绿色环保绝缘材料应用——天然酯绝缘油发展回顾

■ 库柏电气（上海）有限公司 胡锦丽

1 变压器的历史

虽然在19世纪末第一台变压器是敞开式结构的干式变压器，但是同一时期开发的矿物油变压器由于其具有更高的效率，更好的热介损，较高的抗污性，较高负载能力，更小的尺寸以及更长的寿命，而在此后的百余年中，被电力局和变压器用户广泛选择。可是矿物油对运输，污染物，外溢报告，补救措施，不仅需要特殊处理，而且还需要对环境影响和防火安全性进行全面考虑，所以真空压力进气(VPI)干式变压器和树脂浇注变压器又常常被用来替换矿物油绝缘变压器，安装在建筑物内或建筑物附近。在工业应用上，对于哪种变压器类型应用最好的争论随着技术、环保、经济环境的变化而变动。

虽然矿物油变压器的燃点是165℃(329℉)且其具有30多年的使用寿命，仍然成为传统户外的应用选择，但是矿物油相对低的燃点存在着火灾隐患或已经导致变压器火灾，因此，油浸式变压器安全规范已经包含灭火系统的特殊层、长的间隔距离、防火屏障、或者用其他遏制装置来防止油变发生火灾。而实际上，干式变压器也会发生火灾，但由于错误的安全感，预制式的干式或树脂浇注防火性规范允许这些变压器安装在一些敏感的区域。

2 开发阻燃型变压器油

在20世纪70年代中期，很多变压器介电油生产商开发了阻燃型高分子油和硅油。规范要求这个等级油的燃点高于300℃(572℉)。在30多年的使用中，阻燃型高分子油变压器从未引起大楼或者油池火灾。这完全超过了VPI干式、树脂浇注和硅油的变压器的安全记录。

因为近几十年的运行经验，美国国家电气规范，第三方实验室和保险公司逐渐开始认可阻燃型介电油的安全记录[1]。他们现在提供特殊类别分类，认定使用此油的变压器可安装在建筑物内或附近。因为它们的热排放率不再需要考虑[2-3]，也不再需要灭火系统和对户外变压器的防火屏障，甚至户内应用也无需喷水装置的要求，间隔距离和保险金有了明显下降，防火安全认证现在认可充有上万加仑油的大型电力变压器。然而高分子油和硅油虽然提高了变压器的防火安全并维持正常变压器预期寿命，但是却降低了环境兼容性。

3 开发环保变压器油

在20世纪90年代，一家知名绝缘油生产商开发了阻燃型天然酯绝缘冷却油[4]。这些油来源于植物，有超过300℃(572℃)的闪点和燃点，明显高于同类的碳氢油和硅油等其他类似产品。同样，它们具有相同的防火安全记录，并成为了一个更新的科技应用于建筑物内或附近。除了优越的防火性能外，新的酯绝缘油因其“优异的降解特性”符合美国环保署标准[5]，并且具有更低的美国运输部外溢报告。其中不止一种天然酯绝缘油已经测得不含严重的水生毒性(根据经济合作与开发委员会GL 203)，并且不会在水上留下彩虹色的油光。测试显示天然酯绝缘油可以在21天内降解超过97%[5]。根据同样的测试方法，碳氢油降解小于30%。

防火天然酯油克服了两个最大油浸式变压器的弱点，但是需要更多的研究来表明这些绝缘油能否维持变压器的长寿命。

4 在天然酯绝缘油中变压器绝缘纸的老化

变压器绝缘故障是干式和油浸式变压器故障的首要因素。由于老变压器的数量，保险公司预期这会使变压器故障在未来10年增加300%。因而实验运用了重要的工业原料，用绝缘纸老化，来测试和监测油变在重大事故之前的固体绝缘现象。 实验室研究也能用来测定什么环境影响绝缘纸的老化。为了预测在运行期间的老化率。ANSI/IEEE C57.100[6]已经定义了配电变压器的加速老化。这个方法利用提高温度，来压缩测试时间到持续的几个月，并被多篇论文证实。

库柏电力系统已经进行和出版了[7]在一台223kVA美变中基于同比例下材料的研究(图1)。

图1 密封测试系统中的器材

热升级0.255 mm Kraft纸(26克)

绝缘油(350 ml)

铝条(106 cm2)

铜金属条(76 cm2)

老化器皿可煅钢内表面(323 cm2)

此外，初始控制变量包括初始绝缘纸湿度，绝缘油含水量，顶部空间容量和湿度、清除气体和增压。

天然酯绝缘油 矿物油 天然酯绝缘油 矿物油500小时 1000小时天然酯绝缘油 矿物油 天然酯绝缘油 矿物油2000小时 4000小时

绝缘纸老化随着温度和含水量的增加而加速。图2图解了在170℃(338℉)和不同时间加速老化试验环境下绝缘纸样品的升级。外表上，在天然酯中的绝缘纸分解速度明显慢于矿物油中的绝缘纸。装有矿物油的器皿的表面上有淤渣和碳沉淀物的形成，就和通常在老化的变压器中所观察到的一样。装有天然酯的器皿保持干净，预示了在绝缘油中绝缘纸有更好的长期稳定性。

图2 相关加速老化研究-密封测试管-MIL152-2000

除了表面观察外，还有一种机械强度的目标指标——张力(表1)来衡量老化。现行IEEE C57.91负载导则指出几条“寿命”定义，是包括在老化后所保留的25%至50%的张力[8]。

