关键词：天然酯；绝缘油；变压器；技术发展；应用概况
引言
对能源、环境和安全等多重压力，人们始终在努力寻找可替代矿物油的环保、可持续的绝缘介质。天然酯绝缘油变压器（以下简称“天然酯变压器”）采用天然酯绝缘油（以下简称“天然酯”）替代矿物油，具有环保性好、防火安全性优异、油纸绝缘寿命长、负载能力强等特点 [2-3] 。国外自20世纪90年代开始广泛使用天然酯变压器。进入21世纪后，我国开始跟踪开展国际前沿技术研究，近年来越来越多的10 kV、35 kV和110 kV天然酯变压器投入应用。随着我国生态环保意识的提高、防火安全及可持续发展理念的深入推进，天然酯变压器在我国将得到更多应用。
1.变压器绝缘油概述
变压器绝缘油根据基础油的种类划分，包括矿物油、硅油、合成酯、天然酯（俗称植物油）四大类。矿物绝缘油技术成熟，广泛应用于油浸式变压器。石蜡基矿物油高温氧化后易形成油泥，油品黏度上升，降低了散热和低温流动性。为克服这一瓶颈，开发了环烷基矿物油，高温氧化产物易溶解，芳香族化合物成分又具有极佳的低温流动性。目前，变压器行业常用的矿物绝缘油是按照最低冷态投运温度（倾点）分类的 10 号、25 号、45 号油。硅油绝缘油的热稳定性、氧化安定性优异，早期是为了取代有毒的多氯联苯(PCB)而应用在有宽温域要求的变压器上。硅油的黏度系数高、价格昂贵、不环保，因而目前不具备广泛推广的市场价值。合成酯绝缘油基本成分为季戊四醇酯，具有燃点高、易降解、耐湿性好、抗氧化、低温性能优异等优势,在小型配电变压器、海上风电等领域，已经具备了商业化推广的基础，但在装油量较大的电力变压器领域，其相对矿物绝缘油较高的价格仍然是难以逾越的门槛。天然酯是一种可再生资源，生物降解性强，其甘油三酯化学结构中甘油的三个羟基被不同的脂肪酸酯化，属于 K 类高燃点变压器绝缘油，燃点可达 360 ℃，可燃性小且具备一定自熄功能。电气性能方面，天然酯绝缘油热老化后击穿电压强度优于矿物绝缘油。天然酯天然植物产物，不含硫元素，不会与变压器中的金属铜发生反应而改变电场强度，因而也降低了设备故障风险。然而，天然酯的黏度高，接触空气易氧化，给变压器的冷却和密封带来了困难。目前，天然酯绝缘油全球已累计装机超过 200 万台。
2.天然酯变压器关键技术
2.1绝缘设计
天然酯变压器的电场设计与矿物油变压器存在差别。首先，天然酯的介电常数为3.1～3.3，与绝缘纸的介电常数更为接近，使得天然酯与绝缘纸配合使用后的电场分布更为均匀。对分别采用矿物油和天然酯的某220 kV电力变压器高压出线装置部位进行场强分析可知，填充矿物油时场强最大值为4.572 kV/mm，填充天然酯时场强最大值为4.486kV/mm，填充天然酯时变压器的内部场强最大值更小。其次，天然酯与矿物油在不同电场形式、电压波形、电极间隙下的击穿特性存在差异。对于雷电冲击电压，在极不均匀电场及小间隙条件下，天然酯的雷电击穿电压接近或略低于矿物绝缘油；在极不均匀电场（如针-板、针-球电极）及大间隙条件下，天然酯的雷电击穿电压明显低于矿物油。在准均匀电场下（如球-球、板-板电极），两者的击穿特性差异较小，即使在大间隙条件下，两者的击穿特性差异依然不大。对于工频电压，在小间隙及准均匀电场条件下，两者的工频击穿电压接近，天然酯一般略高于矿物油；在大间隙及准均匀电场条件下，天然酯的击穿电压接近或略高于矿物油。因此，在较小间隙下，即使是极不均匀电场，天然酯与矿物油的击穿特性差别不大；随着电极间隙的增大，天然酯的击穿电压与矿物油的差距随之增加。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆
