MIDEL合成脂绝缘油的性能特征及与浇注树脂和矿物油等

关于地下厂房大型水电站 500KV 主变压器运行安全性及降低事故危害的探讨 2010 年 2 月 1 关于地下厂房大型水电站 500KV 主变压器运行安全性及降低事故危害的探讨 清华大学电力系统国家重点实验室 兼职正研究员 李基成 摘要 本文论述了在地下厂房大型水电站中采用矿物油的 500KV 主变压器运 行的安全性及降低事故危害后果的探讨 文中提出了开发以合成酯绝缘液代替 矿物油可使 500KV 主变压器事故的危害性大大降低 关键词 合成酯 天然酯 防火性 耐湿性 阻燃性 2 目 录 1 问题的提出 2 MIDEL 7131 合成酯绝缘液的基本参数及性能特性 3 采用合成酯绝缘液替代矿物油的可行性及性能对比 3 1 防火性 3 1 1 燃烧盘试验 3 1 2 破坏性模拟试验 3 1 3 烟和废气 3 2 抗氧化性 3 3 耐湿性 3 3 1 耐湿性对比 3 3 2 水分对变压器使用寿命的影响 3 4 矿物油变压器绝缘液的注换 3 5 注换合成酯变压器的运行维护及监测 3 6 MIDEL 合成酯绝缘液变压器的应用实例 4 结语 参考文献 1 1 1 问题的提出问题的提出 当时代进入 21 世纪以来 中国的水电建设事业正经历着前所未有的蓬勃发 展阶段 一大批以三峡水电站 700MW 容量级为代表的水电机组正陆续投入了 运行 在这些水电站的建设中具有显著的特征是 大部分水电站布置为地下厂房 结构 而发电机 500KV 主变压器均采用矿物油 在表 1 中示出了国内部分地下 厂房水电站的统计表 表表 1 部分地下厂房水电站水电机组统计表部分地下厂房水电站水电机组统计表 水电站名称水电站名称机组容量机组容量台数台数 三峡7006 向家坝8008 溪洛渡70018 龙滩7009 二滩5506 锦屏一级6006 锦屏二级6008 官地6004 瀑布沟6005 拉西瓦7005 金安桥6004 构皮滩5506 长河坝6504 大岗山6504 由表 1 可看出 在不完全统计的近百台大型水电机组中装于地下厂房中的 主变压器均采用矿物油作为绝缘介质 由此引发出对地下厂房大型水电机组防 火安全方面的思考 如何保证应用低燃点的矿物油在运行中的安全 可靠性 通常的措施是在主变压器中加装在线故障监测装置 虽然如此 事实上在应用矿物油作为绝缘介质的超高压变压器中 不论在 国内外 由于电气短路故障引发的爆炸燃烧事故仍是不乏其例的 例如在国外 2 2004 年在西班牙马德里发生的矿物油配电变压器爆炸事故 图 1 近年在越南 发生的 500KV 变压器爆炸事故 图 2 等 在我国超高压 500KV 级矿物油变 压器爆炸事例亦多次发生 例如在武汉青山 500KV 变电站变压器 图 3 以及 河北 500KV 变压器的变压器 均曾发生因电气故障引发变压器爆炸的事故 此 外这类事故在 图图 1 2004 年西班牙马德里变电站矿物油变压器发生的爆炸燃烧事故年西班牙马德里变电站矿物油变压器发生的爆炸燃烧事故 图图 2 2 越南越南 500KV500KV 变电站变压器爆炸燃烧事故变电站变压器爆炸燃烧事故 3 图图 3 武汉青山武汉青山 500KV 变电站变压器爆炸燃烧事故变电站变压器爆炸燃烧事故 我国核电站的 500KV 主变压器中亦有所发生 基于上述事实 在本文中试探性的对提高地下厂房大型水电机组主变压器 的运行安全性的专题作一前瞻性的探讨 并期望此专题能在电网 电站和电力 系统安全研究等有关部门引起更深层次的重视与共鸣 2 2 MIDELMIDEL 71317131 合成酯绝缘液 合成酯绝缘液 SyntheticSynthetic esterester 的基本参数及性能特征 的基本参数及性能特征 1 3 1 3 自 19 世纪 80 年代变压器问世以来 