验方法，能定量地区分变压器油的氧化安定性能，能定性 地区分变压器油的使用“寿命”。能在实验室内模拟变压器油在变压器 带电运行过程的氧化进程，能测量不同交流电场强度、直流电场强度、 空气流量、温度等因素作用下变压器油介质损耗因数变化的信号，真实 反映此变压器油的绝缘性能下降到限制值(此时需要进行换新油)的时 间，为变压器油预测使用寿命提供可靠的实验数据。

附图说明

图1试验台结构示意图：1-高压交直流发生器，2-模拟装置，3-盘 式加热器、4-电容器组、5-多通道油介质损耗因数测量电桥。

图2为模拟装置内部结构图：6-高压电极体，7-微型齿轮泵，8-外 筒盖，9-聚四氟乙烯管，10-低压电极筒，11-吊装杆，12-小型交流变压 器，13-气体分配管，14-液位传感器，15-温度传感器，16-油介质损耗 因数测量电极杯，17-外筒。

图3油介质损耗因数测量电极杯结构：18-信号测量端，19-电极杯 盖，20-陶瓷绝缘环，21-排液口管，22-电极杯外筒，23-充油空腔，24- 内电极体，25-高压电接入端，26-密封圈，27-进液口管。

图4实例1中25号变压器油基础油和成品油氧化过程介质损耗因数 变化趋势；

具体实施方式

实施例1：以一次利用高压交流或直流电场下评定变压器油氧化安定 性的试验方法，测量25号变压器油基础油和成品油氧化过程介质损耗因 数为例，对本发明作进一步详细说明。

高压交流或直流电场下评定变压器油氧化安定性的试验装置，主要 包括计算机、控制柜、试验台。计算机与控制柜之间连接信号线；控制 柜与试验台之间导线连接，试验台上有4个模拟装置。

参阅图1。试验台由四个高压交直流发生器1、四个模拟装置2、四 个盘式加热器3、四个电容器组4、一个多通道油介质损耗因数测量电桥 5构成。模拟装置2座在盘式加热器3上，模拟装置2的高压电极6通过 高压绝缘电缆与高压交直流发生器1相连，模拟装置2的小型交流变压 器12输出端通过电缆线与电容器组4相连，模拟装置2的油介质损耗因 数测量电极杯16通过电缆与一个多通道油介质损耗因数测量电桥5相 连；多通道油介质损耗因数测量电桥5是采用变频谐波分析法原理的介 质损耗因数测量电桥。

参阅图2。模拟装置2由高压电极体6、微型齿轮泵7、外筒盖8、 聚四氟乙烯管9、低压电极筒10、吊装杆11、小型交流变压器12、气体 分配管13、液位传感器14、温度传感器15、油介质损耗因数测量电极 杯16和外筒17组成。将高压电极6、微型齿轮泵7、气体分配管13、液 位传感器14、温度传感器15和油介质损耗因数测量电极杯16固定到外 筒盖8上，低压电极10固定到小型交流变压器12上，小型交流变压器 12通过四根吊装杆11吊装在外筒盖上，调整吊装位置，以保证高压电极 6垂直穿入低压电极筒10，且处于中心位置，微型齿轮泵7的进口与油 介质损耗因数测量电极杯16出口通过聚四氟乙烯管9相连接，将组成好 的外筒盖8垂直装入外筒17。外筒17的内径：400mm，高度：500mm。

参阅图3。介质损耗因数测量电极杯16包括信号测量端18、电极杯 盖19、陶瓷绝缘环20、排液口管21、电极杯外筒22、内电极体24、高 压电接入端25和进液口管27。内电极体24上端密封固定在陶瓷绝缘环 20中心螺孔内，陶瓷绝缘环20安装在电极杯外筒22上端内壁的台阶上， 电极杯外筒22上端内壁的台阶上有密封圈26；圆柱形的内电极体24下 端悬挂在电极杯外筒22内，并且内电极体24外壁与电极杯外筒22内壁 之间形成环形的充油空腔23；电极杯外筒22的上端有外螺纹，在电极杯 外筒22的上端螺纹固定有电极杯盖19；排液口管21穿过电极杯盖19 和陶瓷绝缘环20与充油空腔23连通；信号测量端18穿过电极杯盖19 并且信号测量端18下端与内电极体24相连；电极杯外筒22下端固定有 进液口管27，进液口管27与电极杯外筒22下端的充油空腔23连通；高 压电接入端25固定在电极杯外筒22侧壁上。

