變壓器油既是電力變壓器的絕緣體，也是冷卻劑，這使得變壓器中的油耗極為關鍵。變壓器油的品質是透過介質耗散因數（DDF）或介質損耗因數來評估。該評估揭示了有關油的性質、潛在雜質和整體介電污染物的重要訊息，使其成為變壓器維護的關鍵油診斷工具，可避免代價高昂的停電。在本文中，我將分析耗散因數，描述其重要性、測量方法以及可能改變其值的變數。透過這項研究，從行業技術員和工程師到資深專業人士的每個人都會了解如何評估變壓器油的狀況。
變壓器油的介質損耗因數是多少？
變壓器油的介質損耗因數 (DDF) 或 tan delta 值是衡量油作為絕緣材料的效率的標準。它測量油中的電能，該電能由於暴露於交變電場而轉化為熱能。 DDF 較低是正面指標，因為這意味著消耗的能量很少，而 DDF 較高則是負面指標，表示油已被污染，即支持系統已老化或油已變質。依照產業基準測量和評估變壓器油的狀況對於確保整個變壓器系統的可靠性和效率非常重要。
介電損耗因數的定義
介質損耗因數或損耗角正切（tanδ）是評估變壓器油和其他介電材料電絕緣品質的重要因素。它被定義為施加交流電壓時電流的電阻（損耗）分量與電容（無功）部分的比率。此比率量化了由於絕緣材料缺陷而以熱量 E 形式消耗的能量。介電損耗因數越低，表示絕緣系統越好，能量損失越低。值較高則表示介電介質有水分、氧化、污染或老化。與許多其他參數一樣，由於此參數與變壓器的生產率和安全性直接相關，因此在常規診斷期間經常對其進行監控和測量。保持較低的介電損耗因數值有助於避免設備故障、提高設備性能並延長關鍵電氣設備的使用壽命。
損耗因數對變壓器性能的重要性
材料的內部特性和操作條件都會影響介電損耗因數（也稱為 tan delta）。它受到包括絕緣材料的品質和類型、離子污染物的存在以及環境溫度和濕度在內的主要因素的影響。例如，溫度變化會影響絕緣層內的分子弛豫過程，進而影響耗散因數。同樣，由於滲透性密封和老化絕緣層而導致的濕氣侵入會降低絕緣電阻率，從而極大影響耗散因數。
高精度診斷方法FDS和PDC已經取代了傳統的評估介電性能的方法，即時監控系統進一步提高了精確度。有了這些系統，現在可以即時監控和持續追蹤參數。這些數據對於開發預測性維護框架非常有價值，因為操作員可以根據細微的偏差來調整系統，而不必等到發生嚴重故障。因此，確保耗散因數保持在這些區間內（通常為 0.005 到 0.015，取決於變壓器設計），有助於維持長期運作穩定性和可靠性。
如何測量介電損耗因數？
介電損耗因數是用稱為 tan delta 測試裝置的專用設備來測量的。絕緣屏蔽器承受交流電壓（50 或 60Hz），可複製實際工作環境條件。所用設備測量絕緣電流並將其分為電阻電流和電容電流，然後計算電阻電流和電容電流之間的比率。此比率或 tan delta 直接表示損耗角。
現今的測試設備配備了可執行徹底資料分析並檢索相關資料（包括電容、功率和溫度）的軟體。雖然最好在實驗室中進行測量或隔離變壓器或設備，但測試仍必須在設備通電良好的情況下進行。準確的測量結果需要使用符合國際公認標準（例如 IEC 60247 或 ASTM D924）的明確控制協議進行精確校準。此系統方法保證所獲得的耗散因數值反映絕緣的真實狀況，從而揭示老化、污染或吸濕過程的洞察力。
損耗因數對變壓器油有何影響？
對於變壓器油而言，耗散因數表示由於雜質、水分、酸或導電污染物而沒有發揮有用作用而被浪費的油量。損耗因數高的變壓器油會嚴重降低變壓器的效率，增加設備故障的可能性。另一方面，專注於耗散因子有助於衡量油的整體質量，並指示何時更換至關重要，以保持所有系統可靠運作。
了解功率因數和耗散因數之間的關係
觀察功率因數的值可以揭示許多有關電氣系統的絕緣性能、電氣系統、變壓器和電容器的能量損失的資訊。在這方面，功率因數與絕緣效率相關，測量消耗的有功功率與給定的視在功率。功率因數值高表示能源利用效率高，而功率因數值低表示效率低且能源損失大。
另一方面，耗散因子關注的是絕緣材料的介電性能。更具體地說，它量化了在電場下加熱電介質材料所消耗的能量。由於這兩個特性，這兩個因素成為系統絕緣狀況的核心指標。研究發現，功率因數下降通常意味著耗散因數下降，這表明可能存在介電故障或絕緣材料受到污染。
