高燃點(diǎn)環(huán)保酯類油對(duì)變壓器散熱性能的影響因素分析及優(yōu)化方法

郭獻(xiàn)清，孫文藝，賀銀濤

（廣東明陽(yáng)電氣股份有限公司，廣東 中山 528451）

0 引言

隨著環(huán)境的惡化和人類環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，人們逐漸重視起因礦物質(zhì)絕緣油發(fā)生泄漏后造成的嚴(yán)重環(huán)境污染問題，相關(guān)研究表明，礦物質(zhì)絕緣油的生物降解率僅有30%左右，一旦礦物質(zhì)變壓器油發(fā)生泄漏，礦物質(zhì)絕緣油會(huì)長(zhǎng)期存留在土壤中，引發(fā)土壤結(jié)構(gòu)變化，與土壤內(nèi)部殘留的重金屬銅發(fā)生協(xié)同反應(yīng)還會(huì)引起復(fù)合污染的可能，會(huì)帶來更嚴(yán)重的惡性后果，同時(shí)影響植物生長(zhǎng)，危害人體健康。而且隨著石油資源的過度開發(fā)，終將面臨緊缺和枯竭等問題，因此，尋找一種可再生、理化及電氣性能良好的綠色環(huán)保絕緣油來逐步替代礦物質(zhì)絕緣油應(yīng)用于電力變壓器領(lǐng)域尤為重要。高燃點(diǎn)環(huán)保酯類油的原料來源于天然植物油料，屬于可再生資源，其生物降解率高達(dá)97%以上，不會(huì)對(duì)水源及土壤等造成污染，而且該酯類油的燃點(diǎn)高于300℃，有效地避免了因礦物質(zhì)絕緣油燃點(diǎn)低引發(fā)的起火爆炸事故，確保了電力變壓器的安全可靠運(yùn)行。但高燃點(diǎn)環(huán)保酯類絕緣油的分子量較大，主要是飽和脂肪酸、不飽和脂肪酸與甘油結(jié)合的產(chǎn)物，且其碳鏈均是由含16個(gè)C或18個(gè)C的直鏈烴構(gòu)成，凝點(diǎn)與碳鏈的長(zhǎng)度密切相關(guān)，碳鏈越長(zhǎng)凝點(diǎn)越高，低溫流動(dòng)性就越差，運(yùn)動(dòng)黏度也越大，高燃點(diǎn)環(huán)保酯類油變壓器的散熱效果也就越差。尤其在寒冷地區(qū)，當(dāng)切換備用變壓器、新變壓器投運(yùn)或舊變壓器大修后重新投運(yùn)時(shí)變壓器油就會(huì)面臨低溫狀況的考驗(yàn)，當(dāng)溫度下降時(shí)，高燃點(diǎn)環(huán)保酯類油相比礦物質(zhì)絕緣油更易發(fā)生凝固，導(dǎo)致變壓器瓦斯誤動(dòng)作，嚴(yán)重影響變壓器的正常運(yùn)行。因此，開展高燃點(diǎn)環(huán)保酯類油散熱性能的研究，掌握改善高燃點(diǎn)環(huán)保酯類油性能的措施，可以有效減少因黏度大、凝點(diǎn)高、絕緣油流動(dòng)性差造成的變壓器運(yùn)行故障等問題，對(duì)高燃點(diǎn)環(huán)保酯類油變壓器的安全可靠運(yùn)行具有重要意義。基于上述背景，本文首先分析了影響高燃點(diǎn)環(huán)保酯類油變壓器散熱性能的因素，其次對(duì)高燃點(diǎn)環(huán)保酯類油中溶解氣體種類進(jìn)行了分析，最后，闡述了改善高燃點(diǎn)環(huán)保酯類油變壓器散熱作用的措施，如降低傾點(diǎn)、化學(xué)改性、添加納米粒子、添加抗氧化劑、改善變壓器散熱結(jié)構(gòu)等。

