关于在运变压器直接更换天然酯绝缘油的研究

赵翰坤 钟士华 郑泽源

1. 国网江苏省电力有限公司昆山市供电分公司 江苏 苏州 215300；

2. 河南九域恩湃电力技术有限公司 河南 郑州 450001；

3. 郑州扬天汇达信息科技有限公司 河南 郑州 450001

引言

矿物绝缘油兼具良好的电气绝缘和冷却性能以及低廉的成本，因此在油浸绝缘高电压设备中有多年的应用历史。电力变压器是电力系统的重要设备，对于运行维护来说具有重要作用，变压器运行过程中也是一项复杂的工作。近年来，随着经济的发展和人民生活水平的不断提高，环境保护已成为全世界的共识。天然酯绝缘油作为可再生、高燃点的绿色环保液体电介质，符合我国节能减排、低碳经济和绿色智能电网的发展要求。

1 更换绝缘油的必要性

变压器正常情况下一般使用寿命为10年，而在实际使用过程中随着变压器内绝缘油中水分含量的增加，绝缘油老化现象会越来越严重。对此采用了天然酯绝缘油作为变压器的绝缘油更换材料，能够在不影响供电质量的前提下延长使用寿命。随着变压器运行时间的增长，其绝缘电阻也会不断下降，绝缘油变质以后会使变压器内部产生气泡、结焦、水分等物质。当运行中发生泄漏时容易产生电晕，绝缘油中所含的水分和气体在高压电场作用下会对变压器进行放电，形成的电弧可以使周围的金属介质遭受很大危害，在运行中变压器内部可能会产生放电、热击穿、电弧等现象。所以定期更换绝缘油非常重要。

2 天然酯绝缘油的发展

随着环保意识的逐渐加强，20世纪60年代，在一些绝缘场合已经开始采用植物油来代替矿物油，新型天然酯绝缘油的研究受到了重视。自20世纪90年代，随着精炼工艺的进步，天然酯绝缘油很快受到电力行业的重视。瑞典ABB公司、澳大利亚 陶氏化学、美国库柏公司、日本樱花先后推出天然酯绝缘油产品。目前已有30多个国家应用，超过100万台天然酯绝缘油变压器投入应用。2014年，西门子公司在大型天然酯绝缘油电力变压器取得突破，其研制的420kV天然酯绝缘油变压器在Bruchsal-Kändelweg变电站调试成功并投入运营。这台全球首台420kV 超高压天然酯绝缘油变压器使用Cargill公司的FR3天然酯绝缘油作为绝缘介质，用于连接380kV高压层和下游配电网运营商的110kV电网，其功率可以达到300MVA。当前我国在高电压领域也已投入试验研究。2014年，国网河南电力科学研究院与河南九域恩湃电力技术有限公司合作建成国内首个年产达1500吨的天然酯绝缘油自动化生产线，实现了我国天然酯绝缘油的工业化、标准化生产。此后几年时间里国内很多变压器供应商纷纷投入到变压器研究和设计中去，这在一定程度上加速了我国天然酯绝缘油的商业化进程[1]。

3 天然酯绝缘油的特性和更换方

3.1 环保性能

天然酯绝缘油容易降解，自然降解率可达到97%以上，在28天时基本完全降解，不会对土地、水源等造成污染，而矿物油不能降解。矿物油自然降解率小于10%。天然酯绝缘油与传统矿物绝缘油相比，安全环保性能更优、使用寿命更长、维护成本更低、过负载能力更强。

3.2 安全性能

天然酯绝缘油燃点约360℃，达到矿物油的2倍以上，耐热等级为K级。变压器油防火安全最重要的火灾危险性参数是燃点，开口杯燃点高于300℃的液体被定义为国际电工委员会K一级液体，即可作为高燃点绝缘油。一些试验结果也证实了所有K一级液体均能降低变压器事故初始程度并防止油池火发生。天然酯绝缘油变压器在其多年超百万台次的应用历程中，迄今为止，尚未有任何一例起火记录出现。

3.3 电气性能

天然酯绝缘油介电性能良好，击穿电压可达70～80kV，运行更安全，有利于优化变压器油纸绝缘系统的结构设计。矿物绝缘油的介电常数较低，在电场的作用下，油隙就成为油纸绝缘的薄弱环节。在变压器负载波动较大或是过载情况下，电场强度最大处的油隙发生局部放电，降低油纸绝缘的电气性能，都可能导致变压器发生故障。

