綠色環(huán)保絕緣材料應(yīng)用——天然酯絕緣油發(fā)展回顧

■ 庫柏電氣（上海）有限公司 胡錦麗

1 變壓器的歷史

雖然在19世紀(jì)末第一臺(tái)變壓器是敞開式結(jié)構(gòu)的干式變壓器，但是同一時(shí)期開發(fā)的礦物油變壓器由于其具有更高的效率，更好的熱介損，較高的抗污性，較高負(fù)載能力，更小的尺寸以及更長的壽命，而在此后的百余年中，被電力局和變壓器用戶廣泛選擇?？墒堑V物油對(duì)運(yùn)輸，污染物，外溢報(bào)告，補(bǔ)救措施，不僅需要特殊處理，而且還需要對(duì)環(huán)境影響和防火安全性進(jìn)行全面考慮，所以真空壓力進(jìn)氣(VPI)干式變壓器和樹脂澆注變壓器又常常被用來替換礦物油絕緣變壓器，安裝在建筑物內(nèi)或建筑物附近。在工業(yè)應(yīng)用上，對(duì)于哪種變壓器類型應(yīng)用最好的爭(zhēng)論隨著技術(shù)、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)環(huán)境的變化而變動(dòng)。

雖然礦物油變壓器的燃點(diǎn)是165℃(329℉)且其具有30多年的使用壽命，仍然成為傳統(tǒng)戶外的應(yīng)用選擇，但是礦物油相對(duì)低的燃點(diǎn)存在著火災(zāi)隱患或已經(jīng)導(dǎo)致變壓器火災(zāi)，因此，油浸式變壓器安全規(guī)范已經(jīng)包含滅火系統(tǒng)的特殊層、長的間隔距離、防火屏障、或者用其他遏制裝置來防止油變發(fā)生火災(zāi)。而實(shí)際上，干式變壓器也會(huì)發(fā)生火災(zāi)，但由于錯(cuò)誤的安全感，預(yù)制式的干式或樹脂澆注防火性規(guī)范允許這些變壓器安裝在一些敏感的區(qū)域。

2 開發(fā)阻燃型變壓器油

在20世紀(jì)70年代中期，很多變壓器介電油生產(chǎn)商開發(fā)了阻燃型高分子油和硅油。規(guī)范要求這個(gè)等級(jí)油的燃點(diǎn)高于300℃(572℉)。在30多年的使用中，阻燃型高分子油變壓器從未引起大樓或者油池火災(zāi)。這完全超過了VPI干式、樹脂澆注和硅油的變壓器的安全記錄。

因?yàn)榻鼛资甑倪\(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，美國國家電氣規(guī)范，第三方實(shí)驗(yàn)室和保險(xiǎn)公司逐漸開始認(rèn)可阻燃型介電油的安全記錄[1]。他們現(xiàn)在提供特殊類別分類，認(rèn)定使用此油的變壓器可安裝在建筑物內(nèi)或附近。因?yàn)樗鼈兊臒崤欧怕什辉傩枰紤][2-3]，也不再需要滅火系統(tǒng)和對(duì)戶外變壓器的防火屏障，甚至戶內(nèi)應(yīng)用也無需噴水裝置的要求，間隔距離和保險(xiǎn)金有了明顯下降，防火安全認(rèn)證現(xiàn)在認(rèn)可充有上萬加侖油的大型電力變壓器。然而高分子油和硅油雖然提高了變壓器的防火安全并維持正常變壓器預(yù)期壽命，但是卻降低了環(huán)境兼容性。