1 黏度及凝點(diǎn)對(duì)變壓器油散熱作用的影響

對(duì)于大型變壓器而言，運(yùn)動(dòng)黏度是傳熱方面非常重要的變量，且油品黏度與溫度關(guān)系較大，黏度隨溫度升高而降低。因此很有必要研究油在不同溫度下的運(yùn)動(dòng)黏度。變壓器油作為絕緣和傳熱介質(zhì)，要求具有合適運(yùn)動(dòng)黏度以保證油品在長(zhǎng)期運(yùn)行中起到理想冷卻作用。此外，要具有合理低溫黏度以保證變壓器在停止運(yùn)行再啟動(dòng)時(shí)能安全工作。黏度過大影響傳熱，黏度過小降低工作安全性。張正淵等[1]在比對(duì)幾種主流的高燃點(diǎn)環(huán)保酯類油與礦物絕緣油的理化性能時(shí)發(fā)現(xiàn)，高燃點(diǎn)環(huán)保酯類油在40℃時(shí)的運(yùn)動(dòng)黏度為33～39 mm/s2，而礦物油僅為8～10 mm/s2。

由于運(yùn)動(dòng)黏度與散熱特性呈負(fù)相關(guān)性，因此高燃點(diǎn)環(huán)保酯類油的散熱表現(xiàn)上明顯存在不足。高燃點(diǎn)環(huán)保酯類油黏度較大、流速相對(duì)較低，將會(huì)延長(zhǎng)注油時(shí)間，其所需的絕緣浸漬時(shí)間也是礦物絕緣油的2倍。韋瑋等[2]在研究基于ANSYS的Fluent模塊的配電變壓器溫度場(chǎng)的仿真分析中發(fā)現(xiàn)，在同一個(gè)模型及熱源條件下，相對(duì)于礦物絕緣油，高燃點(diǎn)環(huán)保酯類油由于黏度較大，油流速度較慢，導(dǎo)致其變壓器內(nèi)部熱對(duì)流性差。

因此，分析并改善高燃點(diǎn)環(huán)保酯類油的黏度及凝點(diǎn)是變壓器散熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、運(yùn)行中重要的環(huán)節(jié)之一。王珊珊等[3]通過對(duì)完全冷凍后的高燃點(diǎn)環(huán)保酯類油變壓器進(jìn)行耐壓試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)表明，高燃點(diǎn)環(huán)保酯類油凝點(diǎn)高導(dǎo)致了在環(huán)境溫度低于-18～-20℃的情況有凝固現(xiàn)象，而我國(guó)部分地區(qū)常年處于低溫環(huán)境下，若不能有效改善高燃點(diǎn)環(huán)保酯類油的黏度及凝點(diǎn)性能，將會(huì)導(dǎo)致變壓器冷啟動(dòng)故障及輕瓦斯、重瓦斯誤動(dòng)等現(xiàn)象發(fā)生。

2 高燃點(diǎn)環(huán)保酯類油變壓器過熱故障判斷方法

隨著國(guó)內(nèi)高燃點(diǎn)環(huán)保酯類油變壓器投入運(yùn)行數(shù)量的增加以及電壓等級(jí)的提高，對(duì)于其狀態(tài)評(píng)估、故障預(yù)警及分析等工作更需要采取有效的監(jiān)測(cè)方法。高燃點(diǎn)環(huán)保酯類絕緣油不僅可以起到冷卻、保護(hù)、絕緣和滅弧作用，而且可以通過對(duì)絕緣油中溶解氣體的試驗(yàn)檢測(cè)來反映變壓器內(nèi)部運(yùn)行狀態(tài)。