其绝缘冷却方式一直是工程界关心的 课题 传统的油浸变压器多使用矿物油 虽然矿物油兼具有良好的电气绝缘和 冷却性能以及低廉的成本等优点 但是 其不足之处在于其燃点低 不能满足 高防火性能以及环保特性的要求 为此 在其后一段时期中 在中小容量等级 的变压器中 树脂浇注的变压器几乎成为矿物油绝缘默认的替代品 其后 在 20 世纪 70 年开发研究了合成酯类绝缘液 为电力变压器绝缘方 式的选择提供了一条新的思路 起初作为 Askarel 多氯联苯 PCB 替代品的合成 酯绝缘液至今已成功应用了近 40 年 特别是在涉及到变压器安全防火以及环保 方面越来越为人们所接受 鉴于合成酯对环境的广泛适应性 可生物降解对水生物无副作用 具有高 燃点和低温倾点和优异的电气性能 其应用近期内已拓展到可再生能源系统如 风能和近海风力发电场以及近海油田产业领域中 在图 4 中示出了合成酯绝缘 液的简要发展历程 4 1976 1978 1980 1990 1992 1995 2000 2003 2006 2009 2010 合成酯开始问世 第一台合成酯用于配电变压器 代替代 PCB 产品 德国开始应用合成酯注换 并规定新变压器中应用合成酯 IEC 发布 61099 合成酯标准 约旦规定所有公共事业所有新变压器中应用合成酯 瑞典地下厂房变电站与 230KV 电力变压器应用合成酯 在小安装空间及风电高温变压器领域中获得广泛地应用 国内开始探讨应用合成酯 国内准备试制应用在陆上或海上与 3 6MW 风电机组配套 的 MIDEL 合成酯液风机变压器样机 年代 图图 4 合成酯绝缘液的发展历程合成酯绝缘液的发展历程 在本文中将对由英国 M I 公司所生产的 MIDEL 7131 合成酯绝缘液的性能 特征 技术参数及作为矿物油防火 安全的替代品等问题作一简要的论述 2 1 MIDEL 7131 合成酯绝缘液的基本参数及特性 MIDEL 7131 是一种用于变压器以及电力设备的合成酯绝缘液 MIDEL 7131 符合 IEC 61099 1992 电工用途的新合成有机酯规范 并被归为 T1 类型 即一种无卤素季戊四醇酯 MIDEL 合成酯绝缘液的特性如表 2 所示 表 2 中给出的参数为典型值 表表 2 MIDEL 合成酯绝缘液的基本参数 根据合成酯绝缘液的基本参数 根据 IEC61099 及及 DIN VDE0375 特性测试方法要求值合成酯值单位 物理特性 根据物理特性 根据IEC 61099 颜色 ISO 2211 最大200 125 HU 外观 IEC 61099 9 2 干净 无悬浮物质 以及无沉淀物 干净 无悬浮物质 以及无沉淀物 20 C时的密度 ISO 3675 最大1 00 0 97 kg dm 3 40 C时的运动粘度 ISO3104最大35 0 28 mm 2 s 20 C时的运动粘度最大 30001400 mm 2 s 闪点 ISO 2719 最小 250 275 C 燃点 ISO 2592 最小 300 322 C 20 C时的折射率 ISO 5661 厂商提供值的 0 01 1 4555 倾点 ISO 3016 最大 45 60 C 结晶 IEC 61099 9 9 无结晶 无结晶 20 C时MIDEL 7131 中的音速 1385 m s 化学特性 根据化学特性 根据IEC 61099 水含量 IEC 60814 最大200 50 mg kg 中和 IEC 61099 9 11 最大0 03 0 03 mg KOH g 氧化稳定性能 酸性物质总含量 污泥总含量 IEC 61125 最大0 3 最大0 01 0 01 0 mg KOH g 质量 5 低热值 ASTM D 240 0275 kV 90 C50Hz下绝缘 体的介质损耗因数 Tan IEC 60247 最大0 03 50 Gohm m 合成酯除具有表 