原文：刘军 变压器百草园

1 介绍

变压器是输配电系统中最关键的设备，它能有效满足户内外配电、中压、高压、超高压和特高压输电应用的各种需求。今天，变压器的可靠性由浸在绝缘液体内导体周围复杂的三维绝缘纸及纸板结构所决定。

液体纤维素是绝缘层的主要组成部分，具有介质阻挡、机械支撑和散热三种作用。绝缘液是变压器绝缘系统的支柱。全世界数万亿升的绝缘液在电力设备中使用。绝缘液有三个重要功能，即：器身电气绝缘，从导体到片散有效散热，通过油色谱在线监测提供诊断以评估健康状况。此外，电力设备中还具有电弧放电熄弧功能和声阻尼功能；这些对设备使用寿命至关重要。

变压器主要用石蜡基和环烷基两种矿物油。石蜡基油的氧化将产生油泥，增加粘度同时提高倾点，降低散热性能。在正常运行状态和低温下，会产生过热并影响使用寿命。为克服石蜡基油的局限，环烷基油得到开发。相比石蜡基油，环烷基油更易氧化，其氧化副产品易溶解于油，从而不会影响使用。环烷基油含芳香族化合物，在-40℃仍保持好的流动性，现在开发的异构烷烃具有同环烷基油同等甚至更好性能。

易燃性是对矿物油的关注之一。现在电力需求增加受其老化的电网限制，在中大型电力变压器中造成史无前例的高故障率。在此情况下，矿物油为基础的绝缘液局限性较大。矿物油变压器发生爆炸和随之而来的火灾已造成严重次生灾害，成为重大安全问题。矿物油泄漏对环境的不利影响非常大，变压器油生物降解能力很差，若发生严重泄漏将会污染土壤和水源。数以千计的变压器位于人口密集区、购物中心和附近水源地。政府监管机构对运行环境中的变压器渗漏油采取严厉惩罚。石油产品正大量消耗，有可能在21世纪中期造成严重短缺，石油储备和再循环利用是以石油为基础油发展的关键。从1929年到1972年，充聚氯联苯液的变压器大量采用，与矿物油相比促进消防安全。到上世纪70年代中期，PCB发现并不利于环境保护，各国政府已命令禁止PCB液体变压器的进一步生产和商业化应用。

  NEC由国家消防协会于1978年正式成立，不易燃的变压器绝缘液称为“K”类绝缘液，标准规定液体闪点不低于300℃。作为代替PCB的硅基和合成酯基绝缘液，已成功使用近40年。由于这一系列环境法规和责任风险涉及到非食用油，如矿物油和PCB的更换研究开发项目于20世纪90年代初广泛开始。自1880年末，天然酯已被用作变压器绝缘液。

由于天然酯绝缘液的环保特性，变压器开始使用天然酯绝缘液替代矿物油。世界正面临石油产品开发对环境影响的挑战，如巴拉圭、印度和巴基斯坦等许多国家没有石油资源，这些国家都参与农作物种植，种子可以用于生产变压器植物油。

为了能广泛应用这些油，安全经济、连续运行和较长工作寿命是必须的，这都要求提供高标准的电气性能。因此，为便于优化设计，在各种测试条件下研究其各种性能非常重要。日益激烈的全球竞争，需要减少变压器绝缘尺寸，以降低产品成本不懈断努力。正因为如此，绝缘耐受水平和操作应力间的差距正在逐步缩小，这需要研究和设计人员为这种新的K类液体，在不同测试电压水平和测试连接下，精确计算各种电极配置的临界应力水平。

总之，变压器行业的激烈竞争和环境问题，推动变压器行业使用环保的K级绝缘液。在上述背景下，本文对矿物油和天然酯液进行性能比较，其中涵盖一些重要内容，以便为设计师深入了解天然酯绝缘液的优缺点提供全面指导。

2 绝缘液的化学与外观

表1对矿物油和天然酯绝缘液的基本特性、原子结构和外观进行比较。变压器矿物油是从石油中提取；天然酯液可以从农作物种子提取，如油菜籽、葵花籽、亚麻籽、大豆、橄榄、罂粟籽、葡萄籽等。

