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摘要：绝缘油是一种液体绝缘介质，被广泛应用于各种电气设备如变压器、断路器、互感器、套管等中，起到绝缘、冷却散热和灭弧的作用，为电气设备的安全运行提供了有效保障。随着可持续发展战略的提出，公众的环保意识也越来越高。目前，我国每年消耗的矿物绝缘油高达60万吨，由于矿物绝缘油降解性差、容易造成水体污染，废弃绝缘油中含有硫、磷、氯及重金属等有毒有害物质，对环境造成了不可计量的污染。与此同时，石油资源也日益枯竭，因此寻找一种环境友好、可再生的绝缘液体来代替矿物绝缘油是亟待解决的问题。
关键词：天然酯绝缘油；配电变压器；绝缘系统；温升；结构设计
引言
随着天然酯绝缘油在变压器行业的广泛应用。油品自身高燃点特性及油纸配合高温耐受特性得到行业的重点关注。特别是天然酯油纸绝缘系统与矿物油油纸绝缘系统的差异将直接影响变压器的负荷能力及寿命的变化。本文中笔者就天然酯绝缘油及高温纸绝缘系统下变压器热点温度及耐受高温情况进行对比，通过标准分析及机理分析，提出可满足天然酯变压器长期运行的油纸绝缘系统及天然酯绝缘油配电变压器的过负荷能力方案。
1天然酯绝缘油概述
天然酯绝缘油是指植物油脂通过添加抗氧化剂、抑菌剂等制备而成的绝缘油。源于天然油料作物的植物油，其主要成分为甘油三酸酯，即甘油与不同脂肪酸通过酯基链接而成，其分子量较大、闪点较高。通过转基因技术可以种植高产、高品质的油料作物，使植物油大规模生产天然酯绝缘油成为可能［3］。相较于矿物油，天然酯绝缘油具有燃点高、安全性强、可再生等优点，并且有着优异的可降解性，可在不慎发生泄漏时，使土壤中的代谢率可达97%，而矿物油则只有约1%。美国Cooper公司以菜籽油、大豆油等天然油脂为原料制备得到EnvirotempFＲ3天然酯绝缘油，其燃点高达300℃、自然降解率达到95%，该公司成功地推广了天然酯绝缘油大规模的商业化应用。以棉籽油、大豆油、菜籽油等植物油为原料，采用吸附、降酸、蒸馏工艺提高植物油的绝缘性能，并利用甲酯化法降低绝缘油的运动黏度，与美国FＲ3绝缘油和矿物绝缘油相比，其黏度分别降低70%和30%。为降低植物油运动黏度，以棕榈油为原料通过酯交换法制备得到棕榈油甲酯，并考察了其热稳定性能。棕榈油甲酯的起始分解温度相较于棕榈油的大幅降低，且热解活化能也相应降低。但是天然酯绝缘油稳定性较矿物绝缘油弱，尤其初始杂质是影响天然酯绝缘油稳定性的主要因素，包括水分、残留酸类物质以及生产过程中可能引入的金属离子等。天然酯绝缘油在生产、运输、存储和使用过程中不可避免会带入水分。通常，天然酯绝缘油与水分具有良好的亲和性，相较于其他杂质而言，水分对绝缘油的性能影响尤为突出。变压器在运行过程中会出现发热或放电现象，使得初始含水量对天然酯绝缘油的电气和化学指标造成影响，进而影响天然酯绝缘油的稳定性，最终表现为变压器安全运行的可靠性。
2天然酯油纸配合绝缘系统设计分析
2.1天然酯绝缘油配电变压器过负荷能力
矿物油配电变压器绝缘系统是按矿物油结合105级绝缘纸达到A级耐热等级的产品，更换矿物油为天然酯绝缘油后，根据图4纤维素基纸寿命/温度曲线（IEEE57.155）计算分析可得出，天然酯绝缘油配电变压器可提高长期运行负荷能力8%~10%。在相对寿命都为1时，纤维素基纸与矿物绝缘油相配合时纤维素基纸所能承受的长期热点温度为95.1℃，纤维素基纸与天然酯绝缘油相配合时纤维素基纸所能承受的长期热点温度为110.8℃。天然酯绝缘油变压器与矿物绝缘油变压器具有相同的寿命终点，但纤维素基纸在天然酯绝缘油中长期承受热点温度比矿物油高15.7℃。