目前應(yīng)用最普遍的高燃點(diǎn)環(huán)保酯類油主要為大豆油、菜籽油及葵花籽油等，其主要成分為甘油三酯，如圖1所示。酯類油在加熱時(shí)，酯鏈的烴類部分、酯和酸官能團(tuán)以及來自特定脂肪酸基團(tuán)的氧化產(chǎn)物均會(huì)受熱分解而產(chǎn)生氣體。相晨萌、尹惠等[4-5]研究了多種故障下天然酯油溶解氣體的特征參量，結(jié)果表明，C2H2和CH4可以作為區(qū)分熱故障、局部放電、低能放電以及高能放電的特征參量；CH4和C2H6對(duì)于區(qū)分熱故障、局部放電兩類故障效果較為顯著；C2H2和C2H4是區(qū)分低能放電、高能放電的特征氣體；H2和C2H4對(duì)于區(qū)分低溫?zé)峁收?、中溫?zé)峁收弦约案邷責(zé)峁收闲Ч罴?。蔡勝偉等[6-7]通過實(shí)驗(yàn)研究了高燃點(diǎn)環(huán)保酯類絕緣油和礦物油絕緣油在發(fā)生電擊穿故障后產(chǎn)生的特征氣體，結(jié)果表明，兩類絕緣油均會(huì)產(chǎn)生H2、CH4、C2H4、C2H6、C2H2、CO及CO2這7種特征氣體，且隨擊穿故障次數(shù)的增加，高燃點(diǎn)環(huán)保酯類油中溶解氣體總量呈增加趨勢(shì)。

因此，通過氣相色譜等檢測(cè)手段分析高燃點(diǎn)環(huán)保酯類油發(fā)生熱故障、局部放電、低能放電、高能放電故障下產(chǎn)生氣體的含量和種類，明確各故障下的特征氣體，有利于監(jiān)測(cè)高燃點(diǎn)環(huán)保酯類油變壓器的運(yùn)行狀態(tài)，預(yù)判和分析變壓器故障等，從而對(duì)變壓器的運(yùn)行、維護(hù)及檢修等制定合理的計(jì)劃，降低電網(wǎng)事故的發(fā)生。

3 改善高燃點(diǎn)環(huán)保酯類油變壓器散熱作用的措施

3.1 降低傾點(diǎn)

由于分子結(jié)構(gòu)的差異，高燃點(diǎn)環(huán)保酯類油傾點(diǎn)高于礦物絕緣油，而傾點(diǎn)越高，對(duì)應(yīng)的低溫流動(dòng)性就越差。我國(guó)北方大部分地區(qū)最低氣溫低于-20℃，但高燃點(diǎn)酯類油的傾點(diǎn)一般在-12～-14℃。在低溫環(huán)境下，高燃點(diǎn)環(huán)保酯類油中的甘油酯和蠟質(zhì)等物質(zhì)極易結(jié)晶凝固，增加天然酯油的運(yùn)動(dòng)黏度，使酯類油的流動(dòng)性能降低甚至喪失，無(wú)法保證高燃點(diǎn)環(huán)保酯類油變壓器在啟動(dòng)過程中的有效散熱，從而導(dǎo)致分解開關(guān)和油泵等機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)部件損壞等問題[8-9]。研究表明，高燃點(diǎn)環(huán)保酯類油與礦物絕緣油的混合可以有效改善酯類油的傾點(diǎn)和運(yùn)動(dòng)黏度，但是隨著礦物絕緣油占比的增加，其環(huán)保特性不但難以得到保障，而且會(huì)使混合油的閃點(diǎn)大幅下降，無(wú)法滿足國(guó)家能源局對(duì)高燃點(diǎn)環(huán)保酯類絕緣油的性能要求。研究人員研究了降凝劑對(duì)高燃點(diǎn)環(huán)保酯類油傾點(diǎn)的影響，結(jié)果表明，降凝劑--聚甲基丙烯酸和聚α烯烴可以在油凝固過程中抑制大晶體的形成，懸浮成核，改變晶體的大小和形成，共同結(jié)晶或多態(tài)性降低高燃點(diǎn)環(huán)保酯類油的傾點(diǎn)，但降凝劑的加入也會(huì)導(dǎo)致酯類油的閃點(diǎn)降低，因此，在添加降凝劑時(shí)要同時(shí)考慮對(duì)凝點(diǎn)及閃點(diǎn)的影響[10-12]。