为方便变压器油色谱检查，多使用带浅色的绝缘油。变压器在运行期间，油的劣化会使颜色加深，表示油中污染物存在。新的天然酯液可能比高精炼的矿物油颜色深

3 国际标准

天然酯的应用不断发展，目前主要用于配电变压器和中等容量电力变压器以及现有矿物油变压器的更换，还对天然酯在超高压电力变压器的应用进行研究，西门子公司已经开发出400kV天然酯电力变压器。为了给变压器设计和运行维护提供帮助，指导手册是必须的。

变压器不同绝缘液的理化特性。矿物油酸度对变压器绝缘有不利影响，它降低固体绝缘性能，酸度会加速油氧化，使更多微水溶解在油中导致铁心生锈。较高的相对酸值是天然酯固有，由于其分子链较长其属性是良性的。矿物油变质的短链酸更具侵蚀性。绝缘液体的酸度由毫克KOH表示，需中和1g绝缘液体的酸，也称“中和数”。水和油间的界面张力（IFT）是测量水与油分子吸引力的方法，用Dyne/cm或mN/m测量。界面张力对于确定极性污染物和矿物油衰变产物的存在非常有用。新的矿物油通常比新的天然酯液表现较高界面张力，绝缘液体氧化污染物其界面张力较低。

5 火灾保险

闪点和燃点是液体阻止着火的重要参数。闪点是指常压下可燃性液体表面上的蒸汽和空气的混合物与火接触而初次发生闪光时的温度；燃点是指可燃性液体表面上的蒸汽和空气的混合物与火接触而发生火焰能继续燃烧不少于5s时的温度。表4比较矿物油与天然酯液的防火性能。矿物油与天然酯液相比，具有更低闪点和燃点。NEC要求燃点至少在300℃的液体归为“难燃液体”，天然酯的闪点和燃点明显高于常规矿物油。绝缘液体的热值是测试材料完全燃烧产生的能量，目前还没有涉及天然酯液体变压器火灾的案例报道。

6 环境影响

表5给出天然酯在环境方面对比矿物油具有的显著优势。两个主要的环境影响促使变压器使用可以替代自然资源的材料。石油迟早会枯竭，到21世纪中期可能会严重短缺。

变压器油生物降解能力差。如有严重泄漏，它会污染土壤和水源。政府监管代表正在研究这个问题，并对石油泄漏实施严厉惩罚。数以千计的填充矿物油变压器位于人口密集区、购物中心，以及附近水道，从消防安全和环境问题角度来看是潜在危险。

Table 5. Environmental impacts of transformer insulating liquids.

表5 变压器绝缘液体的环境影响

7 含水量

变压器绝缘中水的存在危及变压器整体寿命，它可能以液态或气态存在绝缘液中。通过视觉检查，水的存在以不同的液滴形式或像云一样在液体分离，这种水会降低液体的绝缘强度。

需要注意，矿物油的含水量限制不能直接适用天然酯液体，因为其具有吸湿性，可以结合更多水并仍能保持介电强度允许值。然而，水含量对介电强度的影响，作为饱和度的功能，天然酯和矿物油相同。表6给出供应商提供的不同规格矿物油和天然酯液的含水量限值。

Table 6. Water content limits specified in different Standards on Insulating Liquids [13, 14, 20, 23, 33].

表6 不同标准规定的绝缘液体含水量限值

8 氧化稳定性

碳-碳双键存在使绝缘液易氧化。与矿物油相比，天然酯中碳-碳双键多，更易氧化。氧化过程不可逆，在反应中氧气会消耗。天然酯液连续暴露氧气中，会产生复杂分子，轻微氧化会增加粘度和（或）产生如醇、醛、酸和酮等含氧副产品；天然酯连续暴露于氧气，会形成凝胶薄膜。为避免天然酯液在生产过程和操作过程中氧化，必须限制绝缘液在空气中的暴露。由于这个原因，酯液变压器需密封。大型变压器设计通常在油箱上部充氮气，或采用胶囊使绝缘液和外部空气隔离。表7提供矿物油和天然酯液体氧化稳定性的信息。

Table 7. Oxidation stability limits of different insulating liquids.