2 所示的符合 IEC61099 1992 标准规定的特性外 MIDEL 7131 还具有如下优越特性 1 具有易于生物分解的生物协调性 被联邦德国环境署 UBA 认定为 对水质无危害 类环保产品 不会影响生物污水处理厂活性污泥的降解过程 2 具有低热膨胀系数和具有矿物油相当的导热特性 3 卓越的绝缘特性 高击穿电压强度 绝缘特性受湿度影响较小 4 高阻燃特性 燃点达 322 MIDEL 7131 更为卓著的是其非常优良的流动特性 MIDEL 7131 可与传统 变压器结构中使用的任何绝缘材料相兼容 并且对绝缘材料无腐蚀性 MIDEL 7131 可直接更换取代用于配电变压噐的 PCB 多氯联苯 或矿物油 MIDEL 7131 的热特性 冷却性能以及电气特性均与矿物油对应的特性相同 为此确保了在用 MIDEL 7131 油更换时无须对变压器的设计作任何变动 也不 会降低变压器的额定值 在表 3 中示出了 MIDEL7131 在用于不同温度时的热特性 表表 3 MIDEL7131 热特性热特性 温度温度 比热比热 J kg K 热导率热导率 W m K 密度密度 Kg m3 热膨胀系数热膨胀系数 K 运动粘度运动粘度 mm2 s 绝对粘度绝对粘度 mP as 普朗特数普朗特数 3017830 14510070 000724200422952002 2017970 14510000 000731400140017350 1018110 1459920 00074430427 5333 018300 1459850 00074240236 2978 1018550 1459780 000751251221561 2018800 1449700 000757068 888 3019100 1449630 000764341 544 6 4019330 1439560 000772827 365 5019590 1429480 0007719 518 5 255 6019940 1419410 000781413 2 187 7020060 1409340 0007810 59 8 140 8020230 1399260 0007987 4 108 9020400 1379190 000796 56 0 89 10020580 1369120 000805 254 8 73 由表 3 可看出 MIDEL 合成酯液的粘度随温度上升而下降 在正常运行温 度下 可显著下降到极小值 3 3 采用合成酯绝缘液替代矿物油的可行性及性能对比采用合成酯绝缘液替代矿物油的可行性及性能对比 在大多数变压器设备中 矿物油是一种可以接受的 经济的绝缘油 但在 一些必须重点考虑防火和环保性能的设备中 酯类将是一种更有吸引力的替代 品 在下面将从不同角度对安装在地下厂房水电站中的超高压 500KV 主变压器 以合成酯绝缘液替代矿物油以提高其防火 环保性能的可行性作一初步的探讨 在表 3 中示出了 MIDEL7131 合成酯和矿物油的性能比较 表表 3 MIDEL7131 合成酯绝缘液与矿物油及其他绝缘液的性能比较合成酯绝缘液与矿物油及其他绝缘液的性能比较 单位单位MIDEL7131硅树酯油硅树酯油矿物油矿物油 一般特性一般特性 20 时的密度时的密度 g ml0 970 960 88 20 时的比热时的比热 J kg K188015101860 20 时的导热系数时的导热系数 W m K0 144 0 151 50 0 126 20 时的运动粘度时的运动粘度 mm2 s70 50 25 22 100 时的运动粘度时的运动粘度 mm2 s5 25152 6 倾点倾点 60 50 50 膨胀率膨胀率 0 00075N A0 00075 闪点闪点 275 300160 燃点燃点 322 350170 自然温度自然温度 