3.4 提升变压器过载能力

天然酯绝缘油变压器超铭牌容量运行的能力远高于传统矿物油变压器和干式变压器。试验表明：天然酯绝缘油变压器可在120%左右负载条件下长期运行。天然酯绝缘油因其较强的亲水特性，与绝缘纸配合可吸收并降低绝缘纸中的水分，能有效延长绝缘纸的寿命，从而延长变压器的寿命。

3.5 低噪声

变压器过负荷时噪声增大，会引起变压器噪声超标，同等条件下天然酯绝缘油变压器噪声值要低5-6dB左右，可有效缓解噪声超标问题。天然酯绝缘油的吸声系数是矿物绝缘油吸声系数的3倍，比矿物绝缘油更好的降低变压器的噪声。

3.6 减少碳排放

天然酯绝缘油入选2017年《国家重点节能低碳技术推广目录》，天然酯绝缘油替代1吨矿物绝缘可减排3.167吨二氧化碳。用天然植物油替代矿物绝缘油，可避免矿物绝缘油寿命结束后，其处理过程及处理产物产生的大量CO2排放。同时，在生产过程中，天然酯绝缘油要求的温度和压力较矿物油更低，耗能相对较少，进一步减少了CO2排放[2]。

4 在运变压器直接更换天然酯绝缘油研究

中国农村电网有平均负荷率低、峰谷差大的特点，在特殊时期（如春节、农忙时）负荷增长迅猛，变压器重过载问题突出，对设备安全稳定运行和可靠供电造成了严重的影响。通过试验，变压器矿物油残留量约3%时，直接更换天然酯绝缘油燃点约280℃，远高于矿物油的燃点。此后，变压器直接更换天然酯绝缘油的研究登上历史舞台。

由上表可见，如果选择换更大容量变压器，以更换1台10千伏315kVA非晶合金油式变压器为例，增加投资费用4.58万元，其中变压器4万元，工程费用0.58万元；每年增加电量损耗2715.6度，相当于城市1户居民近1年的用电量；增加碳排放570kg，相当于半亩树林近1年减排的二氧化碳（以平均每亩树林年减排约1.336吨二氧化碳折算）。如果选用直接更换为天然酯绝缘油，则仅有0.5万元左右天然酯绝缘油采购费用和0.3万元换油费用，不会增加损耗和碳排放。

5 在运变压器直接更换天然酯绝缘油优势

要想解决中国农村电网高负荷区域变压器重载、过载问题，需要更换一台更大容量变压器。在运变压器直接更换天然酯绝缘油相对于新增大容量变压器有以下多方面优势：①更经济，没有变压器投资费用和更换变压器工程费用；（图1、表1）。②降低因更换大容量变压器带来的损耗；（图1、表1）。③降低碳排放；（表1）④燃点高更安全 矿物油燃点约160℃，植物油燃点约360℃。⑤噪声更低 同等条件下天然酯绝缘油变压器噪声值要低5-6dB左右，可有效缓解噪声超标问题。天然酯绝缘油的吸声系数是矿物绝缘油吸声系数的3倍，比矿物绝缘油更好的降低变压器的噪声[3]。⑥提高变压器过载能力，同时还可以有效利用天然酯绝缘油具有的绿色环保、电气性能等多个方面优良性能。

图1 在运变压器更换植物油与更换大容量变压器经济效益对比图

表1 在运变压器更换植物油与更换大容量变压器经济效益对比

6 结束语

为减少环境污染，实现社会和资源的可持续发展，天然酯绝缘油作为一种新型绝缘介质应运而生，由于其安全可靠、环保的特性，相对矿物绝缘油有明显的优势，且更适应与当前社会发展的需求。在运变压器直接更换天然酯绝缘油相对于新增大容量变压器有以下多方面优势，在变压器重载区域直接更换天然酯绝缘油可以有效缓解电网短期集中过负荷压力，保障电网安全稳定运行，同时也符合我国“双碳”和绿色智能电网的发展要求，这对于发展我国经济、促进我国在国际上的影响力具有重要意义。