關(guān)于在運變壓器直接更換天然酯絕緣油的研究

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，對于運行維護(hù)來說具有重要作用，變壓器運行過程中也是一項復(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。天然酯絕緣油作為可再生、高燃點的綠色環(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)象會越來越嚴(yán)重。對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。隨著變壓器運行時間的增長，其絕緣電阻也會不斷下降，絕緣油變質(zhì)以后會使變壓器內(nèi)部產(chǎn)生氣泡、結(jié)焦、水分等物質(zhì)。當(dāng)運行中發(fā)生泄漏時容易產(chǎn)生電暈，絕緣油中所含的水分和氣體在高壓電場作用下會對變壓器進(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，在運行中變壓器內(nèi)部可能會產(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)保意識的逐漸加強(qiáng)，20世紀(jì)60年代，在一些絕緣場合已經(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多個國家應(yīng)用，超過100萬臺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)試成功并投入運營。這臺全球首臺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)首個年產(chǎn)達(dá)1500噸的天然酯絕緣油自動化生產(chǎn)線，實現(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天時基本完全降解，不會對土地、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

天然酯絕緣油燃點約360℃，達(dá)到礦物油的2倍以上，耐熱等級為K級。變壓器油防火安全最重要的火災(zāi)危險性參數(shù)是燃點，開口杯燃點高于300℃的液體被定義為國際電工委員會K一級液體，即可作為高燃點絕緣油。一些試驗結(jié)果也證實了所有K一級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。礦物絕緣油的介電常數(shù)較低，在電場的作用下，油隙就成為油紙絕緣的薄弱環(huán)節(jié)。在變壓器負(fù)載波動較大或是過載情況下，電場強(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)荷時噪聲增大，會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，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，耗能相對較少，進(jìn)一步減少了CO2排放[2]。

4 在運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，在特殊時期（如春節(jié)、農(nóng)忙時）負(fù)荷增長迅猛，變壓器重過載問題突出，對設(shè)備安全穩(wěn)定運行和可靠供電造成了嚴(yán)重的影響。通過試驗，變壓器礦物油殘留量約3%時，直接更換天然酯絕緣油燃點約280℃，遠(yuǎn)高于礦物油的燃點。此后，變壓器直接更換天然酯絕緣油的研究登上歷史舞臺。

由上表可見，如果選擇換更大容量變壓器，以更換1臺10千伏315kVA非晶合金油式變壓器為例，增加投資費用4.58萬元，其中變壓器4萬元，工程費用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用和0.3萬元換油費用，不會增加損耗和碳排放。

5 在運變壓器直接更換天然酯絕緣油優(yōu)勢

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，需要更換一臺更大容量變壓器。在運變壓器直接更換天然酯絕緣油相對于新增大容量變壓器有以下多方面優(yōu)勢：①更經(jīng)濟(jì)，沒有變壓器投資費用和更換變壓器工程費用；（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燃點高更安全 礦物油燃點約160℃，植物油燃點約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、電氣性能等多個方面優(yōu)良性能。

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

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

6 結(jié)束語

為減少環(huán)境污染，實現(xiàn)社會和資源的可持續(xù)發(fā)展，天然酯絕緣油作為一種新型絕緣介質(zhì)應(yīng)運而生，由于其安全可靠、環(huán)保的特性，相對礦物絕緣油有明顯的優(yōu)勢，且更適應(yīng)與當(dāng)前社會發(fā)展的需求。在運變壓器直接更換天然酯絕緣油相對于新增大容量變壓器有以下多方面優(yōu)勢，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)定運行，同時也符合我國“雙碳”和綠色智能電網(wǎng)的發(fā)展要求，這對于發(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。