植物油和矿物油及其浸绝缘纸的工频介电 温度谱对比研究

80
90
100
(a) 相对介电常数实部
(b) 介电损耗
图 4 绝缘纸板在工频下的介电温度谱拟合曲线
可以看出，相对介电常数与温度满足二次函数关系：
a T 2 b *T c
(1)
且其拟合优度较好，都在 0.98 以上，拟合关系如表 1 所示。 介质损耗因数与温度满足三次函数的关系：
表 2 介质损耗因数与温度关系的拟合方程及优度
tan a T 3 b *T 2 c *T d
类型 矿物油 植物油 矿物油浸渍纸板 植物油浸渍纸板 a 3.14124E-8 2.10647E-9 7.55987E-8 5.7031E-8 b -2.88371E-6 3.26469E-6 -3.89016E-6 -2.38064E-6 c 1.16286E-4 -5.25564E-5 8.07346E-6 -5.51073E-5 d 4.98803E-4 0.00278 0.00697 0.00789 R2 0.99447 0.99924 0.99971 0.99994
关键字：植物油 矿物油 油纸绝缘 介电温度谱
பைடு நூலகம்
1. 引言 在变压器、断路器、套管、电流和电压互感器等油浸绝缘的高电压设备中，绝缘油通
过浸渍和填充来消除设备内绝缘中的气隙，起到了电气绝缘、散热冷却和熄灭电弧的作用， 因此，绝缘油好比是电力设备的血液，对电力系统的安全运行具有重要的作用[1]。目前电力 系统广泛采用的是矿物绝缘油， 但其燃点低 （一般低于170℃） 、 难降解 （生物降解率只有30% 左右），不能达到绝缘材料防火性能和环保性能的要求，并且石油资源有限，难以提供持续、 稳定的大量供应[2,3]。 而植物油燃点普遍高于300℃， 生物降解率大于97%， 并且可从葵花籽油、
大豆油和花生油等原料中提取， 采用植物油可以很好地解决这些问题， 所以新型环保植物绝缘油 成为了国内外研究的热点。Y.Bertrand 、T.V.Oommen 等国外学者只是测量了在25℃下植物
[4] [5]
绝缘油的介质损耗因数， 李晓虎[6]虽分析了植物绝缘油介质损耗因数和相对介电常数随温度 的变化关系， 但是其测试的温度范围仅为30～90℃之间， 对于更低温下的变化情况并不了解。 此外，国内外学者对植物油纸绝缘电气性能也进行了测试和研究，但刘刚[2]仅是针对植物油 纸绝缘老化特性进行研究，Hemmer M[7]仅是针对浸渍了植物油和矿物油的不同纸板的相关电 气性能参数进行比较，都没有分析温度对植物油纸绝缘介电性能的影响。 因此，本文利用Concept80宽频介电谱仪测量了植物油和矿物油及其浸绝缘纸在不同温 度下的工频介质损耗因数和工频相对介电常数， 然后对比分析了两者的工频介电温度谱， 最 后对两者的工频介电温度谱进行了拟合分析。
2. 试验方案
（1）试验材料 试验采用的绝缘材料为:植物绝缘BIO2 TEMP油、新25#矿物绝缘油和普通变压器绝缘 纸。 （2）试验流程
将试验所用的厚度为0.3mm绝缘纸剪裁成诺干个直径为40mm的圆片，将圆绝缘纸片放 入真空浸油箱中在90 ℃/50 Pa真空下干燥48小时，然后均分成两份，分别放入加热到40℃的 矿物油和植物油里，在40 ℃/50 Pa真空下进行浸油24个小时，便得到了矿物油浸绝缘纸和植 物油浸绝缘纸样品。 利用Concept80宽频介电谱仪对试验用的植物油和矿物油及其浸绝缘纸样品进行工频介 质损耗因数和工频相对介电常数测量，测量温度范围为10～90℃，间隔为5℃。
5 4.8 4.6 4.4 矿物油真实点 矿物油拟合曲线 植物油真实点 植物油拟合曲线
0.035 矿物油真实点 矿物油拟合曲线 植物油真实点 植物油拟合曲线
0.03
0.025
相 对 介 电 常 数 实 部 ε′
介 质 损 耗 tanδ
0 10 20 30 40 50 温 度 /℃ 60 70 80 90 100
相 对 介 电 常 数 实 部 ε′
3.6 3.5 3.4 3.3 3.2 3.1 3 矿物油老纸真实点 矿物油老纸拟合曲线 植物油老纸真实点 植物油老纸拟合曲线
0.02
0.015
0.01
0.005
0
10
20
30
40
50 温 度 /℃
60
70
80
90
100
0
0
10
20
30
40
50 温 度 /℃
60
70
4. 结论
