變壓器油研究進展及發展態勢

王智榮,王偉,王興富,康志華,白云岡

(神木富油能源科技有限公司,陜西 神木 719319)

變壓器是一種用于電能轉換的電器設備,變壓器油作為變壓器不可或缺的組成部分,主要起絕緣、散熱、消弧等作用[1]。變壓器運行過程中,油溫會隨著運轉負荷的上升而升高,正常狀態下長期處于60 ℃以上,為了保障變壓器鐵圈、線圈、調節器、開關、斷路器等機械的高效運轉,變壓器油必須具備較好的流動性以及熱傳導性。變壓器油充裝于高壓電極之間,為了避免電極在高電壓電場作用下出現跳火擊穿現象,要求變壓器油具有良好的絕緣性能。與此同時,交流電極周期性改變會造成能量損失,這種能量損失使用介質損耗因數來進行衡量,要想保證電力傳輸過程中的能量損失最小化,必須保證選用的變壓器油擁有較低的介質損耗因數。變壓器中微量不安定組分在高溫、強電場作用以及金屬器件的催化下,很容易與空氣中的氧氣、水分發生反應,生成油泥或者極性化合物,從而造成絕緣性能下降,導致變壓器發生擊穿和失效。因此,在變壓器油選型時一定要考慮其各方面的綜合性能,從而保證變壓器的安全、穩定、長周期運行[2]。

1 變壓器油供應商

變壓器油經過幾十年的發展,在我國主要的變壓器油供應商有尼納斯、殼牌、昆侖、長城、海疆以及江蘇雙江等[3]。

1.1 尼納斯

尼納斯公司主要以IEC 60296標準為依據,按照產品目標市場劃分為:超高級別、高級別、標準級別,見表1。

1.2 殼牌

殼牌Diala電氣絕緣油系列有多個牌號,包括最新的完全抗氧化超低硫技術,符合現行的IEC及ASTM防銅腐蝕標準,同時其還開發了專供高壓直流等特殊領域應用的析氣性良好的電氣絕緣油。殼牌最新生產的產品符合IEC 60296高標準氧化性能的要求,其氧化試驗極限時間超過500 h[4],見表2。

近年來,隨著歐洲在環保等方面的要求逐漸提升,2013年殼牌在德國漢堡發布了新一代天然氣制油(GTL)技術的變壓器油S4 ZX-1,該產品逐漸成為殼牌在變壓器油領域的主推產品[5-6]。

1.3 昆侖

中國石油昆侖系列變壓器油以克拉瑪依石化、遼河石化生產的環烷基基礎油為主要組分,進而添加了一定量抗氧劑調配而成,在傳熱、氧化安定性、溶解性、電氣性能等方面都呈現出優異特性。目前昆侖變壓器油主要有9個牌號,分別是KI25X、KI45X、KI50GX直流變壓器油、KI50X直流變壓器油、KI50DX電力機車專用變壓器油、KI40DX電力機車專用變壓器油、KI20X變壓器油、KI25X變壓器油、KI45X變壓器油等,其均滿足國家標準GB 2536—2011要求[7],見表3。

表3 昆侖系列變壓器油

1.4 長城

中國石化的變壓器油是以“長城”品牌統一外售,由于中石化環烷基原油資源相對較少,長城變壓器油(表4)的基礎油主要是高橋石化等石蠟基或者中間基原油煉制企業提供,其主流市售產品只能用于電壓等級在330 kV及以下的變壓器或有類似要求的電器設備。2020年中石化下屬荊門石化首次承接加工了新疆春風油田的環烷基原油,產出合格的環烷基基礎油,長城應該會在近幾年推出相應的環烷基變壓器油產品[8]。

表4 長城系列變壓器油

1.5 海疆

中海油海疆系列變壓器油中的產品牌號HI-10、HI-20、HI-30,符合GB 2536中通用級別要求,HID-50符合GB 2536中特殊級別要求,適用于換流變壓器,見表5。

表5 海疆系列變壓器油

2 變壓器油標準

變壓器油在全球的標準主要有國際電工委員會主導的IEC標準、美國材料與試驗協會主導的ASTM標準、中國國家標準化管理委員會主導的GB標準、英國標準學會主導的BS標準以及日本工業標準調查會組織主導的JIS標準。近些年,隨著國際貿易的蓬勃發展,各標準體系也在朝著趨同發展,比如變壓器油的國標制定就大量參考了IEC標準和ASTM標準,就目前全球主流發展趨勢來看,國際電工委的IEC標準仍然具有一定的先進性和更廣泛的全球通用性[9]。