3.2 化學(xué)改性

高燃點(diǎn)環(huán)保酯類油主要由甘油三酯和少量的類脂組成，其分子量相對(duì)較大，且油中存在著大量能與空氣快速發(fā)生氧化反應(yīng)的不飽和雙鍵，導(dǎo)致高燃點(diǎn)環(huán)保酯類油的氧化安定性劣于礦物質(zhì)油。另外，由于大分子直鏈烴間的相互作用，造成了高燃點(diǎn)環(huán)保酯類油的運(yùn)動(dòng)黏度大、凝點(diǎn)高，難以發(fā)揮高燃點(diǎn)環(huán)保酯類油的散熱作用。研究證實(shí)，通過改造酯類油的分子結(jié)構(gòu)，可以彌補(bǔ)高燃點(diǎn)環(huán)保酯類油的缺點(diǎn)。在化學(xué)改性方法中，采用酯交換法對(duì)甘油三酯分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，不僅可以有效降低高燃點(diǎn)環(huán)保酯類油運(yùn)動(dòng)黏度，而且該方法的轉(zhuǎn)化率高、反應(yīng)條件溫和、反應(yīng)速率快[13]，但是酯交換法在改善高燃點(diǎn)環(huán)保酯類油的流動(dòng)性同時(shí)，也會(huì)大幅降低酯類油的閃點(diǎn)、燃點(diǎn)，無(wú)法滿足部分變壓器對(duì)高防火性能的要求。酯交換反應(yīng)原理如圖2所示。

圖2 酯交換反應(yīng)原理

3.3 添加納米粒子

除了通過降低高燃點(diǎn)環(huán)保酯類油的運(yùn)動(dòng)黏度增大流動(dòng)速度從而達(dá)到為設(shè)備降溫的目的，也可以提高高燃點(diǎn)環(huán)保酯類油的導(dǎo)熱性能來彌補(bǔ)其散熱能力不足的缺點(diǎn)。當(dāng)物質(zhì)到達(dá)納米尺度后，其性能會(huì)發(fā)生巨大變化，表現(xiàn)出特殊的性能。納米改性技術(shù)因能提高傳統(tǒng)材料的導(dǎo)熱性能而得到廣泛應(yīng)用。目前對(duì)高燃點(diǎn)環(huán)保酯類油納米改性的研究主要包括制備方法、穩(wěn)定性、介電性能、工頻擊穿、擊穿機(jī)理以及導(dǎo)熱特性等方面。最常用的納米添加劑包括金屬和金屬氧化物。研究人員研究了經(jīng)納米改性后高燃點(diǎn)環(huán)保酯類油的各項(xiàng)性能，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，納米油的熱導(dǎo)率隨納米粒子體積分?jǐn)?shù)的增加而升高，且經(jīng)納米改性后的變壓器油的絕緣能力也會(huì)得到提高，因此，納米粒子的加入有助于提高變壓器的散熱效率，改善變壓器的過負(fù)荷能力[14-16]。

3.4 添加抗氧化劑

高燃點(diǎn)環(huán)保酯類油變壓器在運(yùn)行過程中，會(huì)受到油中溶解氣體、水分、電場(chǎng)及電弧、金屬雜質(zhì)顆粒等因素影響從而發(fā)生氧化、裂解等一系列化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)過程中產(chǎn)生的氧化產(chǎn)物會(huì)使得絕緣油的劣化程度加深，降低絕緣油的絕緣性能，同時(shí)在油中生成大量油泥，影響變壓器的散熱性能，甚至可能造成重大的設(shè)備和人身事故。研究表明，經(jīng)乙酯化的高燃點(diǎn)環(huán)保酯類油能夠顯著提高變壓器油的抗氧化性能，其發(fā)生反應(yīng)的作用機(jī)制如下所示：

式中：AH和A·分別為抗氧化劑和其自由基。

由上式所示，抗氧化劑可以將自身的氫原子提供該給該階段的自由基，進(jìn)而提高油脂的氧化穩(wěn)定性。當(dāng)抗氧化劑向R·或ROO·提供氫原子后，本身成為比脂肪自由基R·和過氧化自由基ROO·穩(wěn)定得多的自由基A·，因此，A·不會(huì)與油脂爭(zhēng)奪氫原子而引起油脂的劣化。除此之外，不同A·之間可以和ROO·發(fā)生有效碰撞形成穩(wěn)定的二聚體。其過程如下：