表1 在矿物油和天然酯油中热升级绝缘纸老化的保留张力

这些结果均显示绝缘纸在170℃(338℉)下，在天然酯中老化时间比在矿物油中时间延长了5到8倍。这些实验间的性能差异总结为“水净化”和“水解保护”。

5 水净化

之前提到，绝缘纸老化随着温度和含水量的增加而加速。当每个器皿的温度被控制，矿物油器皿的含水量比天然酯器皿的有明显增加。绝缘纸分解首先是热分离(温度)和水解击穿(水)的组合[9]，随后主要副产物之一变成更多的水。矿物油的水饱和点为70 ppm，而天然酯在25℃(77℉)下的水饱和点为1200 ppm。天然酯“水净化”的特性防止了水分子加速绝缘纸老化。

6 水解保护

热、水和天然酯的副产物是长链脂肪酸，它与变压器绝缘纸组合，在加速绝缘纸老化中保护绝缘纸结构防止解聚。化学反应机构是酯交换反应，它能防止绝缘纸水解。而热、水和矿物油产生的是短链有机酸，它性能更加活泼，并不能保护绝缘纸。天然酯“水解保护”特性防止了水分子加速绝缘纸老化得和矿物油中一样快。

这从理论和试验结果显而易见，天然酯显著增加绝缘纸热稳定性。

7 新的经济考虑

近些年，变压器原材料成本、能耗和保险费用急剧增长。在很多案例中，油浸式变压器成本低于干式变压器。干式变压器的高能耗已经不符合现行加拿大能源效率规则的要求。甚至美国能源部在近期的规则中也开始审查这些高损耗的干式变压器。保险公司诸如FM Global（美国工厂互助保险联盟损防规范）开始意识到天然酯的防火特性，降低了防火要求，能够提供较低的保险费。油浸式变压器的价格和性能优势开始和十年前有了很大变化。

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8 总结

阻燃天然酯绝缘油已经重新定义了油浸式变压器的价值命题。天然酯绝缘油已经很好地确立了防火安全性和环保兼容性，并能比传统绝缘油延长变压器寿命。油浸式变压器具有很多优于VPI干式和环氧浇注变压器的优势(详见表2)。对于未来变压器的采购，变压器寿命长短可以用来进行变压器能耗评估。如今考虑到经济、安全和环保，VPI 干式和环氧浇注变压器不再是安装在敏感区域的明确的选择。新绝缘油绝缘技术保持并提高了油浸式变压器设计的优点，同时能提供出色的环保和安全优势。

9 市场经济中的应用

面对无环境污染和安全性高的变压器及电抗器的需求不断增加，AREVA输配电已经将植物油应用从配变拓展到高压变压器和电抗器。2007年，在英国人口稠密区和巴西敏感区所实施的项目中，运用了库柏电力系统生产的Envirotemp FR3植物绝缘油，分别注入到132kV 90MVA的变压器和242kV并联电抗器中。这种植物绝缘油来源于大豆，它从1998年使用至今，主要用来注入配电变压器，可生物降解，能够增加防火安全性及绝缘寿命，同时来源于可再生资源。这些项目的实施，除了良好的环境收益外，天然酯绝缘油的应用使AREVA输配电设计制造具有更强的防火安全和更长的使用寿命，为我们的客户创造了一个可持续发展的未来。这些项目不仅使电力传输公司在一段时间内从配电网络资产中收益，而且推动我们进入了一个绿色环保和可持续发展的工业转型时期。

10 市场发展前景

在大力提倡绿色环保，节能减排的今天，中国也在引进天然酯绝缘油。2007年, 在武汉华辰长江电机生产的变压器以及西安西电变压器生产的整流变压器中，均选用了库柏电力系统的Envirotemp FR3植物绝缘油。虽然目前天然酯绝缘油属于全进口产品，价格相对较高，而且国内相关的天然酯变压器油标准还在建立中。但是由于植物绝缘油自身的绿色环保、延长变压器寿命, 抗过载能力和高燃点等优质特点，有效的突破了以前传统绝缘油的限制。所以绝大多数用户看好植物绝缘油绿色来源(源于绿色植物大豆), 防火安全,无工业污染等绿色资源的市场前景。随着将来国产化成本降低以及相应标准完善，同时国家对工业品的节能环保的日渐提倡和重视，必将会在变压器绝缘油市场扩展使用绿色的植物绝缘油。

[1]不易燃绝缘油变压器,认证标准类别号3990,FM研究公司,1997.

[2]防灾防损数据表5-4/14-8,FM研究公司,Norwood.Ma,1997(1):1-26.1988(9)修订.

[3]NEC要求准则,2002年不易燃液体填充的变压器安装条例,库柏电力系统,2002.

[4]C.P.McShane,新型阻燃植物油冷却液对于配变的相对属性.IEEE 箱变的工业应用,2001,37(4): 1132-1139.

[5]环境技术验证计.美国环境保护局,华盛顿特区.VS-R-02-02,2002-6.

[6]油浸配电变压器热评估IEEE标准,ANSI/IEEE标准C57.100.1986.

[7]C.P.McShane等.天然酯绝缘油中的绝缘纸的老化.IEEE/PES输配电conf号0-7803-7287-5/01_IEEE2001.

[8]负载矿物油浸变压器IEEE指南,IEEE标准C57.91.1995-1996.

[9]W.J.McNutt,负载变压器绝缘热寿命注意事项指南.IEEE电力输送变压器,1992,7(1):392-401.