天然酯變壓器在延安黃河引水工程中的應(yīng)用

胡 宇，郭宇光，郭 琳

（陜西省水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710001）

0 引言

延安黃河引水工程是以黃河和清澗河為水源，經(jīng)多級(jí)加壓，雙庫調(diào)節(jié)，向延安市城區(qū)和延長、延川、子長、清澗4縣城及延川縣永坪鎮(zhèn)生活和工業(yè)園區(qū)供水的長距離引水工程。

工程共設(shè)9座泵站、3座凈水廠及2座水庫等水工建筑物，9座泵站安裝水泵電動(dòng)機(jī)組71臺(tái)套，總裝機(jī)功率48144 kW，運(yùn)行電機(jī)功率34871 kW，備用電機(jī)功率13273 kW。其中黃延線引水線路布設(shè)泵站6座，安裝水泵電動(dòng)機(jī)組52臺(tái)套，裝機(jī)功率38678 kW。

黃延線共設(shè)計(jì)10臺(tái)35 kV雙圈有載調(diào)壓變壓器，單臺(tái)最大容量為10000 kVA。

天然酯絕緣油，又稱植物絕緣油或天然酯，源于天然油料作物，甘油三酯為其主要成分。天然酯的分子中含有酯鍵，分子量高于傳統(tǒng)礦物油。相較礦物油，天然酯絕緣油環(huán)保性好，經(jīng)口無毒性，對水生動(dòng)物無毒性，28天內(nèi)生物降解度可達(dá)98%以上（遠(yuǎn)超傳統(tǒng)礦物油）。此外，天然酯絕緣油的燃點(diǎn)可達(dá)350℃以上（礦物絕緣油的燃點(diǎn)約為160℃）[1]。尤為關(guān)鍵的是，天然酯絕緣油對水分的溶解吸收能力較強(qiáng)，亦可與水發(fā)生水解反應(yīng)，并能在絕緣紙表面形成酯化保護(hù)膜，這些均能降低油浸絕緣紙中的水分含量，進(jìn)而可延長變壓器絕緣紙的使用壽命5～8倍（根據(jù)IEC 62770標(biāo)準(zhǔn)附錄計(jì)算）。因此天然酯絕緣油可作為一種具有很大潛力的環(huán)保型絕緣液體介質(zhì)。

延安黃河引水工程對于項(xiàng)目所在地環(huán)保要求非常嚴(yán)格，不能因?yàn)樵O(shè)備絕緣油泄漏造成水源地的污染，針對此情況，在對天然酯及天然酯變壓器進(jìn)行充分實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，延安黃河引水工程35 kV主變最終選擇使用天然酯絕緣油變壓器。

1 天然酯試驗(yàn)

本項(xiàng)目采用RAPO天然酯絕緣油。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)IEC 62770及DL/T 1360[2]的規(guī)定，針對項(xiàng)目選用的絕緣油進(jìn)行了全面的理化電氣特性試驗(yàn)。并根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)對數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析得出結(jié)論。綜合試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示，由表可見，項(xiàng)目所選用天然酯的介損約為標(biāo)準(zhǔn)值的1/5、擊穿電壓超過標(biāo)準(zhǔn)要求值的2倍，其余理化參數(shù)也遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)要求，從而本項(xiàng)目所采用的國產(chǎn)天然酯絕緣油完全滿足IEC 62770及DL/T 1360標(biāo)準(zhǔn)的要求。

表1 國產(chǎn)天然酯絕緣油典型參數(shù)

依據(jù)規(guī)范GB/T 21757[3]，針對天然酯絕緣油進(jìn)行環(huán)保特性驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，即急性經(jīng)口毒性測試。該實(shí)驗(yàn)中，三只小白鼠分別口服標(biāo)準(zhǔn)中所規(guī)定的最大劑量絕緣油，由此驗(yàn)證其經(jīng)口毒性。結(jié)果表明，小白鼠無一死亡。與此同時(shí)，依據(jù)規(guī)范GB/T 27861[4]進(jìn)行魚類急性毒性實(shí)驗(yàn)，即：采用3種魚類（斑馬魚、鯉魚、鯽魚）進(jìn)行規(guī)定時(shí)間內(nèi)的測試。結(jié)果表明，96小時(shí)實(shí)驗(yàn)時(shí)間內(nèi)無一死亡。這說明，天然酯絕緣油對水生動(dòng)物無毒性。

此外，天然酯也存在如運(yùn)動(dòng)粘度較礦物油高，傾點(diǎn)較礦物油高等問題。因而，本項(xiàng)目針對于此，對變壓器進(jìn)行了散熱結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)，并對天然酯變壓器在低溫下冷啟動(dòng)問題進(jìn)行跟蹤分析。

2 天然酯變壓器設(shè)計(jì)

與傳統(tǒng)礦物油變壓器相比，天然酯變壓器設(shè)計(jì)更關(guān)注結(jié)構(gòu)的散熱問題，這主要是歸因于天然酯的運(yùn)動(dòng)粘度遠(yuǎn)大于礦物油（接近于礦物絕緣油的4倍）。盡管天然酯的熱導(dǎo)率高于礦物油，但仍無法抵消較高粘度對散熱所帶來的不良影響。因此，相較于傳統(tǒng)礦物油變壓器，天然酯變壓器需著重改良其散熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，以滿足規(guī)范對變壓器溫升的要求。