表7 不同绝缘液体的氧化稳定限值

基于以上原因，天然酯液浸式变压器在运输时有如下三种运输方式：

1） 完全充满绝缘液状态下运输；

2） 降低液面至覆盖铁心及绕组，上部空间充氮气或其它惰性气体并保持正压，添加绝缘液使用油罐运输；

3）变压器不充液，油箱内充氮气或其它惰性气体保持正压运输，绝缘液单独油罐发运。当预计运输及保存时间总天数不超过14天时，油箱内可以充入干燥空气，总天数在14天至6个月之间时，必须充入氮气或其它惰性气体，超过6个月未安装，变压器应必须充液至覆盖绕组的高度，上部充入惰性气体存放；充入惰性气体时，以充氮为例，要求氮气纯度应该在99.95%以上，含水量在≤3ppm，氧气含量≤5ppm，25℃下正压力应保持在0.15kgf/cm²至0.3kgf/cm²之间。

9 密度

绝缘液体的相对密度是在15℃时相当数量的液体和水的重量比。在某些严寒气候，设备暴露于0℃以下时，冰可能形成并漂浮在液体上面，其密度可能高于0.917。表8给出不同标准矿物油和天然酯液的相对密度限值。

Table 8. Relative density of different insulating liquids.

表8 不同绝缘液体的相对密度

10 倾点

倾点是指温度3℃以上流体在管内倾斜90℃时5s内不流动。绝缘液的倾点是一个重要属性，环境温度可以低于冰点。如油温低于绝缘液倾点，流动可能会停止，此时有载分接开关抽头转换器的运动可能会受到影响。表9比较不同标准下的倾点极限，并比较矿物油和天然酯类液体在低温条件下的表现。

Table 9. Pour point of different insulating liquids.

表9 不同绝缘液体的倾点

11 色谱分析

杂散气体是指绝缘油在相对低的温度下(90- 200 ℃)受热后形成的气体。表10给出不同故障条件下天然酯液和矿物油的适用性分析。天然酯处于相对较低的温度范围（80℃ -250℃）时，会挥发出大量杂散气体，如乙烷和氢气。变压器运行后，需观察一段时间（几周到几个月）。还能观察到杂散气体生成。在相同电压水平，相比于矿物油，天然酯在局部放电会生成较多的气体。

12 集中加热的影响

为去除绝缘件水分提高浸渍速率，在真空滤油之前先对变压器绝缘液加热。过度加热对绝缘液的介质损耗因数有不利影响。天然酯液体比矿物油具有较低的热极限来启动相变变化。在处理过程中，由于其较高粘度，天然酯液与矿物油相比，与加热元件接触时间更长。总之，这意味着可允许接触的最大功率密度比天然酯低。可能的解决方案是限制最大功率密度或加热量密度，最好使用板式加热器代替（增加受热面积和减少集中加热量）。表10表现，与矿物油相比超出天然酯临界加热量温度的影响。

Table 10. Effect of concentrated heat flux on transformer insulating oil.

表11 集中加热对变压器绝缘油的影响

13 变压器整体设计变化和挑战

表11解释与矿物油浸式变压器相比，天然酯液浸式变压器设计过程中可能包含的变化。表12提供天然酯液浸式变压器所需要纳入的整体设计变更。

Table 11. Transformer overall design challenges.

表11 变压器整体设计挑战

Table 12.  Transformer MVA rating and dimensional challenges.

表12 变压器容量和尺寸的挑战

14 绝缘纸板的水分扩散

纤维素绝缘中水分影响变压器绝缘系统的性能，如加速老化同时降低其介电强度。变压器正常运行期间，由于绝缘老化或大气中吸入水分的一些案例，水分迁移到液体周围。这种量子迁移取决于流体扩散系数和纸板。天然酯液的亲水性与矿物油相比，具有较高的水分扩散系数，这意味着天然酯液可以从纸板中吸取更多水分，这进一步解释天然酯液中的固体绝缘比矿物油干燥更快。

15 结论

考虑到环境污染、消防安全、健康危害风险和减少占地面积需求，天然酯液是下一代能够替代矿物油的绝缘液。天然酯在考虑环保、完全生物降解性和无毒性上远胜出矿物油，具备碳平衡的可持续特性。在对环境有利的方面，天然酯是具有变压器矿物油所需性能的绝缘液体。天然酯液证明是符合消防安全的高防火“K”类液体。天然酯水饱和极限很高，可以容纳更多的水。此外，由于吸湿性主要保存在液体中，而不是迁移到延长固体绝缘寿命的绝缘体中。天然酯氧化稳定性差，需要考虑特殊防护和油箱密封。天然酯DGA分析还显示氢气和乙烷等杂散气体。考虑到天然酯液的耐高温性能，采用高温绝缘材料可以使变压器更紧凑。第2部分的文件讨论介电绝缘设计，并总结出结论：无论是新设计或已投运的配电、电力变压器，天然酯液均能适用。

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