浅谈植物绝缘油变压器的研究及其应用

浅谈植物绝缘油变压器的研究及其应用

陈敬鑫

(广州电力工程监理有限公司广东广州510000)

摘要：介绍植物油变压器的发展状况及主要特点，通过与矿物油变压器的电气特性的对比，突显出植物油变压器的使用优势，展望了植物油变压器的应用前景及面临的挑战。

关键词：变压器；植物绝缘油；优点；应用前景

0.引言

电力变压器是电力系统中电能传输与分配的重要设备之一，其安全稳定运行十分重要。而目前变压器中的绝缘液体主要是从石油中提炼而成的矿物绝缘油，具有良好的绝缘性能和低廉的成本。因其产量大及各项技术经济指标优越，至今还广泛应用于超高压、特高压变压器的理想绝缘物质。但是由于矿物绝缘油闪点、燃点低，生物降解性能差、防火性能差、污染环境等问题也慢慢受到人们关注，尤其在全球石化能源紧张及推广绿色环保的可持续发展道路的情况下，植物绝缘油的优势也突显而出。

1.植物绝缘油变压器的发展过程

植物绝缘油是可再生能源，可以在100%转基因大豆、油菜籽、棕榈、椰子的种子中提炼。不仅原料来源广泛，而且具有良好的电气性能。在国外，早在1996年美国Cargill就通过不断寻找矿物油的替代物，最终研制了能用于变压器的植物绝缘油，实现从矿物油到植物油的领域突变。相继几年，植物油变压器也应运而生，1999年ABB公司也采用植物油作为绝缘物质，开发了植物油的变压器。而日本作为能源稀缺的国家也积极投入植物油变压器的开发，以便提高变压器的经济性和减少对环境的污染。在2002年由关西电力公司与富士电机共同开发制造出小型、轻便、环境性能好的菜籽酯油配电变压器。到了2004年随着植物绝缘油研发技术的不断成熟，美国Cooper公司与Cargill公司于2004年8月25日宣布共同生产变压器由种子提炼出来的植物油FR3。

作为中国，2007年库柏电力系统事业部将FR3植物油变压器引入中国市场，掀起国内植物油变压器革命。经过两年对植物油变压器的不断探索，到2009年陕西电力公司挂网运行了100多台由合肥ABB公司生产的植物油配电变压器，成为国家试点科技项目。为了研制出稳定性更高、容量更大、电压等级更高、性能指标达到国际先进水平的植物绝缘油变压器，全国首台110kV/40MVA植物绝缘油变压器于2017年底初挂网试运行，以期率先在国内实现植物油变压器从配变到主变的跨越。

2.植物绝缘油的特性

植物绝缘油和矿物油属于不同种类的有机物，在分子构成和结构特征上有差异。植物油的种类很多构成植物油的甘三酯成分复杂，一般的植物油在理化及电气性能上难以满足用作绝缘油的要求，因此需要进一步的精炼处理。所以真正满足电气性能上的植物油是混有脂肪酸甘油三酯的混合物，含有饱和脂肪酸，单不饱和脂肪酸、双不饱和脂肪酸和多不饱和脂肪酸。由于单不饱和脂肪酸是自然界广泛存在的油酸和芥酸，而芥酸存在对人体健康不利的因素，，因此近年来芥酸含量高的油料作物都通过转基因处理来降低芥酸的含量，提高其油酸的含量。所以为什么植物绝缘油的来源需要从转基因大豆、油菜籽、棕榈、椰子的种子中提炼出来的原因。

2.1植物绝缘油的电气性能

变压器油纸绝缘系统中的含水量是影响其介电强度和老化寿命的关键因素之一。而水分主要聚集在绝缘纸板和变压器油中，它会使绝缘电阻降低，介质损耗因素增加，对设备运行构成威胁，严重时还会酿成放电击穿事故。在通过矿物油、植物绝缘油含水量与击穿电压试验过程中可以发现，矿物油中含水量继续增加至超过40mg/kg之后，击穿电压值发生突变，急剧下降。而植物油绝缘油中含水量是要增加至超过300mg/kg之后，击穿电压值才发生突变下降。从中说明植物油相对于矿物油的耐潮性能好，电气性能优于矿物油。具体见下图矿物油、植物油含水量与击穿电压特性曲线图1。

矿物油、植物油含水量与击穿电压特性曲线图1

2.2植物绝缘油的吸水性能

矿物油和植物绝缘油都可以在一定程度吸收纸板中的水分，能够使油纸保持很低的含水量，从而延缓绝缘纸的老化。如下图绝缘纸板中水分变化图2所示，植物绝缘油能够高效吸收绝缘纸板中的水分，吸水性远好于矿物油。

绝缘纸板中水分变化图2

2.3植物绝缘油的抗老化性能

变压器在运行过程中会产生热量，绝缘纸在这种较高温度下会发生热裂解、氧化裂解等化学反应，导致自身的机械性能和电气性能下降。通过把绝缘纸放置在植物油和普通矿物油下，模拟在不同时间和温度的老化程度。所得到的结论对比主变实际运行情况下的时间和温度。最后通过对比可知，植物油较矿物油能显著减缓绝缘纸的老化，据测算，可延长变压器寿命33%，具体如下图绝缘纸在不同油中的老化程度图3所示。

