1、天然酯絕緣油變壓器技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用概況摘要:與其他絕緣電介質(zhì)相比，天然酯絕緣油有著燃點(diǎn)高、易降解的特點(diǎn)，因此 能夠在變壓器中得到有效應(yīng)用。由于天然酯自身的理化特性，天然酯絕緣油投運(yùn) 于變壓器還面臨著較多的挑戰(zhàn)。介紹了國內(nèi)外天然酯絕緣油的研究現(xiàn)狀與趨勢， 分析了天然酯絕緣油的制備方法，分別從電氣特性、理化特性、老化特性、親水 性、氧化安定性和生物降解特性方面闡述了天然酯絕緣油的相關(guān)研究成果及應(yīng)用 情況，指出了天然酯絕緣油投運(yùn)于變壓器需要解決的關(guān)鍵問題。關(guān)鍵詞：天然酯；絕緣油；變壓器；技術(shù)發(fā)展；應(yīng)用概況引言對能源、環(huán)境和安全等多重壓力，人們始終在努力尋找可替代礦物油的環(huán)保、 可持續(xù)的絕緣介質(zhì)。天然酯

2、絕緣油變壓器（以下簡稱“天然酯變壓器）采用天然 酯絕緣油（以下簡稱天然酯”）替代礦物油，具有環(huán)保性好、防火安全性優(yōu)異、 油紙絕緣壽命長、負(fù)載能力強(qiáng)等特點(diǎn)2-3。國外自20世紀(jì)90年代開始廣泛使 用天然酯變壓器。進(jìn)入21世紀(jì)后，我國開始跟蹤開展國際前沿技術(shù)研究，近年 來越來越多的10 kV、35 kV和110 kV天然酯變壓器投入應(yīng)用。隨著我國生態(tài)環(huán)保 意識的提高、防火安全及可持續(xù)發(fā)展理念的深入推進(jìn)，天然酯變壓器在我國將得 到更多應(yīng)用。變壓器絕緣油概述變壓器絕緣油根據(jù)基礎(chǔ)油的種類劃分，包括礦物油、硅油、合成酯、天然酯 （俗稱植物油）四大類。礦物絕緣油技術(shù)成熟，廣泛應(yīng)用于油浸式變壓器。石蠟 基礦物

3、油高溫氧化后易形成油泥，油品黏度上升，降低了散熱和低溫流動性。為 克服這一瓶頸，開發(fā)了環(huán)烷基礦物油，高溫氧化產(chǎn)物易溶解，芳香族化合物成分 又具有極佳的低溫流動性。目前，變壓器行業(yè)常用的礦物絕緣油是按照最低冷態(tài) 投運(yùn)溫度（傾點(diǎn)）分類的10號、25號、45號油。硅油絕緣油的熱穩(wěn)定性、氧化 安定性優(yōu)異，早期是為了取代有毒的多氯聯(lián)苯（PCB）而應(yīng)用在有寬溫域要求的變壓 器上。硅油的黏度系數(shù)高、價格昂貴、不環(huán)保，因而目前不具備廣泛推廣的市場 價值。合成酯絕緣油基本成分為季戊四醇酯，具有燃點(diǎn)高、易降解、耐濕性好、 抗氧化、低溫性能優(yōu)異等優(yōu)勢，在小型配電變壓器、海上風(fēng)電等領(lǐng)域，已經(jīng)具備了 商業(yè)化推廣的基礎(chǔ)，

4、但在裝油量較大的電力變壓器領(lǐng)域，其相對礦物絕緣油較高 的價格仍然是難以逾越的門檻。天然酯是一種可再生資源，生物降解性強(qiáng)，其甘 油三酯化學(xué)結(jié)構(gòu)中甘油的三個羥基被不同的脂肪酸酯化，屬于K類高燃點(diǎn)變壓器 絕緣油，燃點(diǎn)可達(dá)360 C，可燃性小且具備一定自熄功能。電氣性能方面，天然 酯絕緣油熱老化后擊穿電壓強(qiáng)度優(yōu)于礦物絕緣油。天然酯天然植物產(chǎn)物，不含硫 元素，不會與變壓器中的金屬銅發(fā)生反應(yīng)而改變電場強(qiáng)度，因而也降低了設(shè)備故 障風(fēng)險。然而，天然酯的黏度高，接觸空氣易氧化，給變壓器的冷卻和密封帶來 了困難。目前，天然酯絕緣油全球已累計裝機(jī)超過200萬臺。天然酯變壓器關(guān)鍵技術(shù)2.1絕緣設(shè)計天然酯變壓器的電場設(shè)

5、計與礦物油變壓器存在差別。首先，天然酯的介電常 數(shù)為3.13.3，與絕緣紙的介電常數(shù)更為接近，使得天然酯與絕緣紙配合使用后 的電場分布更為均勻。對分別采用礦物油和天然酯的某220 kV電力變壓器高壓出 線裝置部位進(jìn)行場強(qiáng)分析可知，填充礦物油時場強(qiáng)最大值為4.572 kV/mm，填充 天然酯時場強(qiáng)最大值為4.486kV/mm，填充天然酯時變壓器的內(nèi)部場強(qiáng)最大值更 小。其次，天然酯與礦物油在不同電場形式、電壓波形、電極間隙下的擊穿特性 存在差異。對于雷電沖擊電壓，在極不均勻電場及小間隙條件下，天然酯的雷電 擊穿電壓接近或略低于礦物絕緣油；在極不均勻電場（如針-板、針-球電極）及 大間隙條件下，天然

