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摘要：绝缘油在油浸式电力变压器的安全稳定运行方面扮演着至关重要的角色 。高燃点环保酯类油具有燃点 、 闪点高 、生物降解 性高 、可再生 、可延长变压器寿命等诸多优点， 成为矿物质绝缘油的绿色替代品 。但高燃点环保酯类油黏度大 、凝点高等特性会 对变压器散热能力产生一定影响， 尤其在低温环境下， 高燃点环保酯类油易凝固等特点会降低变压器油的散热能力和绝缘能力， 严重时将会导致变压器瓦斯保护误动作等 。 因此， 综述了影响高燃点环保酯类油变压器散热性能的因素， 总结了改善高燃点环保 酯类油散热性能的几种措施， 如降低倾点 、酯交换法 、添加纳米粒子和抗氧化剂以及改善变压器结构等方法 。研究成果能够为提 高高燃点环保酯类油性能 、优化变压器散热结构提供参考， 有助于变压器的安全平稳运行。
关键词：变压器； 高燃点环保酯类油； 散热； 改性； 结构优化
Heat Dissipation Performance Analysis and Improvement Measures of High Ignition Point Environmental Protection Ester Oil Transformer
Guo Xianqing， Sun Wenyi， He Yintao
(Guangdong Mingyang Electric Co., Ltd., Zhongshan, Guangdong 528451, China)
Abstract: Insulating oil plays an important role in the safe and stable operation of oil-immersed power transformer . High ignition point environmental protection ester oil has the advantages of high ignition point, high flash point, high biodegradability, renewable, can prolong the life of transformer and so on, becoming a green substitute of mineral insulation oil. But high ignition point environmental protection ester oil viscosity, high freezing point characteristics will have a certain impact on the heat dissipation capacity of the transformer , especially in low temperature environment, high ignition point environmental protection ester oil easy solidification and other characteristics will reduce the heat dissipation capacity and insulation capacity of the transformer oil, serious will lead to transformer gas protection misaction. Therefore, the factors affecting the heat dissipation performance of high ignition point environmental protection ester oil transformer were summarized , and several measures to improve the heat dissipation performance of high ignition point environmental protection ester oil transformer were summarized, such as reducing pour point, transesterification, adding nanoparticles and antioxidants, and