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1 变压器油的性能特点
根据基础油的来源,变压器油主要可分为矿物油变压器油、植物油变压器油、硅油变压器油和合成酯变压器油四大类。目前,常用的变压器油主要是矿物油变压器油,占据了95%以上的市场份额。植物油变压器油、硅油变压器油和合成酯变压器油用量小。
1.1矿物油变压器油
矿物油变压器油以其优良的电性能和热性能,在油浸式变压器中的应用已有近百年的历史。由于产量大、质量好、技术经济指标优越,一直是超高压、特高压电力变压器的理想变压器油。矿物油变压器油主要由环烷基础油和石蜡基础油加工而成。从分子结构上看,它包括直链烷烃、异烷烃、环烷烃和芳烃,它们在变压器油中起着不同的作用。
直链烷烃凝固点高,在高压场下易产氢。考虑到经济性和性能指标,直链烷烃一般不直接用于生产变压器油;异烷烃闪点高于170℃,凝固点低,酸值低(小于0.001mg/g),氧化安定性好,发气量适中,适用于变压器油;环烷烃凝固点低,闪点也低,发气量适中,能满足变压器油的电性能要求;芳烃中的单环芳烃具有良好的析气性,可用于超高压变压器油中。多环芳烃和多环芳烃氧化安定性差,影响人体健康,应从变压器油中去除。矿物油变压器油的理想成分是异链烷烃、环烷烃和少量的单环芳烃。
虽然矿物油变压器油仍然是使用最多的变压器油,但在使用过程中仍然存在很多问题。首先,矿物油变压器油的闪点低(一般低于140℃),变压器电弧的高温作用会引起快速分解、气化和跳火,造成燃烧事故;其次,矿物油变压器油不可再生,难以生物降解,一旦泄漏容易污染环境。因此,寻求变压器油替代矿物油变压器油已成为当前变压器油开发的主要课题。
1.2植物油变压器油
植物油变压器油是以天然油料作物为原料,经压榨、精炼、改性而成。具有燃点高、电性能好、原料来源广泛、可再生、可生物降解等优点。目前,中国、美国、日本和欧洲都开始用植物油变压器油替代矿物油变压器油。
2014年,我国Sw-10000/35植物油变压器油在国家变压器质检中心通过包括短路试验在内的全部检测,标志着我国变压器油进入了一个新的发展阶段。
植物油的主要成分是甘油三酯,不同植物油含量较高的植物油是制备植物油变压器油的较好选择。所含脂肪酸的种类和含量差异很大。考虑到变压器,表1列出了国内外几种植物油变压器油和矿物油的抗氧化性能和低温流动性,以及含有单不饱和脂肪酸的变压器油的典型性能比较。
在安全方面,植物油变压器油的燃点一般超过300℃,远高于矿物油变压器油;在散热方面,植物油变压器油的运动粘度比矿物油变压器油高,散热性能较差,但植物油变压器油的导热系数更高,可以在一定程度上弥补运动粘度高带来的缺陷;植物油变压器油中的甘油三酯易水解,故酸价高;植物油变压器油的凝固点高于矿物油变压器油,但植物油变压器油的低温性能可以通过选用脂肪酸饱和度较低的植物油和添加降凝剂来提高;
虽然植物油变压器油较矿物油变压器油具有一定优势,但植物油变压器油在应用中还存在一些问题,主要体现在:
(1)价格较高,约为矿物油变压器油的3~4倍;
(2)油品性能指标不统一,相应标准少;
(3)介质损耗因数、含水量、运动粘度均高于矿物油变压器油;
(4)有氧化、凝胶现象;
(5)植物油变压器油运行维护经验少,工艺尚不完善。这些问题制约了植物油变压器油的推广和使用。开发植物油变压器油的关键是通过化学改性进一步降低植物油变压器油的粘度、凝固点和介电损耗,并开发复合添加剂。
1.3硅油变压器油
随着环保要求的提高,硅油变压器油在35kV以下小容量变压器中替代传统变压器油成为趋势。硅油变压器油不仅具有优良的电绝缘性能,而且具有燃点高、倾点低、粘度随温度变化小等优点。
硅油变压器油的粘度是矿物油变压器油的两倍以上,会影响变压器的散热。但硅油变压器油的冷热油密度差比矿物油变压器油大,可以加快变压器内的热虹吸对流速度,部分弥补了硅油变压器粘度高的缺点油。与矿物油变压器油相比,硅油变压器油具有优良的电绝缘性能、低介质损耗、大体积电阻率、高电气强度和良好的运行安全性。但硅油变压器油对局部放电或击穿的分解产物敏感,对电火花的稳定性较低。而且,在击穿电压的反复作用下,绝缘强度会降低。因此,硅油变压器油一般用于容量在35kV以下的变压器,工作温度不宜过高。
1.4合成酯变压器油
合成酯变压器油在消防安全和环保方面越来越被人们所接受。
多元醇酯基础油主要用作合成酯变压器油,其特点是生物降解性好,可在较短时间内被活性微生物(细菌)降解为二氧化碳和水。对环境无害,特别适用于海上风电场等环境要求高的领域。
合成酯变压器油极性强,对水分子的亲和力强,但即使在含水量高的情况下,合成酯变压器油仍能保持较高的击穿电压,抗湿性比矿物油变压器油和硅油强变压器油;此外,氧化试验表明,合成酯变压器油的氧化诱导期(421 min)比矿物油变压器油(300 min)长,氧化安定性更好。