6、酯的雷電擊穿電壓明顯低于礦物油。在準(zhǔn)均勻電場下（如球- 球、板-板電極），兩者的擊穿特性差異較小，即使在大間隙條件下，兩者的擊穿 特性差異依然不大。對于工頻電壓，在小間隙及準(zhǔn)均勻電場條件下，兩者的工頻 擊穿電壓接近，天然酯一般略高于礦物油；在大間隙及準(zhǔn)均勻電場條件下，天然 酯的擊穿電壓接近或略高于礦物油。因此，在較小間隙下，即使是極不均勻電場， 天然酯與礦物油的擊穿特性差別不大；隨著電極間隙的增大，天然酯的擊穿電壓 與礦物油的差距隨之增加。2.2溫升設(shè)計天然酯與礦物油的運(yùn)動黏度隨溫度的變化曲線如圖1所示。從圖1可以看出， 隨著溫度的升高，兩種絕緣油的運(yùn)動黏度差異逐漸減小，變壓器運(yùn)行時油溫會上

7、升，導(dǎo)致運(yùn)動黏度下降。因此，在進(jìn)行溫升設(shè)計時應(yīng)充分考慮變壓器的運(yùn)行狀態(tài)， 基于天然酯的運(yùn)動黏度，合理設(shè)計變壓器的溫升。圖3礦物油、天然酯的運(yùn)動黏度與溫度關(guān)系曲線2.3結(jié)構(gòu)設(shè)計及組件選取由于天然酯的氧化安定性較礦物油差，天然酯不能長期與空氣直接接觸。因 此，變壓器及其有載調(diào)壓開關(guān)的儲油柜需采用全密封結(jié)構(gòu)。此外，由于天然酯的 運(yùn)動黏度較大，可適當(dāng)加大冷卻裝置的散熱功率或散熱面積。研究表明，當(dāng)天然 酯變壓器采用有載調(diào)壓方式時，如調(diào)壓開關(guān)油室內(nèi)注入礦物油，則調(diào)壓開關(guān)及儲 油柜結(jié)構(gòu)可按常規(guī)選取；如調(diào)壓開關(guān)油室內(nèi)注入天然酯，則應(yīng)選取真空型有載調(diào) 壓開關(guān)。對于72.5kV及以上電壓等級套管，優(yōu)先考慮選用干式

8、套管。其他組部件 的選取也要考慮與天然酯的相容性；對采用高溫絕緣系統(tǒng)的天然酯變壓器，所選 組部件還要考慮耐高溫特性。天然酯變壓器應(yīng)用概況我國自2007年開始開展天然酯變壓器的研制及應(yīng)用，華城電機(jī)采用FR3天 然酯生產(chǎn)了油浸非晶合金配電變壓器并出口美國；西安西變采用FR3天然酯生 產(chǎn)了整流變壓器用于工況企業(yè)等；2010年重慶大學(xué)試制出10 kV山茶籽絕緣油配 電變壓器掛網(wǎng)運(yùn)行至今，運(yùn)行效果良好；“十二五期間，國家電網(wǎng)公司啟動了天 然酯變壓器技術(shù)研究，開展了天然酯及其變壓器的研制、10 kV天然酯變壓器應(yīng) 用研究；2013年起，國內(nèi)部分變壓器制造企業(yè)開始研發(fā)10kV、35 kV天然酯變壓 器并開展

9、示范應(yīng)用。2014年起，河南恩湃、湖北澤電、廣東卓原等公司研發(fā)的天 然酯相繼批量化應(yīng)用于10 kV、35 kV天然酯變壓器。2014年，由河南電科院研發(fā) 的35 kV/10 MVA電力變壓器在河南掛網(wǎng)運(yùn)行。2015年，中國電力科學(xué)研究院研 制了國內(nèi)首臺SWMFZ11-6300/35型混合絕緣系統(tǒng)天然酯變壓器。2016年，武漢 西門子研制出兩臺66 kV天然酯變壓器在新加坡地鐵投運(yùn)。2017年，廣州供電局、 廣東能建電力設(shè)備廠、重慶大學(xué)聯(lián)合研制的國內(nèi)首臺110 kV/40 MVA天然酯變壓 器在廣州供電局投運(yùn)。2018年，國內(nèi)多個變壓器制造企業(yè)相繼研制出110 kV電 壓等級天然酯變壓器。其中，正泰電氣研制出兩臺132 kV/40 MVA天然酯變壓器 并在澳大利亞掛網(wǎng)運(yùn)行；武漢西門子研制出110 kV/40 MVA天然酯變壓器并應(yīng)用 于車載移動式變電站；2019年7月，西變中特研制的110 kV/50 MVA天然酯變壓 器在山東荷澤掛網(wǎng)運(yùn)行；2019年8月，正泰電氣有限公司研制了國內(nèi)首臺220 kV天然酯變壓器樣機(jī)并通過型式試驗(yàn)。4.結(jié)束語總而言之，天然酯絕緣油作為新型環(huán)境友好型液體電介質(zhì)，與礦物絕緣油相 比，其電氣性能更優(yōu)，為電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行、建設(shè)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社