2.2 温升设计
天然酯与矿物油的运动黏度随温度的变化曲线如图1所示。从图1可以看出，随着温度的升高，两种绝缘油的运动黏度差异逐渐减小，变压器运行时油温会上升，导致运动黏度下降。因此，在进行温升设计时应充分考虑变压器的运行状态，基于天然酯的运动黏度，合理设计变压器的温升。
图3 矿物油、天然酯的运动黏度与温度关系曲线
2.3结构设计及组件选取
由于天然酯的氧化安定性较矿物油差，天然酯不能长期与空气直接接触。因此，变压器及其有载调压开关的储油柜需采用全密封结构。此外，由于天然酯的运动黏度较大，可适当加大冷却装置的散热功率或散热面积。研究表明，当天然酯变压器采用有载调压方式时，如调压开关油室内注入矿物油，则调压开关及储油柜结构可按常规选取；如调压开关油室内注入天然酯，则应选取真空型有载调压开关。对于72.5kV及以上电压等级套管，优先考虑选用干式套管。其他组部件的选取也要考虑与天然酯的相容性；对采用高温绝缘系统的天然酯变压器，所选组部件还要考虑耐高温特性。
3.天然酯变压器应用概况
我国自2007年开始开展天然酯变压器的研制及应用，华城电机采用FR3 天然酯生产了油浸非晶合金配电变压器并出口美国；西安西变采用FR3 天然酯生产了整流变压器用于工况企业等；2010年重庆大学试制出10 kV山茶籽绝缘油配电变压器挂网运行至今，运行效果良好； “十二五”期间，国家电网公司启动了天然酯变压器技术研究，开展了天然酯及其变压器的研制、10 kV天然酯变压器应用研究；2013年起，国内部分变压器制造企业开始研发10kV、35 kV天然酯变压器并开展示范应用。2014年起，河南恩湃、湖北泽电、广东卓原等公司研发的天然酯相继批量化应用于10 kV、35 kV天然酯变压器。2014年，由河南电科院研发的35 kV/10 MVA电力变压器在河南挂网运行。2015年，中国电力科学研究院研制了国内首台SWMFZ11-6300/35型混合绝缘系统天然酯变压器。2016年，武汉西门子研制出两台66 kV天然酯变压器在新加坡地铁投运。2017年，广州供电局、广东能建电力设备厂、重庆大学联合研制的国内首台110 kV/40 MVA天然酯变压器在广州供电局投运。2018年，国内多个变压器制造企业相继研制出 110 kV 电压等级天然酯变压器。其中，正泰电气研制出两台132 kV/40 MVA天然酯变压器并在澳大利亚挂网运行；武汉西门子研制出110 kV/40 MVA天然酯变压器并应用于车载移动式变电站；2019年7月，西变中特研制的110 kV/50 MVA天然酯变压器在山东菏泽挂网运行；2019年8月，正泰电气有限公司研制了国内首台220 kV天然酯变压器样机并通过型式试验。
4.结束语
总而言之，天然酯绝缘油作为新型环境友好型液体电介质，与矿物绝缘油相比，其电气性能更优，为电网的安全稳定运行、建设资源节约型和环境友好型社会进行了有力的尝试。今后其将会有更多突破性的应用，促进我国电力行业的发展。
参考文献
[1] 蔡胜伟,陈江波,梁云丹,等. 植物绝缘油的性能改进及试验考核研究[J]. 变压器,2013,50(12):58-62.
[2]蔡胜伟,陈江波,周翠娟,等. 植物绝缘油-纸复合绝缘热老化特性研究[J]. 绝缘材料,2015,48(2):56-60.
论文作者: 王瑜
论文发表刊物:《中国电业》2019年第19期
论文发表时间:2020/1/14
标签：变压器论文; 矿物油论文; 绝缘油论文; 电场论文; 黏度论文; 电压论文; 特性论文; 《中国电业》2019年第19期论文;