趙翰坤 鐘士華 鄭澤源

1. 國網(wǎng)江蘇省電力有限公司昆山市供電分公司 江蘇 蘇州 215300；

2. 河南九域恩湃電力技術(shù)有限公司 河南 鄭州 450001；

3. 鄭州揚(yáng)天匯達(dá)信息科技有限公司 河南 鄭州 450001

引言

礦物絕緣油兼具良好的電氣絕緣和冷卻性能以及低廉的成本，因此在油浸絕緣高電壓設(shè)備中有多年的應(yīng)用歷史。電力變壓器是電力系統(tǒng)的重要設(shè)備，對(duì)于運(yùn)行維護(hù)來說具有重要作用，變壓器運(yùn)行過程中也是一項(xiàng)復(fù)雜的工作。近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，環(huán)境保護(hù)已成為全世界的共識(shí)。天然酯絕緣油作為可再生、高燃點(diǎn)的綠色環(huán)保液體電介質(zhì)，符合我國節(jié)能減排、低碳經(jīng)濟(jì)和綠色智能電網(wǎng)的發(fā)展要求。

1 更換絕緣油的必要性

變壓器正常情況下一般使用壽命為10年，而在實(shí)際使用過程中隨著變壓器內(nèi)絕緣油中水分含量的增加，絕緣油老化現(xiàn)象會(huì)越來越嚴(yán)重。對(duì)此采用了天然酯絕緣油作為變壓器的絕緣油更換材料，能夠在不影響供電質(zhì)量的前提下延長使用壽命。隨著變壓器運(yùn)行時(shí)間的增長，其絕緣電阻也會(huì)不斷下降，絕緣油變質(zhì)以后會(huì)使變壓器內(nèi)部產(chǎn)生氣泡、結(jié)焦、水分等物質(zhì)。當(dāng)運(yùn)行中發(fā)生泄漏時(shí)容易產(chǎn)生電暈，絕緣油中所含的水分和氣體在高壓電場(chǎng)作用下會(huì)對(duì)變壓器進(jìn)行放電，形成的電弧可以使周圍的金屬介質(zhì)遭受很大危害，在運(yùn)行中變壓器內(nèi)部可能會(huì)產(chǎn)生放電、熱擊穿、電弧等現(xiàn)象。所以定期更換絕緣油非常重要。

2 天然酯絕緣油的發(fā)展

隨著環(huán)保意識(shí)的逐漸加強(qiáng)，20世紀(jì)60年代，在一些絕緣場(chǎng)合已經(jīng)開始采用植物油來代替礦物油，新型天然酯絕緣油的研究受到了重視。自20世紀(jì)90年代，隨著精煉工藝的進(jìn)步，天然酯絕緣油很快受到電力行業(yè)的重視。瑞典ABB公司、澳大利亞 陶氏化學(xué)、美國庫柏公司、日本櫻花先后推出天然酯絕緣油產(chǎn)品。目前已有30多個(gè)國家應(yīng)用，超過100萬臺(tái)天然酯絕緣油變壓器投入應(yīng)用。2014年，西門子公司在大型天然酯絕緣油電力變壓器取得突破，其研制的420kV天然酯絕緣油變壓器在Bruchsal-K?ndelweg變電站調(diào)試成功并投入運(yùn)營。這臺(tái)全球首臺(tái)420kV 超高壓天然酯絕緣油變壓器使用Cargill公司的FR3天然酯絕緣油作為絕緣介質(zhì)，用于連接380kV高壓層和下游配電網(wǎng)運(yùn)營商的110kV電網(wǎng)，其功率可以達(dá)到300MVA。當(dāng)前我國在高電壓領(lǐng)域也已投入試驗(yàn)研究。2014年，國網(wǎng)河南電力科學(xué)研究院與河南九域恩湃電力技術(shù)有限公司合作建成國內(nèi)首個(gè)年產(chǎn)達(dá)1500噸的天然酯絕緣油自動(dòng)化生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)了我國天然酯絕緣油的工業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)。此后幾年時(shí)間里國內(nèi)很多變壓器供應(yīng)商紛紛投入到變壓器研究和設(shè)計(jì)中去，這在一定程度上加速了我國天然酯絕緣油的商業(yè)化進(jìn)程[1]。