控制柜由PLC控制器、手动/自动调压器，开关按钮、气体玻璃流量 计、气体质量流量计、液位控制器、介质损耗因数测量电桥控制器、若 干个交流继电器和过流保护器组成。

计算机通过控制柜中PLC控制器分别进行多路高电压、温度、气体 流量和油介质损耗因数测量控制，传输到试验台上四个高压交直流发生 器1、盘式加热器3和一个多通道油介质损耗因数测量电桥5，分别对试 验台上四个模拟装置2的高压电极6；控制盘式加热器3对充入变压器油 加热；定时对油介质损耗因数测量电极杯16输入测量控制，计算机通过 控制柜中PLC控制器分别输出四路低电压和气体流量控制、传输到试验 台上四个模拟装置的小型交流变压器12上和气体分配管6中，定期采集 四个模拟装置中变压器油的介质损耗因数值，记录在软件中进行分析计 算。

高压电极体由高压电极6和低压电极筒10组成，内电极与外电极之 间的距为10mm，根据所配置的直流电源，产生电场强度为2kV/mm的直流 电场。

小型交流变压器12绕组由纸包绝缘铜线绕制而成，变比为 380V/220V，输出端连接70μF电容器，形成4.5A电流。

高压交流或直流电场下评定变压器油氧化安定性的试验方法，

步骤A、称取20kg的25号变压器油样品，将25号变压器油样品加 热到55℃，在真空度为1.333KPa下进行脱气脱水处理，处理后变压器油 样品的水分含量小于10mg/kg；在温度为90℃条件下介质损耗因数为 0.0005；

步骤B、将四组高压电极6、微型齿轮泵7、低压电极10、气体分配 管13、液位传感器14、温度传感器15和油介质损耗因数测量电极杯16、 外筒盖8、吊装杆11和聚四氟乙烯管9用80℃石油醚进行清洗，晾干， 用干燥清洁的空气吹扫小型交流变压器12，空气吹扫5分钟；

步骤C、将准备好将高压电极6、微型齿轮泵7、气体分配管13、液 位传感器14、温度传感器15和油介质损耗因数测量电极杯16固定到外 筒盖8上，低压电极筒10固定到小型交流变压器12上，小型交流变压 器12通过四根吊装杆11吊装在外筒盖8上，调整吊装位置，高压电极6 垂直穿入低压电极筒10，且处于中心位置，微型齿轮泵7的进口与油介 质损耗因数测量电极杯16出口通过聚四氟乙烯管9相连接，将组成好的 外筒盖8和外筒17放入真空干燥箱中，在真空度为1kPa条件下干燥30 分钟，除去金属表面和绝缘纸吸附的水分；

步骤D、将干燥好的组合的外筒盖8垂直装入外筒17；将处理后变 压器油样品，采用真空注入方式，注入到外筒17内，变压器油样品注入 量为15kg；液位传感器14报警，停止注入。

步骤E、将上述四组模拟装置2安放到试验台中盘式加热器3上，模 拟装置2的高压电极6通过高压绝缘电缆与高压交直流发生器1相连， 模拟装置2的小型交流变压器12输出端通过电缆线与电容器组4相连， 模拟装置2的油介质损耗因数测量电极杯16通过电缆与多通道油介质损 耗因数测量电桥5相连；将模拟装置2内的变压器油样品温度加热到试 验温度90℃，在高压电极6上施加20kV±0.1kV直流电压，在小型交流 变压器12上施加380V交流电压，以试验要求的空气的流量速率 100mL/min通入干燥的空气或氧气，进行氧化试验；

步骤F、记录试验开始的时刻T0：上午9点，设定变压器油样品的 介质损耗因数测量周期5小时，并自动记录变压器油样品的介质损耗因 数值，当到介质损耗因数值达到试验确定的值0.02时，停止试验，再 次记录停止试验时刻T1：四十天后的下午2点。25号变压器油基础油抗 氧化周期T：76小时，25号变压器油成品油抗氧化周期T：745小时。

参阅图4。得到实施例1的25号变压器油基础油和成品油氧化过程 介质损耗因数变化趋势。