本文测量了植物油和矿物油及其浸绝缘纸在不同温度下的工频介质损耗因数和工频相 对介电常数，然后对比分析了两者的工频介电温度谱，最后对它们进行了拟合分析，结果发 现： 1）植物油和矿物油的工频相对介电常数随着温度的升高都逐渐降低，且植物油的比矿 物油的大，差值约为 1。 2）植物油和矿物油的工频介质损耗因数随温度的升高都逐渐增大，且植物油的上升的 速率明显高于矿物油。 3）植物油纸绝缘和矿物油纸绝缘的相对介电常数随着温度的升高先增大后减小，且植 物油纸绝缘的大于矿物油纸绝缘，差值较小约为 0.5。 4）两种油纸绝缘的介质损耗因数随着温度的升高都显著增大，且当温度超过 40℃时， 随着温度升高矿物油纸绝缘的介质损耗将开始略大于矿物油纸绝缘。 植物油的相对介电常数大于矿物油， 使得植物油纸绝缘结构的电场分布更加均匀， 有利 于植物型变压器结构的小型化。 植物油纸绝缘和矿物油纸绝缘的介质损耗因数温度谱非常接 近，这为植物油变压器的制造和应用提供了参考依据。另外，工频相对介电常数的温度谱满 足二次函数关系， 工频介质损耗的温度谱满足三次函数的关系， 这就为用温度谱来判断老化 状态提供了一个新的思路。
tan a T 3 b * T 2 c * T d
且拟合优度也比较好，都在 0.99 以上，拟合关系如表 2 所示。
表 1 相对介电常数实部与温度关系的拟合方程及优度
(2)
a T 2 b *T c
类型 矿物油 植物油 矿物油浸渍纸板 植物油浸渍纸板 a 4.27523E-5 2.67255E-5 -3.34685E-5 -2.91409E-5 b -0.00596 -0.00416 0.00495 0.00486 c 3.74875 4.28474 3.39029 3.67689 R2 0.9921 0.9899 0.9852 0.9891
到峰值后又略微减小。这可能是因为随着温度的升高，绝缘纸中的水分会向油中扩散，使得 绝缘纸中水分含量减少，从而两种油纸绝缘的相对介电常数都减小。
4.0 0.03
植物油浸渍纸 矿物油浸渍纸

3.5
0.02
tan
植物油浸渍纸 矿物油浸渍纸
3.0 0 20 40 60 80 100
0.01
0
20
40
60
4.2 4 3.8 3.6 3.4
0.02
0.015
0.01
0.005
3.2 3
0
0
10
20
30
40
50 温 度 /℃
60
70
80
90
100
(a) 相对介电常数实部
(b) 介电损耗
图 3 绝缘油在工频下的介电温度谱拟合曲线
4 3.9 0.03 3.8 3.7 0.025
介 质 损 耗 tanδ
0.035 矿物油老纸真实点 矿物油老纸拟合曲线 植物油老纸真实点 植物油老纸拟合曲线
植物油和矿物油及其浸绝缘纸的工频介电 温度谱对比研究
郭 沛，廖瑞金，杨丽君，马志钦，郝 建 （重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室， 重庆市， 400044）
摘要：植物油相对于矿物油由于具有高燃点、高降解率和可再生等优点成为了国内外研究的热点，但有关
植物油工频介电温度谱的研究比较少，因此本文利用 Concept80 宽频介电谱仪测量了植物油和矿物油及其 浸绝缘纸在不同温度下的工频介质损耗因数和工频相对介电常数， 然后对比分析了两者的工频介电温度谱， 最后对它们进行了拟合分析。结果发现：1. 植物油和 矿物油随温度升高而减小， 植物油大于 矿物油;2. 和 tan
80
100
T/℃
T/℃
(a) 相对介电常数实部
(b) 介电损耗
图 2 绝缘纸在工频下的介电温度谱曲线
植物油纸绝缘和矿物油纸绝缘的介质损耗主要有偶极松弛损耗、 夹层极化损耗和电导损 耗，但电导损耗相对前两者比较少，可忽略不计，所以两种油纸绝缘的介质损耗因数温度谱 差别较小。 两种油纸绝缘的介质损耗因数随着温度的升高都显著增大， 主要是因为在频率不 变的情况下，随着温度升高，松弛时间 减小，松弛极化逐渐跟上电场变化， 逐渐趋近于 1，所以介质损耗逐渐增加。从图 2（b）中还可以看到，当温度超过 40℃时，随着温度升高 矿物油纸绝缘的介质损耗将开始略大于植物油纸绝缘， 这可能由于随着温度升高， 绝缘纸中 的水分会向油中扩散，但植物油脂分子具有双亲型结构，亲水性能比较强，相同条件下植物 绝缘油的饱和含水量比矿物绝缘油高， 所以植物油浸绝缘纸中含水量较小， 从而使得植物油 纸绝缘的介质损耗相对较小。 （3）绝缘油和油浸绝缘纸介电温度谱的拟合
tan 植物油
植物油纸和 矿物油纸随温度升高先增 矿物油随温度升高而增大，植物油的上升的速率明显高于矿物油；3.
大后减小， 植物油纸大于 矿物油纸;4. tan 植物油纸和 tan 矿物油纸随温度升高而显著增大，当温度>40℃时， tan 矿物油纸 开始略大于 tan 植物油纸。植物油的相对介电常数大于矿物油，使得植物油纸绝缘结构的电场分布更加均匀， 有利于植物型变压器结构的小型化。植物油纸绝缘和矿物油纸绝缘的介质损耗因数温度谱非常接近，这为 植物型变压器的制造和应用提供了参考依据。另外， 的温度谱满足二次函数关系， tan 的温度谱满足三 次函数的关系，这就为用温度谱来判断老化状态提供了一个新的思路。