2.2磁屏蔽改进方案
磁屏蔽结构改进方案2：油箱磁屏蔽竖直布置，在油箱侧壁上也放置磁屏蔽；厚度和距油箱壁距离同方案1。计算结果显示，油箱最大漏磁约为1.0T，最大涡流密度约为4.305×106A/m2。
磁屏蔽的材料、厚度、水平或竖直安装布置方式、磁屏蔽与油箱壁之间的距离等因素均可以影响油箱上的漏磁分布与涡流损耗大小。以磁屏蔽板厚度为例，若厚度不足，会导致一部分漏磁通过油箱壁闭合，其屏蔽效果就达不到预期；若厚度过大，磁屏蔽本身损耗会增加，同时造成材料成本、工艺难度以及变压器重量的增加，效率与经济性较差。在方案2的基础上，研究磁屏蔽与变压器油箱壁之间的距离分别为0mm、3mm、6mm；磁屏蔽厚度分别为10mm、13mm、15mm、18mm时，对油箱上涡流损耗的影响。
2.3天然酯绝缘油配电变压器容量降低
（1）变压器寿命主要取决于绝缘纸的寿命。在热点温度相同的110℃下，矿物油与热改性牛皮纸相配合绝缘系统的相对材料寿命为1，而天然酯绝缘油与热改性牛皮纸纸相配合绝缘系统的相对材料寿命为7.398，充分体现了天然酯可延长绝缘纸寿命从而延长变压器寿命的特性。在天然酯变压器设计时，可将设计容量设在额定容量的90%，通过天然酯与纤维素纸绝缘系统寿命折算为与常规矿物油变压器绝缘系统相同寿命，实现降低变压器容量，提升变压器长期运行负荷能力，满足电网需求。
3天然酯绝缘油配电变压器设计改进措施
3.1夹件上漏磁分布
夹件处于绕组端部，紧靠铁轭，属于高漏磁区域，应尽量选择低磁钢或低合金钢板，必要时可在夹件涡流密度较集中区域进行开槽处理，降低其损耗密度，防止局部过热。根据初始方案进行计算，获得夹件涡流损耗集中区域，在夹件托板上均开2个槽，宽10mm，间距100mm，槽长80mm；进行重新计算，如图4所示。结果显示最大涡流密度由4.21×106A/m2降为3.948×106A/m2，上、下夹件的涡流损耗分别降为3.4kW和2.8kW，较未开槽前降低了30%左右。
3.2红外光谱分析
为了进一步验证水分对天然酯绝缘油的影响，文章选取含水量为100mg/kg的天然酯绝缘油为研究对象，考察其在经过热测试和电击测试后的表面官能团变化。当天然酯绝缘油中掺混水分后，在3430cm–1出现明显的OH伸缩振动峰。此外，双键中CH轴向变形振动（3009cm－1）、CH对称变形振动（2923cm－1）、亚甲基CH对称变形振动（2853cm－1）、酯基中CO轴向变形振动（1742cm－1）、COC非对称伸缩振动（1362cm–1）、CO伸缩振动（1166cm－1），这与天然油脂的红外谱图一致。
结束语
天然酯绝缘油虽具有优异的生物降解性，但是在精炼处理后还不能达到使用条件，需要对其进行改性处理。目前已商业化的天然酯绝缘油均是通过添加各种添加剂来达到使用要求。虽然通过化学改性、纳米改性及混合改性有望提高天然酯绝缘油的使用性能，但还需要进一步的研究
参考文献：
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