技術的突破帶來了可以即時監測和分析這些因素的新型診斷程序。一個例子是精密測試設備，它可以提供高精度的功率和耗散因數測量。此類設備可協助識別絕緣元件內何時發生電介質擊穿或劣化。有了這種洞察力，工程師在決定如何優化預測維護、提高系統可靠性和營運效率的策略時就能做得更好。
高耗散因數對於絕緣品質意味著什麼？
對於絕緣材料來說，較高的耗散因數反映了材料介電品質的某種不平衡。介電擊穿可能因為濕氣侵入、污染、熱老化或絕緣介質內的化學過程而發生。耗散因數定義了絕緣材料儲存電能的能力的低效率，這會將部分能量轉化為熱量。耗散因數的增加可能表示介電損耗增加，這會導致膨脹、加速老化，或在某些情況下，如果持續一定時間，也會導致電氣故障。目前的研究以及觀察到的數據表明，具有持續高耗散因數的材料容易失效，尤其是在施加高電壓時，因為絕緣上的應力相當高。為了精確定位關注的組件並長期確保電氣系統的可靠性，測量敏感參數的儀器變得非常有價值。
如何測量變壓器油的介質損耗因數？
若要測量變壓器油的介質損耗因數，請依照下列步驟操作：
- 準備測試設備
使用專門的測試儀器，如電容和耗散（tan δ）計。確保設備清潔且校準，以避免污染。
- 收集油樣
使用乾淨的非揮發性、非反應性的容器，從變壓器中取得油樣。收集過程中，確保不暴露於濕氣或其他污染物。
- 設定測試單元
將油樣放入測試室，確保沒有氣泡。保持電池溫度約為 90ºC，這是 IEC 60247 建議的。
- 進行測量
將測試電池連接到適當的測量設備並施加所需電壓，該電壓通常是低頻交流訊號。該設備將確定並顯示介電損耗因數。
- 分析結果
根據變壓器製造商提供的行業標準或規格評估測量值。耗散因數值高表示油的污染或老化程度較高，需要進一步進行廣泛的評估或更換。
這些步驟確保準確評估油的介電性能，這對於維持變壓器的可靠性至關重要。
測量耗散因數的工具和技術
為了測量介電損耗因數，需要遵循專門的設備和測量技術才能提供準確可靠的結果。不同的電容和耗散因數測量設備，例如 Schering Bridge 或較新的數位 tan delta 測試裝置，是廣為人知的。這些設備產生某種形式的交流電壓。他們將其應用於被測樣品並測量特定相移角的電流。更複雜的版本具有一定程度的自動化，旨在最大限度地減少人工幹預，提高可重複性。
要準確測量耗散因數，需要嚴格控制溫度。由於油的介電特性可能隨溫度發生很大變化，因此更現代的測試儀器具有內建的溫度校正演算法或溫度感測器，可在外部記錄溫度，以根據標準條件調整讀數。此外，如果採用良好的樣品處理技術，例如將油儲存在密封容器中並防止暴露在空氣中，則測量結果會更加可靠。
監控系統等新技術使得能夠持續評估運轉變壓器的耗散因數。此類系統可以使用感測器和先進的分析工具持續追蹤油的狀況，從而支援預測性維護並減少災難性故障的可能性。隨著石油產業的範式轉變，專家們透過結合傳統和現代技術，在使用變壓器油進行電介質性能測試時能夠實現更高的精度和可靠性。
ASTM D924 和 IEC 60247 測試標準
標準 ASTM D924 和 IEC 60247 仍然是評估變壓器油介電不足液體的典型方法，重點在於耗散因數和相對介電常數。 ASTM D924 涵蓋了透過電橋測量電絕緣液體中耗散因數的程序。它還考慮了由於老化或污染導致的介電成分的不可逆變化。同樣，在低溫和高溫測量中，IEC 60247 提供了有關相對介電常數和耗散因數的指導。
因此，這些標準成為世界各地不同製造商和實驗室生產和測試的數據進行統一測試和交叉引用校驗的重要基準。此外，油品測試儀器的現代化發展與自動化相結合，對測試的有效即時響應以及觀察油品變化的精確度產生了直接影響。這些發展為工程師提前診斷風險和提高變壓器運作效率提供了可能性。總之，這些標準構成了現代電氣系統的支柱，從而為變壓器油測試領域的廣泛研究提供了可能性。
影響變壓器油介損因數的因素
以下是影響油耗變壓器的一些基本因素。
1. 水分含量：水蒸氣會降低油的絕緣性能，增加介電損耗。這使得變壓器油更容易受到耗散因數破壞性變化的影響。
2. 污染：污垢、金屬碎片、油顆粒或氣泡等增加油電特性的物質也會增加耗散因數。