improving the transformer structure. The research results can provide reference for improving the performance of high ignition point environmental protection esters and improving the heat dissipation structure of transformers, which is helpful for the safe and stable operation of transformers.
Key words: transformer; high ignition point environmental protection ester oil; heat dissipation; modification; structure optimization
0 引言
随着环境的恶化和人类环保意识的增强， 人们逐渐 重视起因矿物质绝缘油发生泄漏后造成的严重环境污染 问题， 相关研究表明， 矿物质绝缘油的生物降解率仅有 30% 左右， 一旦矿物质变压器油发生泄漏， 矿物质绝缘 油会长期存留在土壤中， 引发土壤结构变化， 与土壤内 部残留的重金属铜发生协同反应还会引起复合污染的可 能， 会带来更严重的恶性后果， 同时影响植物生长， 危 害人体健康 。而且随着石油资源的过度开发， 终将面临 紧缺和枯竭等问题， 因此， 寻找一种可再生 、理化及电 气性能良好的绿色环保绝缘油来逐步替代矿物质绝缘油应用于电力变压器领域尤为重要 。高燃点环保酯类油的 原料来源于天然植物油料， 属于可再生资源， 其生物降 解率高达 97 %以上， 不会对水源及土壤等造成污染， 而 且该酯类油的燃点高于 300 ℃， 有效地避免了因矿物质 绝缘油燃点低引发的起火爆炸事故， 确保了电力变压器 的安全可靠运行 。但高燃点环保酯类绝缘油的分子量较 大， 主要是饱和脂肪酸 、不饱和脂肪酸与甘油结合的产 物， 且其碳链均是由含 16 个 C 或 18 个 C 的直链烃构成， 凝点与碳链的长度密切相关， 碳链越长凝点越高， 低温 流动性就越差， 运动黏度也越大， 高燃点环保酯类油变 压器的散热效果也就越差 。尤其在寒冷地区， 当切换备用变压器 、新变压器投运或旧变压器大修后重新投运时 变压器油就会面临低温状况的考验， 当温度下降时， 高 燃点环保酯类油相比矿物质绝缘油更易发生凝固， 导致 变压器瓦斯误动作， 严重影响变压器的正常运行 。因此， 开展高燃点环保酯类油散热性能的研究， 掌握改善高燃 点环保酯类油性能的措施， 可以有效减少因黏度大 、凝 点高 、绝缘油流动性差造成的变压器运行故障等问题， 对高燃点环保酯类油变压器的安全可靠运行具有重要意 义 。基于上述背景， 本文首先分析了影响高燃点环保酯 类油变压器散热性能的因素， 其次对高燃点环保酯类油中 溶解气体种类进行了分析， 最后， 阐述了改善高燃点环保 酯类油变压器散热作用的措施， 如降低倾点 、化学改性、 添加纳米粒子 、添加抗氧化剂 、改善变压器散热结构等。
1 黏度及凝点对变压器油散热作用的影响
对于大型变压器而言， 运动黏度是传热方面非常重 要的变量， 且油品黏度与温度关系较大， 黏度随温度升 高而降低 。因此很有必要研究油在不同温度下的运动黏 度 。变压器油作为绝缘和传热介质， 要求具有合适运动 黏度以保证油品在长期运行中起到理想冷却作用 。此外， 要具有合理低温黏度以保证变压器在停止运行再启动时 能安全工作 。黏度过大影响传热， 黏度过小降低工作安 全性 。张正渊等[1]在比对几种主流的高燃点环保酯类油 与矿物绝缘油的理化性能时发现， 高燃点环保酯类油在 40 ℃ 时的运动黏度为 33 ~ 39 mm/s2， 而矿物油仅为 8 ~ 10 mm/s2。
由于运动黏度与散热特性呈负相关性， 因此高燃点 环保酯类油的散热表现上明显存在不足 。高燃点环保酯 类油黏度较大 、流速相对较低， 将会延长注油时间， 其 所需的绝缘浸渍时间也是矿物绝缘油的 2 倍 。韦玮等[2]在 研究基于 ANSYS 的 Fluent 模块的配电变压器温度场的仿 真分析中发现， 在同一个模型及热源条件下， 相对于矿 物绝缘油， 高燃点环保酯类油由于黏度较大， 油流速度较慢， 导致其变压器内部热对流性差。