438435280 IEC61100 规定的火灾危险等规定的火灾危险等 级级 K3K3O 28 天的生物降解能力天的生物降解能力 OECD301F 80N AN A OECD301D N A 5 10 化学特性化学特性 7 中和值中和值mg KOH g 0 03 0 01 0 03 低热值低热值MJ kg31 628 046 0 电气特性电气特性 击穿电压击穿电压kV 7550 70 90 时的介电损耗因子时的介电损耗因子 0 006 0 001 0 002 20 的介电常数的介电常数 3 2 2 7 25 2 2 下面对两者的防火性 抗氧化性 耐湿性等性能作一对比描述 3 1 防火性 在选择绝缘介质时 防火性是一个关键因素 特别在一些防火等级高 火 势难以控制的地区 如地铁隧道 舰船 地下厂房 人口密集的区域以及高层 建筑等场所 3 1 1 燃烧盘试验 为了演示合成酯与矿物油之间燃烧特性的不同 将放有每种油类的试盘用 乙炔火焰 2000 在实验室加热 易燃矿物油在 4 分钟内燃烧 如图 5 a b c 所示 a 时间 1 分钟 矿物油在火焰作用下起燃 b 时间 3 分钟 矿物油燃烧 8 c 时间 4 分钟 矿物油燃烧并释放黑色烟雾 图图 5 矿物油燃烧盘试验矿物油燃烧盘试验 与之相对的 合成酯燃烧盘试验如图 6 所示 更进一步证明了合成酯具有 更好的阻燃性 a 时间 3 分钟 合成酯无起燃情况 b 时间 70 分钟 乙炔火焰附近有少量起燃 c 时间 在长时间强烈火焰热度作用下 合成酯起燃 燃烧几乎不产生烟雾 图图 6 合成酯燃烧盘试验合成酯燃烧盘试验 3 1 2 破坏性模拟试验 在图 7 及图 8 中示出了在德国进行的 MIDEL 7131 合成酯液变压器的油箱 内部发生短路故障时的破坏性模拟试验结果 试验变压器容量 200MVA 额定电压 20 2KV 9 短路持续时间 610ms 短路电流 9 7KA 图图 7 200MVA 破坏性模拟试验变压器外型图破坏性模拟试验变压器外型图 a b c 图图 8 200MVA 合成酯液变压器内部发生短路破坏性模拟试验合成酯液变压器内部发生短路破坏性模拟试验 a 电弧引燃 b 油箱爆裂 酯液流出 c 在 7 秒内燃烧自行 熄灭 燃烧只产生白 烟 3 1 2 烟和废气 10 要评价一种材料的防火性能优劣的最重要的一点是视其产生烟和有毒气体 的程度 这两种物质均会严重危及到人身安全 特别是对于地下厂房用变压器 绝缘液的要求 更应加严格 MIDEL 7131 的组成物质在火灾时不会急剧产生大量对人体有严重危害的 烟和废气 MIDEL 7131 产生的烟比矿物油和氯代联苯 PCB 少得多 和木 材燃烧时产生的烟相近 由于 MIDEL 7131 不含有氧化物 所以也不可能产生 危险的氢氟酸气体和二氧芑 根据对烟浓度进行比较的测试结果 如图 9 所示 MIDEL 7131 产生的烟雾 很少 烟浓度比较 烟浓度 100 80 矿物油聚氯苯 60 40合成酯 20 0 图图 9 不同绝缘酯燃烧时烟浓度比较不同绝缘酯燃烧时烟浓度比较 应予以说明的是 合成酯化学分子结构中的 酯 来源于酒精与脂肪酸反 应所产生的化学链 酯链仅存在于天然酯类和合成酯类中 在矿物油与硅油中 均无酯链化学分子结构 合成酯是从化学物质中获得的提取物 其分子由多个酒精分子所合成 通 常为多羟机化合物 重要的是合成酯中的羧基酸是饱和的 这是合成酯化学结 构稳定的主要原因 与合成酯不同 天然酯是从植物油中的提取物材质来源于可再生植物 天 然酯结构以甘油分子为基础 其化学键与三个天然脂肪酸组相结合 植物在生 长过程中产生了这些酯类 酯类被保存在种子中 天然酯与合成酯最关键不同 之点 在于天然酯类的许多化学键是不饱和的 这意味着天然酯绝缘物易于氧 化 化学性能不稳定仅适用于密封环境中 在图 10 