3.老化和氧化：由於暴露在空氣/氧氣和熱量中，變壓器油將發生化學變質，產生酸、污泥和水分，其中一些會影響耗散因數。
4. 溫度：提高工作溫度會改變油的分子結構，進而增加電阻損耗和放大器耗散因數。
5. 添加劑降解：雖然一些添加劑旨在提高性能，但它們會增加油的電氣性能，從而降低耗散因數。
透過定期維護和油測試，上述措施可以延長油變壓器的使用壽命。
油品質量對損耗因數的影響
變壓器油中的污染物（例如水、氣體和固體顆粒）會直接影響其介電強度，進而影響其耗散因數。過多的水分會增加油的導電性，同時降低其絕緣強度，因為液態水會促進電介質內的離子遷移。一些溶解氣體，特別是一氧化碳或二氧化碳等氧化氣體，也會破壞油的分子結構，增加其電損失。來自內部或外部來源的固體顆粒將在運行過程中增加局部運行溫度，進一步增加介電損耗。
為了解決上述耗散因子問題，現在廣泛建議採用先進的過濾和真空脫水製程來減輕這些污染物。提高油的清潔度可直接降低損耗因數，同時提高變壓器的效率和可靠性。其他研究聲稱，將 30 微米顆粒的水分含量保持在 5 ppm 以下，可使油的耗散因子穩定在建議範圍內，並提高一致性。
溫度和電壓對介電性能的影響
溫度和電壓等級的變化對變壓器油的介電性能有直接的影響。高溫下增強的熱電離和油分解過程往往會增加分子流動性，進而削弱介電強度。研究表明，變壓器油的介電常數會隨著溫度超過最佳範圍60-80°C而降低，從而失去其絕緣效能。
電壓的非線性增加會加劇局部放電活動和變壓器油內微氣泡的形成。這反過來又降低了油的絕緣效率並增加了介電故障的可能性。此外，這些高壓應力會因氧化和分解增加而加速油老化，產生酸、污泥和水分。
監測領域的最新突破是將電壓和溫度作為兩個獨立的因素，可以透過頻域光譜 (FDS) 和極化-去極化電流 (PDC) 等技術進行精確診斷。這些方法不僅有助於分析油的質量，而且有助於找出油的價值並檢測出引起絕緣損壞的誘因點（閾值），以便採取措施避免變壓器的運作和維護安全風險。
油齡和劣化如何影響耗散因數
變壓器油的老化影響其介電參數，例如油中的耗散成分，這顯示了變壓器絕緣系統性能的有效性。隨著時間的推移，油會因熱應力、化學應力和電應力的增加而變質。這種惡化會導致腐爛、潮濕和酸的溶解副產物增加，從而大大增加油的導電性。電導率的增加導致 kiʻekiʻe 酸電導率增加，介電損耗增加，顯示整個絕緣系統失去了抑制能量損耗的能力。
研究表明，老化油具有老化油的擊穿電壓，並且溶解水等極性污染物以及氧化副產物會加劇電壓污染。此外，油溫長期高於正常溫度會加劇油的氧化，導致油泥的形成。這些油的降解過程會降低油在變壓器中發揮其主要絕緣和散熱功能的能力。
工程師可以使用先進的油診斷儀器追蹤耗散因數的變化來監測油的老化程度，這有助於維護變壓器系統的運作可靠性和安全性。
變壓器油的正常耗散因數是多少？
變壓器的平均或正常的油耗因數在0.005℃時不超過0.5（或25%）。此範圍是理想絕緣性能以及低污染或油老化程度的有力指標。超過此值表示含有水分、油變質以及某種形式的變質，需要進一步詳細調查或採取行動。定期監測可確保油保持在可接受的最小值和最大值範圍內，以支援最佳變壓器性能。
新變壓器油的典型值
為了滿足新制定的絕緣和冷卻效果標準，新變壓器油必須符合理想的參數。主要特點包括：
- 介電強度：新變壓器油在 ASTM D30 或 IEC 877 等標準測試方法下表現出至少 60156 kV 的介電擊穿電壓。高介電強度對於防止變壓器放電至關重要。
- 含水量：新鮮變壓器油中的多餘水分應低於 30 ppm（百萬分率），以確保絕緣性能並且不會發生水解。水分過多會導致老化，影響安全性和效率。
- 中和數 （酸度）：對於新油，理想的中和值應小於 0.03 mg KOH/g。該數字描述了新油的抗氧化性和整體純度，高值表示變質或污染。
- 界面張力（IFT）：對於新變壓器油，IFT 值應大於 40 達因/公分（或 mN/m）。 IFT 值高的油品質好，不會被不同物質和污染物氧化。
- 閃點：新變壓器油的閃點通常在 135°C 以上，可確保熱穩定性並降低運作期間的火災風險。
所有這些可測量的特性標誌著新變壓器油對電氣設備的適用性。這些嚴格的基準測試確保了持續運作可靠性的業界標準。