3 天然酯絕緣油的特性和更換方

3.1 環(huán)保性能

天然酯絕緣油容易降解，自然降解率可達(dá)到97%以上，在28天時(shí)基本完全降解，不會(huì)對(duì)土地、水源等造成污染，而礦物油不能降解。礦物油自然降解率小于10%。天然酯絕緣油與傳統(tǒng)礦物絕緣油相比，安全環(huán)保性能更優(yōu)、使用壽命更長、維護(hù)成本更低、過負(fù)載能力更強(qiáng)。

3.2 安全性能

天然酯絕緣油燃點(diǎn)約360℃，達(dá)到礦物油的2倍以上，耐熱等級(jí)為K級(jí)。變壓器油防火安全最重要的火災(zāi)危險(xiǎn)性參數(shù)是燃點(diǎn)，開口杯燃點(diǎn)高于300℃的液體被定義為國際電工委員會(huì)K一級(jí)液體，即可作為高燃點(diǎn)絕緣油。一些試驗(yàn)結(jié)果也證實(shí)了所有K一級(jí)液體均能降低變壓器事故初始程度并防止油池火發(fā)生。天然酯絕緣油變壓器在其多年超百萬臺(tái)次的應(yīng)用歷程中，迄今為止，尚未有任何一例起火記錄出現(xiàn)。

3.3 電氣性能

天然酯絕緣油介電性能良好，擊穿電壓可達(dá)70～80kV，運(yùn)行更安全，有利于優(yōu)化變壓器油紙絕緣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。礦物絕緣油的介電常數(shù)較低，在電場(chǎng)的作用下，油隙就成為油紙絕緣的薄弱環(huán)節(jié)。在變壓器負(fù)載波動(dòng)較大或是過載情況下，電場(chǎng)強(qiáng)度最大處的油隙發(fā)生局部放電，降低油紙絕緣的電氣性能，都可能導(dǎo)致變壓器發(fā)生故障。

3.4 提升變壓器過載能力

天然酯絕緣油變壓器超銘牌容量運(yùn)行的能力遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)礦物油變壓器和干式變壓器。試驗(yàn)表明：天然酯絕緣油變壓器可在120%左右負(fù)載條件下長期運(yùn)行。天然酯絕緣油因其較強(qiáng)的親水特性，與絕緣紙配合可吸收并降低絕緣紙中的水分，能有效延長絕緣紙的壽命，從而延長變壓器的壽命。

3.5 低噪聲

變壓器過負(fù)荷時(shí)噪聲增大，會(huì)引起變壓器噪聲超標(biāo)，同等條件下天然酯絕緣油變壓器噪聲值要低5-6dB左右，可有效緩解噪聲超標(biāo)問題。天然酯絕緣油的吸聲系數(shù)是礦物絕緣油吸聲系數(shù)的3倍，比礦物絕緣油更好的降低變壓器的噪聲。

3.6 減少碳排放

天然酯絕緣油入選2017年《國家重點(diǎn)節(jié)能低碳技術(shù)推廣目錄》，天然酯絕緣油替代1噸礦物絕緣可減排3.167噸二氧化碳。用天然植物油替代礦物絕緣油，可避免礦物絕緣油壽命結(jié)束后，其處理過程及處理產(chǎn)物產(chǎn)生的大量CO2排放。同時(shí)，在生產(chǎn)過程中，天然酯絕緣油要求的溫度和壓力較礦物油更低，耗能相對(duì)較少，進(jìn)一步減少了CO2排放[2]。