中示出了合成酯 矿物油以及合成天然酯 在敞开条件下 抗氧化 的实验结果 说明天然酯抗氧化性能是较差的 11 Comparison of ASTM D2112 Rotating Bomb Test Results 421 300 17 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 MIDEL 7131Mineral OilEnvirotemp FR3 Time min 图图 10 合成酯 矿物油和天然酯绝缘液抗氧化性能的比较合成酯 矿物油和天然酯绝缘液抗氧化性能的比较 对于合成酯绝缘液与矿物油 硅油和天然酯绝缘液的性能比较结果 如表 4 所示 表表 4 变压器绝缘介质特性的比较变压器绝缘介质特性的比较 变压器种类变压器种类燃点燃点 无烟无烟 不不 易燃易燃 环保性环保性耐湿性耐湿性倾点倾点 氧化稳氧化稳 定性定性 矿物油矿物油 170 O 级 差差非常低 300 K3 级 差差低 250 K2 级 优优高 20 不抗氧 化 合成酯液合成酯液 Midel 7131 300 K3 级 优优非常高 60 抗氧化 3 3 耐湿性 3 3 1 耐湿性对比 MIDEL 7131 具有承受高湿 的能 它可以在不影响绝缘特性的情况下 吸收远远多于矿物油所能吸收的水分 在表 5 中示出了各种绝缘油耐湿性的能力 含量标准比较 新的 MIDEL 7131 在出厂时达到了相当高的标准 典型的湿度含量为 50ppm 矿物油MIDEL 7131天然酯 ANZH 小时 12 表表 5 不同绝缘液的耐湿性允许值 不同绝缘液的耐湿性允许值 ppm 在常温时水饱和度在常温时水饱和度新油新油 液液 的水分含量的水分含量 ppm ppm 使用后油使用后油 液液 的水分含量的水分含量 ppm ppm 矿物油矿物油 553030 硅油硅油 2205050 天然酯液天然酯液 1100200400 MidelMidel 71317131 合成酯液合成酯液 2600200400 3 3 2 对击穿电压的影响 在图 11 中显示了当绝缘油中湿度增大时对击穿电压的影响 由图 11 可看 出 在矿物油中含有少量的水分也会引起击穿电压急剧地下降 相对地 即使 湿度水平超过 550ppm MIDEL 7131 仍保持大于 75kv 的击穿电压值 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 01002003004005006007008009001000 水分湿度水分湿度 ppm 击穿击穿 电压电压 kV 合成酯合成酯 天然酯天然酯 硅油硅油 矿物油矿物油 图图 11 击穿电压与含水量在之间的关系曲线击穿电压与含水量在之间的关系曲线 MIDEL 合成酯油所以具有在较高含水量条件下仍能保持较高的击穿电压 这是由于天然酯和合成酯里存在的酯链使得这些液体带有 极性 其分子覆盖 的区域 酯链 类似一个磁场 能够吸引其他极性分子 水是极性分子 由两 种不同类型的原子构成 氢和氧 因此 酯对水分子有特别的亲和力 这是有 别于矿物油与硅油的所在 应特别提出的是 在酯类液体中 水的溶解度是随温度上升而增加的 不 同的酯类有不同的溶解梯度 显然 酯的极性很强 在所有温度范围内能够吸 13 收更多的水分 如表 6 所示 表表 6 水在油和酯液中的饱和溶解度水在油和酯液中的饱和溶解度 酯链23 C 时近似水的饱和度 矿物油055 硅油0220 天然酯31100 合成酯42200 3 3 3 水分对变压器的使用寿命的影响 众所周知 纸 纤维素 是在变压器中最常应用的固态绝缘物质 纤维素 是由葡萄糖单元按化学链构成聚合结构 聚合链上葡萄糖单元的平均数目成为 聚合度 DP 表征了纸的机械强度 聚合链越长 纸的机械强度越高 一个表征变压器剩余工作寿命的关键指标是纸的绝缘性 