3 開發(fā)環(huán)保變壓器油

在20世紀(jì)90年代，一家知名絕緣油生產(chǎn)商開發(fā)了阻燃型天然酯絕緣冷卻油[4]。這些油來源于植物，有超過300℃(572℃)的閃點(diǎn)和燃點(diǎn)，明顯高于同類的碳?xì)溆秃凸栌偷绕渌愃飘a(chǎn)品。同樣，它們具有相同的防火安全記錄，并成為了一個(gè)更新的科技應(yīng)用于建筑物內(nèi)或附近。除了優(yōu)越的防火性能外，新的酯絕緣油因其“優(yōu)異的降解特性”符合美國環(huán)保署標(biāo)準(zhǔn)[5]，并且具有更低的美國運(yùn)輸部外溢報(bào)告。其中不止一種天然酯絕緣油已經(jīng)測(cè)得不含嚴(yán)重的水生毒性(根據(jù)經(jīng)濟(jì)合作與開發(fā)委員會(huì)GL 203)，并且不會(huì)在水上留下彩虹色的油光。測(cè)試顯示天然酯絕緣油可以在21天內(nèi)降解超過97%[5]。根據(jù)同樣的測(cè)試方法，碳?xì)溆徒到庑∮?0%。

防火天然酯油克服了兩個(gè)最大油浸式變壓器的弱點(diǎn)，但是需要更多的研究來表明這些絕緣油能否維持變壓器的長壽命。

4 在天然酯絕緣油中變壓器絕緣紙的老化

變壓器絕緣故障是干式和油浸式變壓器故障的首要因素。由于老變壓器的數(shù)量，保險(xiǎn)公司預(yù)期這會(huì)使變壓器故障在未來10年增加300%。因而實(shí)驗(yàn)運(yùn)用了重要的工業(yè)原料，用絕緣紙老化，來測(cè)試和監(jiān)測(cè)油變?cè)谥卮笫鹿手暗墓腆w絕緣現(xiàn)象。 實(shí)驗(yàn)室研究也能用來測(cè)定什么環(huán)境影響絕緣紙的老化。為了預(yù)測(cè)在運(yùn)行期間的老化率。ANSI/IEEE C57.100[6]已經(jīng)定義了配電變壓器的加速老化。這個(gè)方法利用提高溫度，來壓縮測(cè)試時(shí)間到持續(xù)的幾個(gè)月，并被多篇論文證實(shí)。

庫柏電力系統(tǒng)已經(jīng)進(jìn)行和出版了[7]在一臺(tái)223kVA美變中基于同比例下材料的研究(圖1)。

圖1 密封測(cè)試系統(tǒng)中的器材

熱升級(jí)0.255 mm Kraft紙(26克)

絕緣油(350 ml)

鋁條(106 cm2)

銅金屬條(76 cm2)

老化器皿可煅鋼內(nèi)表面(323 cm2)

此外，初始控制變量包括初始絕緣紙濕度，絕緣油含水量，頂部空間容量和濕度、清除氣體和增壓。

天然酯絕緣油 礦物油 天然酯絕緣油 礦物油500小時(shí) 1000小時(shí)天然酯絕緣油 礦物油 天然酯絕緣油 礦物油2000小時(shí) 4000小時(shí)

絕緣紙老化隨著溫度和含水量的增加而加速。圖2圖解了在170℃(338℉)和不同時(shí)間加速老化試驗(yàn)環(huán)境下絕緣紙樣品的升級(jí)。外表上，在天然酯中的絕緣紙分解速度明顯慢于礦物油中的絕緣紙。裝有礦物油的器皿的表面上有淤渣和碳沉淀物的形成，就和通常在老化的變壓器中所觀察到的一樣。裝有天然酯的器皿保持干凈，預(yù)示了在絕緣油中絕緣紙有更好的長期穩(wěn)定性。

圖2 相關(guān)加速老化研究-密封測(cè)試管-MIL152-2000

除了表面觀察外，還有一種機(jī)械強(qiáng)度的目標(biāo)指標(biāo)——張力(表1)來衡量老化?，F(xiàn)行IEEE C57.91負(fù)載導(dǎo)則指出幾條“壽命”定義，是包括在老化后所保留的25%至50%的張力[8]。