绝缘纸在不同油中的老化程度图3

3植物绝缘油变压器的主要优势

3.1环保性

随着全球石油越来越紧张，人类的环保意识以及对可再生能源的追求，人类对矿物油的替代品也不断探索。植物绝缘油是大家公认的生物降解的电解质。目前通过研究表明，植物油是高度可降解的，21天的降解率超过98%，是真正的绿色变压油，不会对环境产生污染，不会危害人体健康。在极大程度上减少了排入土壤中的不可降解的变压器油，从而实现了土地环境的保护，起到了“减排”的功效。具体如下图各类变压器绝缘油生物降解特性比较图4所示。

各类变压器绝缘油生物降解特性比较图4

3.2安全性

对于变压器自燃爆炸事件也是频繁发生，为了减少此类事件的发生。植物油变压器解决了此问题，因为传统的矿物油变压器因燃点低，有较大的燃爆风险，植物油变压器油燃点远高于矿物油，在过去近20年超50万台植物油变压器的使用历史中，未发生一起火灾事故的报道。通过对各变压器绝缘油的基本防火特性进行研究表明，植物绝缘油燃点高，具有较好的防火性能。变压器绝缘油的基本防火特性参数表1。

变压器绝缘油的基本防火特性参数表1

3.3低噪音

对于城市化发展的不断完善，室内变电站慢慢推广，变压器噪音方面的污染也对环境及当地居民造成影响。除了追求绿色环保的变压器，而且还应考虑其他污染对人类活动的影响。植物油变压器噪音方面控制比较好，特殊的植物油对变压器运行过程产生噪音有一定的吸收作用，起到降噪作用。通过对植物油变压器、矿物油变压器、干式变压器进行试验，试验结果可知，植物油变压器比矿物油变压器低2dB以上，而比干式变压器低10dB左右。植物油、矿物油变压器和干式变压器的噪音对比表2。

植物油、矿物油变压器和干式变压器的噪音对比表2

3.3高过载

在变压器寿命上，引起绝缘老化的主要原因是温度。由于变压器内部热量传播不均匀，故变压器各部位的温度差别很大，因此需要对变压器在额定负荷时，各部分温度的升高做出规定。一般情况下，为了防止油的老化，各部分温度的升高不应超过允许值，就能够保证变压器在规定的使用年限内安全运行。而由于植物油变压器油耐高温作用，在保证变压器正常寿命基础上也能超负荷运行，从容应对配网的过载需求。实验中，我们采用型号为SW13-M-315/10植物油配电变压器与国网高过载试验的温升限值标准进行对比。我们通过模拟变压器高过载，通入2倍的额定电流，测量各部位的热点温度。测试结果证明SW13-M-315/10植物油配电变压器各部位热点温度均比B绝缘、F绝缘标准变压器低，具有高过载性。耐高温植物油变压器与国网高过载变压器的温升试验对比表3。

耐高温植物油变压器与国网高过载变压器的温升试验对比表3

4植物绝缘油变压器的应用前景

由于通过上述试验证明，植物绝缘油变压器具有良好的过负载能力，具有耐高温性。而在实际应用中，欧洲电工技术标准委员会（CENELEC）的HD428为油浸配电变压器分别提供了三个水平的负载损耗值和空载损耗值。理论可以有9种组合，但是实际情况推荐只有5种可选的变压器损耗组合。我们定义为A类和B类。作为耐高温植物油变压器，同一容量，采用不同的空载损耗的组合，将会满足对季节性负荷需求极大的特殊城市。

对于A类变压器，其过载能力可阶段性超负荷1.5-2倍，空载损耗低。而B类变压器的过载能力可季节性超负荷1.5倍，负载损耗低。例如：作为B类变压器，通过数据统计可知，其可用于城网类负荷50%以上及季节性超负荷150%。分析选用广州、深圳城市季节性负荷需求极大（夏季）的城市，就可选用B类变压器，正常运行负载损耗低，满足夏季高负荷需求，选型时可降低变压容量，提高配变平均符合率。而作为配变平均符合率在30%左右的农网，可选A类变压器，正常运行时空载损耗低，同时满足春节等阶段性超负荷需求。

5植物绝缘油变压器面临的挑战

目前，植物绝缘油变压器发展的历史还比较短，还处于不断探索中。所以植物绝缘油变压器面临以下几点挑战：植物绝缘油变压器长期运行时的稳定性存在怀疑；变压器整体耐燃性能仍待验证；长期运行时变压器外壳的密封性能如何保证；在安装、运行方面缺乏相关标准。

6结束语

作为一种绿色创新性设备，虽然还是孕育初期，存在很多地方令人怀疑之处，不过从当今能源的紧张和人们环保意识的提高，植物绝缘油变压的发展前景和优点还是值得大家肯定。因为随着植物绝缘油技术的不断发展，各类安装、试验、运行标准规范不断完善，各功能使用安全性更加可靠，初期投入成本不断降低，植物油变压器将成为矿物绝缘油变压器的真正替代品。

参考文献:

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