对于一台新变压 器而言 绝缘纤维的聚合度一般在 1000 1200 随着变压器逐渐老化 纸 纤维 开始降解 分解 形成短链 低聚合度 3 4 矿物油变压器绝缘的注换 2 在某些环境下 因为油的绝缘性受到意外的潮气影响 纤维老化等原因 传统的矿物油变压器经常需要维护 考虑到这一情况 以液体酯液代替矿物油 进行注换 这样不仅可以提高耐火性能 还可以降低维护的次数 提高设备可 靠性 过去曾对一台应用 30 年的 800kVA 变压器重新填充入合成酯液 MIDEL7131 测试结果如下表 7 所示 表表 7 合成酯液填充前后有关参数变化合成酯液填充前后有关参数变化 注换前 矿物油 注换后 合成酯液 击穿电压22kV 65kV 含水量51 4 ppm可允许达 400 ppm 中心绝缘值 20 M 80 M 运行状态退出运行重新投运 上述研究表明 酯液吸收了纤维周围的水分 使得变压器在很短一段时间 之后 又可以重新投入运行 长期注换经验表明 酯型变压器在含水量已超过 400ppm 的情况下 仍旧 能够继续安全运行 当变压器注换时 在排空和冲洗过程中应将矿物油尽可能的排除 这是因 为相对大量的残存矿物油 比如说超过 4 将给液体酯的击穿电压性能带来很 大影响 需要注意的是 硅油和酯类不可混合 酯类中即使混合了极少量的硅 14 油 在真空下混合也会产生泡沫 3 5 注换合成酯液变压器的运行维护 通常用测定矿物油品质的标准测试方法也可用于液体酯的测试 例如 击 穿电压 ph 值和含水量测试以及一些其它测试等 不过测试的结果和矿物油测 试结果有所差异 合成酯的测试标准参看文献 4 5 6 酯液产生的 DGA 气体允许值与矿物油一样 即水 甲烷 乙烯 乙炔等 允许值相同 当诊断出变压器故障时 比率诊断图 如 Roger 比率或 Duval 三 角等 可以参照矿物油图的相应数值给出合理指标 7 8 例如 矿物油和酯液 产生的乙炔气体都可能导致强烈的闪络故障 但是 酯液产生的故障气体成分 比率和矿物油有差异 当在测定某些临界值时需要特别注意 3 63 6MIDELMIDEL 合成酯绝缘液变压器的应用实例 目前在地下厂房应用 MIDEL 油电力变压器的业绩为 135MVA 238 13 5kV 电力变压器 在表 8 中列出了部分应用 MIDEL7131 合成酯液的电力变压器业绩 图 12 所示为由 Siemens 公司制造的应用于地下厂房的电力变压器 表表 8 应用应用 MIDEL 7131 合成酯油的电力变压器合成酯油的电力变压器 Vattenfall 10MVA 150kVGanz Vattenfall 135MVA 238kV Siemens Holland 2 x 23MVA 66kVSmit Lodz 2 x 25MVA 50kV ABB North Sea 4 x 40MVA 40kVAlstom Russia 20MVA 40kVABB Birka 2 x 21MVA 40kVEtra 15 图图 12 装于装于 Vatten fall 地下厂房的地下厂房的 135MVA 238KV MIDEL 合成酯油的电力变压器合成酯油的电力变压器 4 4 结语结语 虽然合成酯绝缘液在国外电力系统各个领域中已获得了广泛地应用 但是 在国内对合成酯绝缘液的性能特征还缺乏了解 在介绍方面远不如对矿物油 硅油以及浇注树脂等绝缘方式的论述那样普及和深入 针对这一情况 在本文中重点介绍与论述了合成酯绝缘液的性能特征以及 与矿物油的性能对比 指出由于 MIDEL 7131 是一种具有非常稳定化学结构的 合成酯 自 1977 年已被应用在油浸式变压器以来 在应用中不但具有良好的散 热及绝缘效果 同时还具有卓越耐湿性 阻燃性 生物降解性 高燃点和低倾 点的优异防火特性从而对环保的友好性方面一系列优点以