表1 在礦物油和天然酯油中熱升級(jí)絕緣紙老化的保留張力

這些結(jié)果均顯示絕緣紙?jiān)?70℃(338℉)下，在天然酯中老化時(shí)間比在礦物油中時(shí)間延長了5到8倍。這些實(shí)驗(yàn)間的性能差異總結(jié)為“水凈化”和“水解保護(hù)”。

5 水凈化

之前提到，絕緣紙老化隨著溫度和含水量的增加而加速。當(dāng)每個(gè)器皿的溫度被控制，礦物油器皿的含水量比天然酯器皿的有明顯增加。絕緣紙分解首先是熱分離(溫度)和水解擊穿(水)的組合[9]，隨后主要副產(chǎn)物之一變成更多的水。礦物油的水飽和點(diǎn)為70 ppm，而天然酯在25℃(77℉)下的水飽和點(diǎn)為1200 ppm。天然酯“水凈化”的特性防止了水分子加速絕緣紙老化。

6 水解保護(hù)

熱、水和天然酯的副產(chǎn)物是長鏈脂肪酸，它與變壓器絕緣紙組合，在加速絕緣紙老化中保護(hù)絕緣紙結(jié)構(gòu)防止解聚?；瘜W(xué)反應(yīng)機(jī)構(gòu)是酯交換反應(yīng)，它能防止絕緣紙水解。而熱、水和礦物油產(chǎn)生的是短鏈有機(jī)酸，它性能更加活潑，并不能保護(hù)絕緣紙。天然酯“水解保護(hù)”特性防止了水分子加速絕緣紙老化得和礦物油中一樣快。

這從理論和試驗(yàn)結(jié)果顯而易見，天然酯顯著增加絕緣紙熱穩(wěn)定性。

7 新的經(jīng)濟(jì)考慮

近些年，變壓器原材料成本、能耗和保險(xiǎn)費(fèi)用急劇增長。在很多案例中，油浸式變壓器成本低于干式變壓器。干式變壓器的高能耗已經(jīng)不符合現(xiàn)行加拿大能源效率規(guī)則的要求。甚至美國能源部在近期的規(guī)則中也開始審查這些高損耗的干式變壓器。保險(xiǎn)公司諸如FM Global（美國工廠互助保險(xiǎn)聯(lián)盟損防規(guī)范）開始意識(shí)到天然酯的防火特性，降低了防火要求，能夠提供較低的保險(xiǎn)費(fèi)。油浸式變壓器的價(jià)格和性能優(yōu)勢(shì)開始和十年前有了很大變化。

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8 總結(jié)

阻燃天然酯絕緣油已經(jīng)重新定義了油浸式變壓器的價(jià)值命題。天然酯絕緣油已經(jīng)很好地確立了防火安全性和環(huán)保兼容性，并能比傳統(tǒng)絕緣油延長變壓器壽命。油浸式變壓器具有很多優(yōu)于VPI干式和環(huán)氧澆注變壓器的優(yōu)勢(shì)(詳見表2)。對(duì)于未來變壓器的采購，變壓器壽命長短可以用來進(jìn)行變壓器能耗評(píng)估。如今考慮到經(jīng)濟(jì)、安全和環(huán)保，VPI 干式和環(huán)氧澆注變壓器不再是安裝在敏感區(qū)域的明確的選擇。新絕緣油絕緣技術(shù)保持并提高了油浸式變壓器設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)能提供出色的環(huán)保和安全優(yōu)勢(shì)。