因此， 分析并改善高燃点环保酯类油的黏度及凝点 是变压器散热结构的设计 、运行中重要的环节之一 。王 珊珊等[3]通过对完全冷冻后的高燃点环保酯类油变压器 进行耐压试验， 实验表明， 高燃点环保酯类油凝点高导 致了在环境温度低于- 18 ~ -20 ℃ 的情况有凝固现象， 而 我国部分地区常年处于低温环境下， 若不能有效改善高燃点环保酯类油的黏度及凝点性能， 将会导致变压器冷 启动故障及轻瓦斯 、重瓦斯误动等现象发生。
2 高燃点环保酯类油变压器过热故障判断方法
随着国内高燃点环保酯类油变压器投入运行数量的 增加以及电压等级的提高， 对于其状态评估 、故障预警及分析等工作更需要采取有效的监测方法 。高燃点环保 酯类绝缘油不仅可以起到冷却 、保护 、绝缘和灭弧作用， 而且可以通过对绝缘油中溶解气体的试验检测来反映变 压器内部运行状态。
目前应用最普遍的高燃点环保酯类油主要为大豆油 、菜籽油及葵花籽油等， 其主要成分为甘油三酯， 如图 1 所示 。酯类油在加热时， 酯链的烃类部分 、酯和酸官能团以及来自特定脂肪酸基团的氧化产物均会受热分解而产生气体 。相晨萌 、尹惠等[4-5]研究了多种故障下天然酯油 溶解气体的特征参量， 结果表明， C2H2 和 CH4 可以作为 区分热故障 、局部放电 、低能放电以及高能放电的特征 参量； CH4 和 C2H6 对于区分热故障 、局部放电两类故障 效果较为显著； C2H2 和 C2H4 是区分低能放电 、高能放电 的特征气体； H2 和 C2H4 对于区分低温热故障 、中温热故 障以及高温热故障效果最佳 。蔡胜伟等[6-7]通过实验研究 了高燃点环保酯类绝缘油和矿物油绝缘油在发生电击穿 故障后产生的特征气体， 结果表明， 两类绝缘油均会产 生 H2 、CH4 、C2H4 、C2H6 、C2H2 、CO 及 CO2 这 7 种特征气 体， 且随击穿故障次数的增加， 高燃点环保酯类油中溶 解气体总量呈增加趋势。
图 1 甘油三酯分子式
因此， 通过气相色谱等检测手段分析高燃点环保酯 类油发生热故障 、局部放电 、低能放电 、高能放电故障 下产生气体的含量和种类， 明确各故障下的特征气体， 有利于监测高燃点环保酯类油变压器的运行状态， 预判 和分析变压器故障等， 从而对变压器的运行 、维护及检 修等制定合理的计划， 降低电网事故的发生。
3 改善高燃点环保酯类油变压器散热作用的措施
3.1 降低倾点
由于分子结构的差异， 高燃点环保酯类油倾点高于 矿物绝缘油， 而倾点越高， 对应的低温流动性就越差 。 我国北方大部分地区最低气温低于-20 ℃， 但高燃点酯 类油的倾点一般在- 12~- 14 ℃ 。在低温环境下， 高燃点 环保酯类油中的甘油酯和蜡质等物质极易结晶凝固， 增 加天然酯油的运动黏度， 使酯类油的流动性能降低甚至 丧失， 无法保证高燃点环保酯类油变压器在启动过程中 的有效散热， 从而导致分解开关和油泵等机械转动部件 损坏等问题[8-9] 。研究表明， 高燃点环保酯类油与矿物绝 缘油的混合可以有效改善酯类油的倾点和运动黏度， 但 是随着矿物绝缘油占比的增加， 其环保特性不但难以得 到保障， 而且会使混合油的闪点大幅下降， 无法满足国 家能源局对高燃点环保酯类绝缘油的性能要求 。研究人员研究了降凝剂对高燃点环保酯类油倾点的影响， 结果 表明， 降凝剂--聚甲基丙烯酸和聚 α 烯烃可以在油凝固 过程中抑制大晶体的形成， 悬浮成核， 改变晶体的大小 和形成， 共同结晶或多态性降低高燃点环保酯类油的倾 点， 但降凝剂的加入也会导致酯类油的闪点降低， 因此， 在添加降凝剂时要同时考虑对凝点及闪点的影响[10- 12]。
3.2 化学改性
高燃点环保酯类油主要由甘油三酯和少量的类脂组成， 其分子量相对较大， 且油中存在着大量能与空气快 速发生氧化反应的不饱和双键， 导致高燃点环保酯类油 的氧化安定性劣于矿物质油 。另外， 由于大分子直链烃 间的相互作用， 造成了高燃点环保酯类油的运动黏度大、 凝点高， 难以发挥高燃点环保酯类油的散热作用 。研究 证实， 通过改造酯类油的分子结构， 可以弥补高燃点环 保酯类油的缺点 。在化学改性方法中， 采用酯交换法对 甘油三酯分子结构进行改造， 不仅可以有效降低高燃点 环保酯类油运动黏度， 而且该方法的转化率高 、反应条 件温和 、反应速率快[13]， 但是酯交换法在改善高燃点环 保酯类油的流动性同时， 也会大幅降低酯类油的闪点、 燃点， 无法满足部分变压器对高防火性能的要求 。酯交 换反应原理如图 2 所示。
图 2 酯交换反应原理
3.3 添加纳米粒子