不同油樣耗散因數比較
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油樣 |
20°C 時的耗散因數 |
90°C 時的耗散因數 |
主要觀察結果 |
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礦物油（新） |
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適用於標準變壓器 |
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礦物油（陳年） |
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值升高表示降解 |
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矽油 |
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高熱穩定性 |
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酯油（天然） |
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環保替代品 |
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酯油（合成） |
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卓越的抗氧化性 |
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受污染的油 |
上述0.1 |
上述0.5 |
不適合，表示污染嚴重 |
上表列出了不同變壓器油在不同溫度下的耗散因數的重要值。耗散因數越高，表示損失越大，並且表示油可能會劣化。營運風險也隨之增加，需要定期監測石油品質。
可接受的耗散因數值指南
確保最佳變壓器油最可靠地滿足其預期用途需要可接受的耗散因數值。新油必須符合業界標準，即耗散因數在 0.005°C 時通常低於 20，這表示能量損失低且絕緣性能優良。對於已在用的油，可接受的限度取決於操作條件、污染程度、油的使用年限和其他因素。通常，0.010°C 時高於 90 的係數很重要，因為它們表示需要介入的嚴重降解或污染。
與其他特性一樣，變壓器油也應在多個溫度點進行測試，因為該特性受溫度影響 - 眾所周知，耗散因數會隨著溫度升高而增加。監測趨勢有助於評估老化速度，同時也能偵測諸如濕氣侵入、油氧化、外部污染等問題。專業維護通常遵循既定的時間表，其中包括使用耗散因數方法以及其他診斷技術（如 DGA 和水分含量測試）對變壓器進行定期評估。遵循這些做法可以防止絕緣故障，同時確保設備持續效率。
如何提高變壓器油中的介質損耗因數？
- 定期過濾和脫氣
不時進行油過濾和脫氣，以去除水分、溶解氣體和顆粒物質。此過程可改善油的絕緣特性。
- 保持適當的密封
檢查所有密封件和墊圈是否完整，並且不允許水分進入和暴露在空氣中，因為這兩者都會損害油的介電性能。
- 進行定期測試
定期進行水分含量和酸度測試以及耗散因子分析有助於識別油變質的早期跡象。
- 油修復或更換
大量雜質需要透過淨化技術對油進行重新處理。如果失敗，請用符合業界標準的高級變壓器油替換該油。
- 避免過熱和熱應力
過熱會加速油的降解，因此要監控和控制變壓器的溫度。
透過這些做法，可以維持或提高介質損耗因數，提高變壓器的可靠性，同時確保更長的使用壽命。
提高變壓器油品質的方法
- 利用現代過濾與脫氣技術
高真空油淨化器通過去除水分、氣體和顆粒物來轉化油。此外，透過極為先進的過濾系統將水分含量降低至10 ppm以下，擊穿電壓提高至70 kV以上。這也增加了油的冷卻和絕緣性能。由於消除了氧氣和其他溶解氣體（這些氣體會促進氧化）的去除，因此油的降解減少了。
- 實施定期溶解氣體分析（DGA）
