摘要：变压器作为电网的核心设备，其安全运行是保障电网稳定的前提。变压器绝缘油中溶解气体分析是发现和诊断变压器内部潜伏性故障最有效的手段之一。本文就此展开了探讨。
关键词：变压器；绝缘油；试验
前言
电力变压器是电力系统的核心设备，而绝缘油作为电力变压器的绝缘介质，同时起到散热的作用，因此其性能对变压器的绝缘性能具有重要意义。随着电力系统电压等级的不断提升，提高绝缘介质的绝缘性能越来越受到学者和工程人员的高度关注。变压器油是一种典型的由不同种烃类组成的混合液体，具有优异的电气、理化性能，并且其成本低廉，因此在高压电气设备中得到了广泛的使用。提高变压器油的性能可以提高变压器的安全运行水平，减小特高压变压器的尺寸和重量，具有重要的工程与经济意义。随着纳米绝缘材料研究的不断推进，研究人员逐渐认识到可通过向变压器绝缘油中添加纳米粒子的方式制备新型纳米绝缘油。相较于传统矿物绝缘油，纳米绝缘油不但拥有更优异的介电性能，而且还具有较好的散热作用。小桥击穿理论通常认为纯净度是影响绝缘油电气强度的重要因素，若绝缘油中含有杂质，则这些杂质会在电场作用下形成杂质小桥，形成电场畸变与局部放电，最终导致整个油隙的击穿。因此，通常认为杂质的存在会降低变压器油的击穿电压。然而，由于纳米粒子的大小介于介观和微观之间的亚微尺度，它比普通的杂质粒子小2到3个 数量级以上，可以通过表面修饰或改性，保证纳米粒子和绝缘油形成稳定的溶胶体系。
1绝缘油击穿与介电性能参数及纳米改性原理
1.1绝缘油击穿与介电性能参数
绝缘油作为变压器绝缘油纸体系中的液体绝缘介质，还兼具散热的作用。运行中的变压器油在一定的温度与电场应力下工作，各项性能参数都会发生不可逆的退化。击穿特性与介电性能是表征绝缘油绝缘性能的重要方面，其相关的性能参数主要有：
（1）击穿电压。它反映了绝缘油的耐电性能，是其电气强度的重要表征参数，也是表征绝缘油电气性能的最基本参数之一。从变压器运行的角度而言，希望绝缘油的击穿电压能尽可能地提高，这样可以提高绝缘油的绝缘强度，也可以减少绝缘油的使用量。
（2）相对介电常数。它是反映绝缘油极化特性的宏观物理参数，代表了绝缘油的极化程度，也即是对电荷的束缚能力。由于运行中变压器油纸绝缘共同承担电场作用，为了使得绝缘油与绝缘纸中的电场分布能够尽量均匀，因此从变压器运行的角度而言，希望绝缘油的相对介电常数与绝缘纸的相对介电常数差异控制在一定范围内。
（3）介质损耗因素。它是绝缘油的介电性能参数之一，它与绝缘材料的结构特性有密切联系。从变压器运行角度而言，作为变压器内使用的绝缘介质，同时考虑到绝缘油兼做变压器内的散热介质，希望绝缘油的介质损耗因素尽可能小，这是因为过大的介质损耗因素意味着过多的有功发热，将使绝缘油劣化，降低绝缘油的绝缘性能，甚至可能导致绝缘油击穿。
（4）体积电阻率。它是定量描述绝缘油电阻性的物理量，是绝缘油介电性能的基本宏观参数之一，它的大小直接表征了绝缘油的绝缘性能。体积电阻率越高，流过的电流越小，说明其绝缘性能越好，当绝缘油的体积电阻率明显降低时，往往伴随着绝缘油绝缘性能的劣化。因此，从变压器运行的角度而言，希望绝缘油的电阻率尽可能地大。
1.2绝缘油纳米改性原理
传统的小桥击穿理论认为绝缘油中的杂质颗粒会降低其绝缘性能，导致击穿电压的降低。上述杂质颗粒的粒径通常在微米数量级，然而，当杂质粒子的粒径下降到一定的数量级时，金属费米能级附近的电子能级则会由准连续状态变为离散能级，从而引起杂质微粒的宏观物理性质变化，产生新的尺寸效应，此时传统的小桥理论将不再适用。
纳米改性绝缘油在电压作用下的击穿特性可以统一归纳为油中流注的发展变化情况，在流注的发展过程中电子运动远比正电荷要快，所以纳米颗粒可以将大量电子吸附到自身表面，同时由于纳米颗粒的运动速率远小于电子，在这吸附过程中快速运动的电子被转化为缓慢运动的电负性粒子，这样在降低流注头部电场强度的同时进一步减缓了正负电荷的运动速率，从而增大了冲击耐受电压和击穿时延。也有学者认为，在外加电场作用下，纳米颗粒表面两侧由于极化会生成电荷，这些极化电荷产生的电场畸变原有电场，从而在颗粒附近形成“势阱”，从而引起绝缘油的性能变化。虽然目前并没有确切而统一的理论来解释纳米粒子加入变压器油后对变压器油电气性能的改善机制，但国内外的大量研究结果均表明，通过适当的制备方法，纳米改性绝缘油的击穿电压等性能可以比常规未改性绝缘油的有所提升。目前，对于纳米改性变压器油的研究基本上都采用金属氧化物纳米颗粒作为添加材料，通常选取的有TiO2、Fe3O4、Al2O3、SiO2、SiC、ZnO和MgO等。
2试验部分
2.1关键技术
2.1.1试剂
高纯氩气99.999%；电力气体标准物质(GBW(E)060853)。
2.1.2仪器
GC7890A气相色谱仪(Agilent)，包括FID检测器、TCD检测器、镍转化炉、化学工作站；G1888A顶空进样器(Agilent)；HP-PLOT5A30m×0.53m×50μm分子筛柱(Agilent)；HP-PLOT-Q30m×0.53m×40μm；带刻度的顶空瓶；氩气保护系统。全自动便携式变压器油色谱分析装置，包括FID检测器、TCD检测器、镍转化炉、化学工作站。
2.2试验结果分析
2.2.1最小检测浓度试验
作为绝缘油色谱分析仪的重要性能指标，最小检测浓度若不符合要求，将不能有效分析超特高压变压器潜伏性的早期缺陷，限制色谱仪的应用范围。最小检测浓度计算步骤为：①仪器稳定后，观察记录整机噪声；②进标准混合气样品，按统算法计算出仪器对某组分的最小检测量。
2.2.2定量重复性试验
依据国标GB/T17623—2017中对定量重复性的要求。配制一定浓度的标准油样，在相同条件下取6个样品分别用传统方式及全自动便携装置进行测试。定量重复性以检测浓度的相对标准偏差RSD表示。检测数据可知，便携装置定量重复性均能满足各标准的要求，且相对于传统方式提高了30%以上。
2.2.3检测线性测试
使用电力气体标准物质配制一定浓度的标准油样，分别稀释2、10、50和100倍配成5个浓度梯度的标准油样。将各浓度的油样使用全自动便携装置进行分析，每个浓度平行测定2次，以分析物的峰高Y对标准油样浓度X做标准曲线，以烃类物质为例，校准曲线可知，全自动便携装置在测定的范围内线性良好，线性范围宽。完全可以满足在绝缘油中溶解气体组分含量要求的测定范围内保证测定结果的准确性。
结束语
装置的研发与应用将实现各种环境下绝缘油中溶解气体和含气量的快速准确检测，为电网充油电气设备的安全运行提供更有力的保障。
参考文献：
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