除了通过降低高燃点环保酯类油的运动黏度增大流 动速度从而达到为设备降温的目的， 也可以提高高燃点 环保酯类油的导热性能来弥补其散热能力不足的缺点 。 当物质到达纳米尺度后， 其性能会发生巨大变化， 表现 出特殊的性能 。纳米改性技术因能提高传统材料的导热 性能而得到广泛应用 。 目前对高燃点环保酯类油纳米改 性的研究主要包括制备方法 、稳定性 、介电性能 、工频 击穿 、击穿机理以及导热特性等方面 。最常用的纳米添 加剂包括金属和金属氧化物 。研究人员研究了经纳米改 性后高燃点环保酯类油的各项性能， 结果发现， 纳米油 的热导率随纳米粒子体积分数的增加而升高， 且经纳米 改性后的变压器油的绝缘能力也会得到提高， 因此， 纳米粒子的加入有助于提高变压器的散热效率， 改善变压器的过负荷能力[14- 16]。
3.4 添加抗氧化剂
高燃点环保酯类油变压器在运行过程中， 会受到油中溶解气体 、水分 、电场及电弧 、金属杂质颗粒等因素 影响从而发生氧化 、裂解等一系列化学反应， 反应过程 中产生的氧化产物会使得绝缘油的劣化程度加深， 降低 绝缘油的绝缘性能， 同时在油中生成大量油泥， 影响变 压器的散热性能， 甚至可能造成重大的设备和人身事 故 。研究表明， 经乙酯化的高燃点环保酯类油能够显著 提高变压器油的抗氧化性能， 其发生反应的作用机制如 下所示：
ROO ∙ + RH → R ∙ + ROOH
R ∙ + AH → A ∙ + RH
ROO ∙ + AH → A ∙ + ROOH
式中： AH 和 A ·分别为抗氧化剂和其自由基。
由上式所示， 抗氧化剂可以将自身的氢原子提供该 给该阶段的自由基， 进而提高油脂的氧化稳定性 。当抗 氧化剂向 R · 或 ROO · 提供氢原子后， 本身成为比脂肪 自由基 R · 和过氧化自由基 ROO · 稳定得多的自由基 A ·， 因此， A · 不会与油脂争夺氢原子而引起油脂的劣化 。除此之外， 不同 A · 之间可以和 ROO · 发生有效碰 撞形成稳定的二聚体 。其过程如下：
A ∙ + A ∙ → A2 ( 4 )
A ∙ + ROO ∙ → ROOA ( 5 )
李孟强等[17]对比评价了 4种不同抗氧化剂在高燃点 环保酯类油中的作用及其适宜添加量， 试验结果表明， 抗氧化剂 4， 4’-亚甲基双 ( 2， 6-二叔丁基苯酚) 对高 燃点环保酯类油的抗氧化性能的提升效果最好， 且添加 抗氧化剂后， 高燃点环保酯类油击穿电压 、开口闪点、 体积电阻率均有不同程度的降低 。抗氧化剂 702 添加量 对大豆绝缘油理化和电气性能的影响如图 3 所示。
(a) 击穿电压 (b) 开口闪点
(c) 体积电阻率
图 3 抗氧化剂 702 添加量对大豆绝缘油理化和电气性能的影响
3.5 改善变压器结构
由于酯类油运动黏度高和吸湿性强， 因此设计高燃 点环保酯类油配电变压器的核心问题是解决其他绝缘材 料与酯类油耐热性能匹配 、如何提高散热效果保证油面 及热点温升不超标 、防止高燃点环保酯类油过度受潮以 及抗短路能力 。高燃点环保酯类油的运动黏度较大 、冷 却能力差， 导致高燃点环保酯类油在油道内的流动顺畅 性较差 。对变压器开展温度场的建模分析， 对变压器油 道宽度和翅片深度等结构进行优化， 能够显著加强变压 器的散热能力， 提高高燃点环保酯类油高过载能力配电 变压器的运行可靠性[18-20] 。如图 4 所示。
图 4 高燃点环保酯类油变压器散热结构优化前后对比
4 结束语
高燃点环保酯类油相比矿物质绝缘油具有更高的燃 点及闪点 、安全防火性好， 同时拥有优异的生物降解能 力， 不会对环境造成严重的污染， 具有良好的发展前景， 但高燃点环保酯类油在倾点 、黏度等方面均劣于矿物质 绝缘油， 极大程度上增加了高燃点环保酯类油变压器在 设计 、运行方面的难度 。因此， 本文在分析影响高燃点 环保酯类油散热能力因素的基础上， 总结了几种改善高 燃点环保酯类油变压器散热性能的措施， 主要结论如下。
( 1 ) 降低倾点 、化学改性 、添加抗氧化剂等方法虽 可以明显改善高燃点环保酯类油的散热能力， 但与此同 时会不同程度降低绝缘油的闪点 、燃点等， 使防火性能 下降， 因此， 探究适量的降凝剂 、抗氧化剂含量等是改 善高燃点环保酯类油性能的关键。
( 2 ) 除了改善变压器结构来增加散热面积外， 尤其 在低温环境下， 应要求变压器带载运行前需空载运行一 段时间， 以消除由于高燃点环保酯类油黏度大 、凝点高 造成的绝缘油凝固等现象， 避免变压器保护误动作。
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