李孟強(qiáng)等[17]對(duì)比評(píng)價(jià)了4種不同抗氧化劑在高燃點(diǎn)環(huán)保酯類油中的作用及其適宜添加量，試驗(yàn)結(jié)果表明，抗氧化劑4，4’-亞甲基雙（2，6-二叔丁基苯酚）對(duì)高燃點(diǎn)環(huán)保酯類油的抗氧化性能的提升效果最好，且添加抗氧化劑后，高燃點(diǎn)環(huán)保酯類油擊穿電壓、開口閃點(diǎn)、體積電阻率均有不同程度的降低?？寡趸瘎?02添加量對(duì)大豆絕緣油理化和電氣性能的影響如圖3所示。

圖3 抗氧化劑702添加量對(duì)大豆絕緣油理化和電氣性能的影響

3.5 改善變壓器結(jié)構(gòu)

由于酯類油運(yùn)動(dòng)黏度高和吸濕性強(qiáng)，因此設(shè)計(jì)高燃點(diǎn)環(huán)保酯類油配電變壓器的核心問題是解決其他絕緣材料與酯類油耐熱性能匹配、如何提高散熱效果保證油面及熱點(diǎn)溫升不超標(biāo)、防止高燃點(diǎn)環(huán)保酯類油過度受潮以及抗短路能力。高燃點(diǎn)環(huán)保酯類油的運(yùn)動(dòng)黏度較大、冷卻能力差，導(dǎo)致高燃點(diǎn)環(huán)保酯類油在油道內(nèi)的流動(dòng)順暢性較差。對(duì)變壓器開展溫度場(chǎng)的建模分析，對(duì)變壓器油道寬度和翅片深度等結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，能夠顯著加強(qiáng)變壓器的散熱能力，提高高燃點(diǎn)環(huán)保酯類油高過載能力配電變壓器的運(yùn)行可靠性[18-20]。如圖4所示。

圖4 高燃點(diǎn)環(huán)保酯類油變壓器散熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

高燃點(diǎn)環(huán)保酯類油相比礦物質(zhì)絕緣油具有更高的燃點(diǎn)及閃點(diǎn)、安全防火性好，同時(shí)擁有優(yōu)異的生物降解能力，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的污染，具有良好的發(fā)展前景，但高燃點(diǎn)環(huán)保酯類油在傾點(diǎn)、黏度等方面均劣于礦物質(zhì)絕緣油，極大程度上增加了高燃點(diǎn)環(huán)保酯類油變壓器在設(shè)計(jì)、運(yùn)行方面的難度。因此，本文在分析影響高燃點(diǎn)環(huán)保酯類油散熱能力因素的基礎(chǔ)上，總結(jié)了幾種改善高燃點(diǎn)環(huán)保酯類油變壓器散熱性能的措施，主要結(jié)論如下。

（1）降低傾點(diǎn)、化學(xué)改性、添加抗氧化劑等方法雖可以明顯改善高燃點(diǎn)環(huán)保酯類油的散熱能力，但與此同時(shí)會(huì)不同程度降低絕緣油的閃點(diǎn)、燃點(diǎn)等，使防火性能下降，因此，探究適量的降凝劑、抗氧化劑含量等是改善高燃點(diǎn)環(huán)保酯類油性能的關(guān)鍵。

（2）除了改善變壓器結(jié)構(gòu)來增加散熱面積外，尤其在低溫環(huán)境下，應(yīng)要求變壓器帶載運(yùn)行前需空載運(yùn)行一段時(shí)間，以消除由于高燃點(diǎn)環(huán)保酯類油黏度大、凝點(diǎn)高造成的絕緣油凝固等現(xiàn)象，避免變壓器保護(hù)誤動(dòng)作。