MIDEL合成脂绝缘油的性能特征及与浇注树脂和矿物油等.doc

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17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. 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1 部分地下厂房水电站水电机组统计表水电站名称机组容量台数三峡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图2 越南500KV变电站变压器爆炸燃烧事故图3 武汉青山500KV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. MIDEL 7131合成酯绝缘液（Synthetic ester）的基本参数及性能特征【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。19761978198019901992199520002003200620092010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4 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。2.1MIDEL 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2 MIDEL合成酯绝缘液的基本参数（根据IEC61099及DIN VDE0375）特性测试方法要求值合成酯值单位物理特性（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 - 20C时的密度 ISO 3675 最大1.00 0.97 kg/dm340C时的运动粘度 ISO3104最大35.0 28 mm2/s -20C时的运动粘度最大 30001400mm2/s闪点 ISO 2719 最小 250 275 C 燃点 ISO 2592 最小 300 322 C 20C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 - 20C时MIDEL 7131中的音速 - - 1385 m/s 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 低热值 ASTM D 240-0275 kV 90C50Hz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322MIDEL 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3 MIDEL7131热特性温度比热J/kg K热导率W/m K密度Kg/m3热膨胀系数 /K运动粘度mm2/s绝对粘度mP as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 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. 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3 MIDEL7131合成酯绝缘液与矿物油及其他绝缘液的性能比较单位MIDEL7131硅树酯油矿物油一般特性20时的密度g/ml0.970.960.8820时的比热J/kg K18801510186020时的导热系数W/m K0.1440.151(50)0.12620时的运动粘度mm2/s7050(25)22100时的运动粘度mm2/s5.25152.6倾点-60-50-50膨胀率/0.00075N/A0.00075闪点275300160燃点322350170自然温度438435280IEC61100规定的火灾危险等级K3K3O28天的生物降解能力-OECD301F%80N/AN/A-OECD301D%N/A510化学特性中和值mg KOH/g0.030.010.03低热值MJ/kg31.628.046.0电气特性击穿电压kV75507090时的介电损耗因子0.0060.0010.00220的介电常数3.22.7(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(c) 时间：4分钟，矿物油燃烧并释放黑色烟雾图5 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6 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短路持续时间610ms短路电流9.7KA图7 200MVA破坏性模拟试验变压器外型图(a) (b) (c)图8 200MVA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%10080 矿物油聚氯苯6040合成酯200图9 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。矿物油MIDEL 7131天然酯ANZH小时图10 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4变压器绝缘介质特性的比较变压器种类燃点（）无烟/不易燃环保性耐湿性倾点（）氧化稳定性矿物油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Midel 7131300(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。表 5 不同绝缘液的耐湿性允许值（ppm）在常温时水饱和度新油(液)的水分含量(ppm)使用后油(液)的水分含量(ppm)矿物油553030硅油2205050天然酯液1100200400Midel 7131合成酯液26002004003.3.2 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。010203040506070809001002003004005006007008009001000水分湿度(ppm)击穿电压 (kV)合成酯天然酯硅油矿物油图11 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收更多的水分，如表6所示。表6 水在油和酯液中的饱和溶解度酯链23C时近似水的饱和度矿物油055硅油0220天然酯31100合成酯422003.3.3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10001200。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7 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22kV65kV含水量51.4 ppm可允许达400 ppm中心绝缘值20 MW80 MW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。3.6 MIDEL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8 应用MIDEL 7131合成酯油的电力变压器Vattenfall 10MVA/150kVGanzVattenfall 135MVA/238kV SiemensHolland 2 x 23MVA/66kVSmitLodz 2 x 25MVA/50kV ABBNorth Sea 4 x 40MVA/40kVAlstomRussia 20MVA/40kVABBBirka, 2 x 21MVA/40kVEtra图12 装于Vatten fall地下厂房的135MVA/238KV MIDEL 合成酯油的电力变压器4. 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及可以完全满足发、配电力方面的各种需求。为此在大型水电站地下厂房中开发以合成酯液为绝缘介质的500KV主变压器，显然在防火性方面可从根本上降低在事故状态下由变压器故障带来的危害后果。当前，由于欧洲电力系统最高电压均在400KV下，为此对采用更高电压的合成酯液变压器无市场的需求，在这方