透過 DGA 監測溶解氣體水平對於檢測可能影響變壓器運作的早期問題（例如過熱或局部放電）至關重要。 DGA 可捕捉微量氫氣、甲烷和乙烯的濃度，提供可與某些已識別的變壓器故障關聯的定量數據。定期監測可確保油質維持在所需水平，並在發現任何異常時及時糾正，從而減少系統故障的可能性並延長變壓器的使用壽命。
- 添加氧化抑制劑
將渦輪穩定劑或抗氧化劑加入變壓器油中，利用經過驗證的方法，不僅可以防止污泥的形成，還可以提高熱穩定性。抗氧化劑，例如合成的 2,6-二叔丁基對甲酚 (DBPC)，可以顯著減緩油的降解。從長遠來看，這些策略可以維持油的功能特性，同時減少維護間隔和營運成本。
定期測試和監控以獲得最佳效能
定期檢查和變壓器油的定期分析有助於揭示油的劣化、污染或故障趨勢。透過溶解氣體分析（DGA）方法分析溶解氫、甲烷和乙烯的濃度可以揭示變壓器的電氣或熱故障。其他測試，如測量界面張力和介電強度以及水分含量分析，可確定油的絕緣程度和潛在的進水問題。透過使用複雜的監控和預測分析，變壓器組件的可靠性得到提高，其生命週期得到延長，同時有效地減少了計劃外停機和營運風險。
參考資料
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一種基於多頻超音波的變壓器油介電損耗因子無損檢測新方法（2022）：本研究提出了一種基於多頻超音波結合粒子群優化-Elman神經網路（PSO-ENN）模型的變壓器油介電損耗因子無損檢測方法。此方法能夠有效識別變壓器油中的極性雜質，這些雜質是變壓器油老化和污染的指標。
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利用衰減全反射傅立葉變換紅外光譜預測介電損耗因子（2023）：本研究提出利用衰減全反射傅立葉變換紅外線（ATR-FTIR）光譜結合多元校正方法來預測介電損耗因子（DDF）。 SPA-BP-ANN（連續投影演算法-反向傳播人工神經網路）模型在精確度上優於嶺迴歸模型。
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溫度對可生物降解變壓器油介電損耗因子的影響（2018）：研究表明，介電損耗因子隨溫度升高而增大，尤其是在110°C以上，其增幅可達兩個數量級。溶解水的存在會進一步加劇損耗因子。
常見問題（FAQ）
Q：變壓器油的損耗因數是多少？
答：變壓器油的耗散因數（通常稱為 tan delta）是指示絕緣油抵抗電流的能力的測量值。它表示由於電流在絕緣油中的熱效應而引起的介電損耗。
Q：損耗因數與絕緣油的品質有何關係？
答：損耗因數是評估絕緣油品質的重要指標。耗散因數越低，表示絕緣特性越好，而耗散因數越高，表示介電損耗越大，油的性能可能會下降。
Q：哪些因素會影響絕緣油的損耗因數？
答：耗散因數會受到多種因素的影響，包括油溫、絕緣油的狀況、雜質的存在。隨著溫度升高，絕緣油的耗散因數也可能增加，顯示介電損耗更高。
Q：如何測量變壓器絕緣油中的介損因數？
答：耗散因數通常使用評估油杯裝置中的介電損耗的因數測試來測量。電極用於施加電壓並測量產生的電流以確定介電損耗因子。
Q：損耗角δ對於變壓器油有何意義？
答：損耗角δ又稱介質損耗角，與損耗因數有直接關係。它用於計算絕緣油的功率因數，從而深入了解絕緣的效率和由於介電損耗而產生的熱量。
Q：變壓器油的損耗角正切值過高會造成什麼後果？
答：較高的耗散因數表示絕緣油的介電損耗較大，這會導致變壓器內部溫度升高。這可能會加速絕緣油的老化過程並損害變壓器的絕緣特性。
Q：絕緣油的可接受功率因數值是多少？
答：室溫下絕緣油的可接受功率因數值通常為 0.01 至 0.05。超出此範圍的數值可能表示絕緣油存在問題，需要進一步調查。
Q：如何確定變壓器絕緣油的長期品質？
答：定期測試絕緣油的介損因數和功率因數可以持續評估油的品質。監測這些參數有助於識別隨時間推移的退化或污染趨勢。
Q：為什麼保持高壓變壓器的最佳耗散因數值很重要？
答：保持高壓變壓器的最佳耗散因數值對於確保高效運作、最大限度地減少熱量產生和延長變壓器的使用壽命至關重要。如果處理不當，高介電損耗會導致過熱並最終導致故障。