4 在運(yùn)變壓器直接更換天然酯絕緣油研究

中國農(nóng)村電網(wǎng)有平均負(fù)荷率低、峰谷差大的特點(diǎn)，在特殊時(shí)期（如春節(jié)、農(nóng)忙時(shí)）負(fù)荷增長迅猛，變壓器重過載問題突出，對(duì)設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行和可靠供電造成了嚴(yán)重的影響。通過試驗(yàn)，變壓器礦物油殘留量約3%時(shí)，直接更換天然酯絕緣油燃點(diǎn)約280℃，遠(yuǎn)高于礦物油的燃點(diǎn)。此后，變壓器直接更換天然酯絕緣油的研究登上歷史舞臺(tái)。

由上表可見，如果選擇換更大容量變壓器，以更換1臺(tái)10千伏315kVA非晶合金油式變壓器為例，增加投資費(fèi)用4.58萬元，其中變壓器4萬元，工程費(fèi)用0.58萬元；每年增加電量損耗2715.6度，相當(dāng)于城市1戶居民近1年的用電量；增加碳排放570kg，相當(dāng)于半畝樹林近1年減排的二氧化碳（以平均每畝樹林年減排約1.336噸二氧化碳折算）。如果選用直接更換為天然酯絕緣油，則僅有0.5萬元左右天然酯絕緣油采購費(fèi)用和0.3萬元換油費(fèi)用，不會(huì)增加損耗和碳排放。

5 在運(yùn)變壓器直接更換天然酯絕緣油優(yōu)勢(shì)

要想解決中國農(nóng)村電網(wǎng)高負(fù)荷區(qū)域變壓器重載、過載問題，需要更換一臺(tái)更大容量變壓器。在運(yùn)變壓器直接更換天然酯絕緣油相對(duì)于新增大容量變壓器有以下多方面優(yōu)勢(shì)：①更經(jīng)濟(jì)，沒有變壓器投資費(fèi)用和更換變壓器工程費(fèi)用；（圖1、表1）。②降低因更換大容量變壓器帶來的損耗；（圖1、表1）。③降低碳排放；（表1）④燃點(diǎn)高更安全 礦物油燃點(diǎn)約160℃，植物油燃點(diǎn)約360℃。⑤噪聲更低 同等條件下天然酯絕緣油變壓器噪聲值要低5-6dB左右，可有效緩解噪聲超標(biāo)問題。天然酯絕緣油的吸聲系數(shù)是礦物絕緣油吸聲系數(shù)的3倍，比礦物絕緣油更好的降低變壓器的噪聲[3]。⑥提高變壓器過載能力，同時(shí)還可以有效利用天然酯絕緣油具有的綠色環(huán)保、電氣性能等多個(gè)方面優(yōu)良性能。

圖1 在運(yùn)變壓器更換植物油與更換大容量變壓器經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比圖

表1 在運(yùn)變壓器更換植物油與更換大容量變壓器經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比

6 結(jié)束語

為減少環(huán)境污染，實(shí)現(xiàn)社會(huì)和資源的可持續(xù)發(fā)展，天然酯絕緣油作為一種新型絕緣介質(zhì)應(yīng)運(yùn)而生，由于其安全可靠、環(huán)保的特性，相對(duì)礦物絕緣油有明顯的優(yōu)勢(shì)，且更適應(yīng)與當(dāng)前社會(huì)發(fā)展的需求。在運(yùn)變壓器直接更換天然酯絕緣油相對(duì)于新增大容量變壓器有以下多方面優(yōu)勢(shì)，在變壓器重載區(qū)域直接更換天然酯絕緣油可以有效緩解電網(wǎng)短期集中過負(fù)荷壓力，保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)也符合我國“雙碳”和綠色智能電網(wǎng)的發(fā)展要求，這對(duì)于發(fā)展我國經(jīng)濟(jì)、促進(jìn)我國在國際上的影響力具有重要意義。