2.1 IEC 60296

國際電工委的IEC 60296于1969年首次發布,至今已更新了五個版本,從變更情況看,其產品分類愈發細致,技術要求也逐步提升。目前,全球主流國家及變壓器生產商均在IEC 60296基礎上制定自身國家標準及采購標準[10],見表6。

表6 IEC 60296版本更迭情況

從IEC 60296標準的變化可以看出,1982年之前的版本更多是從絕緣油本身進行種類劃分,主要分為添加抗氧劑的絕緣油和未添加抗氧劑的絕緣油。之后的版本則更傾向于從使用角度來進行劃分,無論是2012年之前的通用規格、特殊規格還是2020年版本中的A型、B型都更近似于使用端的通用型和高端型。2003年以后的版本,氧化安定性更高的型號都需要添加足量的抗氧劑,而氧化安定性要求較為松懈的型號則可根據使用環境的需求提供不添加抗氧劑、添加微量抗氧劑、添加足量抗氧劑3個不同的細分種類產品。無論是2012年前版本中的特殊型還是2020年版本中的A型,在基礎油的選擇上要較其他更加苛刻,所需基礎油的精制水平更高,比如B型要求顏色不大于1.5,而A型要求顏色不大于0.5。2020年最新發布的版本,進一步擴大了絕緣油的來源,首次將循環(再生)絕緣油納入了產品體系,也是為了解決行業蓬勃發展后產生的大量油品再生問題,體現出標準制定層面更多地加入了環保因素。

總體上看,2020年最新發布的版本,其核心理念上更加注重了環保、行業可持續發展、使用端的使用需求等。標準內容的主要變化在于擴大了原料來源,清晰化了產品命名模式,技術指標方面要求更加嚴苛,特別是在使用穩定性上提出了更高的要求。首次提出的熱氧化條件下產氣特性對行業的更好發展提出了新的方向,接下來幾年內我國在修訂GB 2536時勢必也會將此項性能要求納入考慮范疇[11]。

2.2 GB 2536

2011年,中國基于IEC 60296:2003重新修訂了我國變壓器油標準,正式推出GB 2536—2011《電工流體 變壓器和開關用的未使用過的礦物絕緣油》標準。修訂后的標準承襲了IEC 60296:2003的劃分標準,將變壓器油分為通用和特殊兩大類,通用型和特殊型又依據不同最低冷態投運溫度分為0,-10,-20,-30,-40 ℃不同型號。相比于上一代版本,新的標準增加了兩個牌號,在檢驗項目增加“總硫含量、抗氧化添加劑含量、2-微醛含量、析氣性、帶電傾向、稠環芳烴(PCA)含量和多氯聯苯(PCB)含量”等,將部分測定方法增加或變更。由于GB 2536—2011是基于IEC 60296:2003修訂,該標準與最新版國際標準IEC 60296:2020還存在諸多區別[12],見表7。

從表7標準對比看,相比于2020年最新的IEC 60296標準,我國基于IEC 60296:2003修訂的現行標準缺少了顏色、腐蝕性含硫化合物、金屬鈍化添加劑等方面的性能要求,芳烴等不理想組分含量方面也略有區別。特別是對于氧化安定性更好的特殊型變壓器油,新的IEC標準在熱氧化條件下的產氣特性方面提出更加清晰、明確的技術要求,相信這一技術指標在下一次的標準制定過程中勢必會成為最重要的考慮之一[13]。

3 結論

1)伴隨我國超/特高壓輸送電網的建設,高性能變壓器油的需求呈持續增長趨勢,超/特高壓領域變壓器油在很大程度上還是以高品質的環烷基產品為主。

2)我國變壓器油的研制開發起步較晚,在標準制定、產品性能評估等方面充分借鑒了國際標準,隨著近年來我國電力行業的飛速發展,在變壓器油的性能要求方面我國勢必會提出更高的要求,變壓器油生產企業需要做好技術升級的準備。

3)從IEC 60296標準的最新變化來看,對變壓器油的質量控制、環保等方面提出了更高的要求,變壓器油生產企業應該提升基礎油精制水平,提高油品潔凈程度,從而從根本上提升變壓器油的性能和運行質量。