9 市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)中的應(yīng)用

面對(duì)無環(huán)境污染和安全性高的變壓器及電抗器的需求不斷增加，AREVA輸配電已經(jīng)將植物油應(yīng)用從配變拓展到高壓變壓器和電抗器。2007年，在英國人口稠密區(qū)和巴西敏感區(qū)所實(shí)施的項(xiàng)目中，運(yùn)用了庫柏電力系統(tǒng)生產(chǎn)的Envirotemp FR3植物絕緣油，分別注入到132kV 90MVA的變壓器和242kV并聯(lián)電抗器中。這種植物絕緣油來源于大豆，它從1998年使用至今，主要用來注入配電變壓器，可生物降解，能夠增加防火安全性及絕緣壽命，同時(shí)來源于可再生資源。這些項(xiàng)目的實(shí)施，除了良好的環(huán)境收益外，天然酯絕緣油的應(yīng)用使AREVA輸配電設(shè)計(jì)制造具有更強(qiáng)的防火安全和更長的使用壽命，為我們的客戶創(chuàng)造了一個(gè)可持續(xù)發(fā)展的未來。這些項(xiàng)目不僅使電力傳輸公司在一段時(shí)間內(nèi)從配電網(wǎng)絡(luò)資產(chǎn)中收益，而且推動(dòng)我們進(jìn)入了一個(gè)綠色環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展的工業(yè)轉(zhuǎn)型時(shí)期。

10 市場(chǎng)發(fā)展前景

在大力提倡綠色環(huán)保，節(jié)能減排的今天，中國也在引進(jìn)天然酯絕緣油。2007年, 在武漢華辰長江電機(jī)生產(chǎn)的變壓器以及西安西電變壓器生產(chǎn)的整流變壓器中，均選用了庫柏電力系統(tǒng)的Envirotemp FR3植物絕緣油。雖然目前天然酯絕緣油屬于全進(jìn)口產(chǎn)品，價(jià)格相對(duì)較高，而且國內(nèi)相關(guān)的天然酯變壓器油標(biāo)準(zhǔn)還在建立中。但是由于植物絕緣油自身的綠色環(huán)保、延長變壓器壽命, 抗過載能力和高燃點(diǎn)等優(yōu)質(zhì)特點(diǎn)，有效的突破了以前傳統(tǒng)絕緣油的限制。所以絕大多數(shù)用戶看好植物絕緣油綠色來源(源于綠色植物大豆), 防火安全,無工業(yè)污染等綠色資源的市場(chǎng)前景。隨著將來國產(chǎn)化成本降低以及相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)完善，同時(shí)國家對(duì)工業(yè)品的節(jié)能環(huán)保的日漸提倡和重視，必將會(huì)在變壓器絕緣油市場(chǎng)擴(kuò)展使用綠色的植物絕緣油。

[1]不易燃絕緣油變壓器,認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)類別號(hào)3990,FM研究公司,1997.

[2]防災(zāi)防損數(shù)據(jù)表5-4/14-8,FM研究公司,Norwood.Ma,1997(1):1-26.1988(9)修訂.

[3]NEC要求準(zhǔn)則,2002年不易燃液體填充的變壓器安裝條例,庫柏電力系統(tǒng),2002.

[4]C.P.McShane,新型阻燃植物油冷卻液對(duì)于配變的相對(duì)屬性.IEEE 箱變的工業(yè)應(yīng)用,2001,37(4): 1132-1139.

[5]環(huán)境技術(shù)驗(yàn)證計(jì).美國環(huán)境保護(hù)局,華盛頓特區(qū).VS-R-02-02,2002-6.

[6]油浸配電變壓器熱評(píng)估IEEE標(biāo)準(zhǔn),ANSI/IEEE標(biāo)準(zhǔn)C57.100.1986.

[7]C.P.McShane等.天然酯絕緣油中的絕緣紙的老化.IEEE/PES輸配電conf號(hào)0-7803-7287-5/01_IEEE2001.

[8]負(fù)載礦物油浸變壓器IEEE指南,IEEE標(biāo)準(zhǔn)C57.91.1995-1996.

[9]W.J.McNutt,負(fù)載變壓器絕緣熱壽命注意事項(xiàng)指南.IEEE電力輸送變壓器,1992,7(1):392-401.