本項(xiàng)目針對天然酯絕緣油粘度較高，散熱較差的問題，對其進(jìn)行針對性的特殊設(shè)計(jì)，主要措施為增加油道寬度和擴(kuò)大儲(chǔ)油柜至油箱本體的管徑等，該特殊設(shè)計(jì)的天然酯變壓器，其溫升滿足規(guī)范GB 1094.2[5]的要求。溫升及其他部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。由表可見，該變壓器滿足規(guī)范GB/T 6451[7]要求。

表2 天然酯變壓器出廠檢測結(jié)果

3 天然酯變壓器運(yùn)行測試

天然酯變壓器的運(yùn)行維護(hù)基本類似于礦物油變壓器，其具體規(guī)定參考國家電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)Q/GDW 11659[6]《天然酯絕緣油配電變壓器技術(shù)導(dǎo)則》中的要求。本項(xiàng)目所涉及的天然酯變壓器應(yīng)用場所在延安延川，冬季氣候寒冷，極端低溫達(dá)-25.1℃。但天然酯長期應(yīng)用于-18℃以下即會(huì)產(chǎn)生凝結(jié)，具體測試結(jié)果如表4所示。

依據(jù)表3的數(shù)據(jù)結(jié)果，當(dāng)室外溫度長期維持在-18℃以下時(shí)，變壓器冷啟動(dòng)時(shí)需考慮其環(huán)境溫度的因素。針對這一情況，要求變壓器帶負(fù)荷運(yùn)行前首先對變壓器空載運(yùn)行，之后逐步增加負(fù)載，使得變壓器溫度逐步提高，進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)。也就是說，變壓器空載一段時(shí)間后方可達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，在此期間，天然酯油溫與外界溫度存在差值，那么變壓器空載運(yùn)行多久后才可達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，針對該問題，本項(xiàng)目對變壓器的空載運(yùn)行油溫進(jìn)行了一系列的監(jiān)測，結(jié)果如表4所示。

表3 天然酯絕緣油長期冷特性試驗(yàn)結(jié)果表

表4 天然酯變壓器運(yùn)行溫度

由表4可見，天然酯變壓器的油溫隨環(huán)境溫度變化而變化。當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到極高值10℃時(shí)，油溫約低于外界溫度4℃；當(dāng)外界溫度達(dá)到極低-10℃時(shí)，油溫約高于外界氣溫4℃。在外界溫度在-10～＋10區(qū)間內(nèi)，變壓器經(jīng)空載運(yùn)行約12小時(shí)后，其油溫基本達(dá)到穩(wěn)定值，即：約高于外界溫度25℃。由此可推斷，當(dāng)延川縣達(dá)到極限低溫-20℃時(shí)，變壓器經(jīng)充分空載運(yùn)行，其油溫高于0℃。不存在天然酯凝結(jié)的風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)論

首先對本項(xiàng)目所選用的天然酯進(jìn)行了一系列試驗(yàn)，通過對試驗(yàn)數(shù)據(jù)與IEC 62770標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對比，滿足規(guī)范的各項(xiàng)技術(shù)要求。其次對變壓器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化，通過對天然酯變壓器出廠驗(yàn)收測試，本項(xiàng)目天然酯變壓器各項(xiàng)參數(shù)滿足國家規(guī)范要求。具體結(jié)論如下：

1）天然酯絕緣油與傳統(tǒng)礦物油相比較有其突出的特點(diǎn)：28天內(nèi)生物降解度可達(dá)98%以上（遠(yuǎn)超傳統(tǒng)礦物油）。此外，天然酯絕緣油的燃點(diǎn)可達(dá)350℃以上（礦物絕緣油的燃點(diǎn)約為160℃）。天然酯可與水發(fā)生水解反應(yīng)，并能在絕緣紙表面形成酯化保護(hù)膜，能降低油浸絕緣紙中的水分含量，延長變壓器絕緣紙的使用壽命5～8倍。

2）國內(nèi)已具備成熟的絕緣油生產(chǎn)能力，延安黃河引水工程所選用天然酯各項(xiàng)性能參數(shù)全部符合規(guī)范規(guī)定。且本項(xiàng)目所選天然酯無毒性，滿足水源地對環(huán)保的各項(xiàng)要求。

3）由于天然酯運(yùn)動(dòng)粘度約為礦物油的4倍，對變壓器散熱造成不利影響，通過增加油道寬度和擴(kuò)大儲(chǔ)油柜至油箱本體的管徑兩個(gè)方面的改良設(shè)計(jì)。解決了變壓器溫升問題，最終通過全部的驗(yàn)收實(shí)驗(yàn)，滿足規(guī)范GB/T 6451[14]及設(shè)計(jì)要求，現(xiàn)場運(yùn)行良好。

4）延安黃河引水工程所在地冬季氣候寒冷，極端低溫達(dá)-25.1℃。本項(xiàng)目所采用天然酯長期應(yīng)用于-18℃以下即會(huì)凝結(jié)，針對此情況，要求變壓器帶載運(yùn)行前需空載運(yùn)行一段時(shí)間，以消除此問題。