天然酯絕緣油電抗器研究與應用

摘" 要：隨著全球對環境保護和低碳減排要求的日益提高，傳統礦物油電抗器在維護難度、環境適應、安全隱患等方面面臨著嚴峻挑戰。天然酯作為可再生、環保的絕緣介質，逐漸受到研究者和電力行業的關注，研發應用具有綠色低碳、節能高效、安全可靠的天然酯絕緣油電抗器具有重要意義。該文聚焦天然酯絕緣油電抗器，首先圍繞繞組、鐵芯、儲油柜、冷卻裝置等核心部件，從材料選擇、結構改進、工藝提升等角度提出優化設計方案，然后對其整體散熱性、絕緣性、環保性、安全性進行綜合評估，最后針對實際應用與發展前景進行論述，旨在為天然酯絕緣油電抗器的推廣和應用提供科學有效的理論依據和技術支持。

關鍵詞：電抗器；天然酯絕緣油；結構設計；性能評估；實際應用

中圖分類號：TM472" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）07-0115-05

電抗器在電力系統中應用十分廣泛，發揮著不可替代的作用，通過調節無功功率與電壓穩定、抑制諧波與優化電能質量、電流控制與保護等方式，保障了電網安全可靠運行與電能高效傳輸。以220 kV變電站為例，串聯電抗器常用于限制短路電流，保護站內設備免受沖擊，而并聯電抗器通過產生感性無功功率，抵消來自電纜線路的容性無功功率，實現無功補償。同時，可通過靈活調整并聯電抗器數量或投退狀態，精準調控無功功率分布，進而調節電網的電壓水平。此外，電抗器還用于吸收電網中的諧波分量、提高電網功率因數等，其重要程度不言而喻。按照結構類型與冷卻介質不同，電抗器可分為空心式、鐵心式、干式、油浸式4種。其中，鐵心式電抗器以電感穩定性、磁場均勻性、散熱優良性、電磁兼容性著稱，但隨之而來的是體積與重量較大、成本較高，在運行過程產生較大的噪聲和振動[1]。干式電抗器則具有輕便緊湊、低維護成本、高安全性、低噪聲優勢，然而其容量有限、散熱性能較差，極易出現局部溫升過高問題，且對周圍設備電磁干擾較大[2]。近年來，油浸式電抗器憑借卓越散熱性能、較長絕緣壽命、大容量、緊湊結構等特點成為優選，但是油污染問題、防爆要求高、安裝維護難度成為其短板[3]。

傳統油浸式電抗器大多采用礦物油作為絕緣和冷卻介質，礦物油燃點較低、環保性差，且存在環境污染、易燃易爆等安全隱患。而天然酯絕緣油的燃點高達360 ℃，遠高于礦物油（160～180 ℃），且燃燒強度更低、點燃時間更長、一氧化碳產生速率更低，這意味著火災風險極低，安全性更高，同時還兼具可再生、易降解、環保性等諸多優點[4]。近年來，作為礦物油的綠色替代品，天然酯植物絕緣油已逐漸被應用于10～750 kV全系列電壓等級的變壓器中，從10 kV配電變壓器到750 kV電力變壓器，全球應用已超過300萬臺，驗證了其環保、經濟、安全等卓越性能，這預示著天然酯絕緣油將在農村電網、輸變電設備等領域具有廣闊的應用前景[5]。在此背景下，探索并開發具有綠色環保、低碳節能、安全高效的天然酯絕緣油電抗器具有重要意義，但目前相關的研究與應用相對較少，亟需更多理論支撐與實踐驗證。本文聚焦于天然酯絕緣油電抗器，重點從結構優化設計、整體性能評估、實際應用等方面詳細展開研究，旨在為其研發改進與廣泛推廣提供堅實的理論基礎與實踐指導，助力傳統電力設備實現綠色、低碳轉型。

1" 整體設計與優化

1.1" 絕緣油

絕緣油的選擇需要綜合考慮多方面的性能，如絕緣強度、酸度、降解性、散熱性等。在絕緣性能方面，絕緣油需要經受電抗器內部長期電場的作用，要求具備較高的擊穿強度，以防止發生電氣擊穿。天然酯絕緣油的擊穿電壓遠高于礦物油，電氣強度十分優異[6]。此外，天然酯的相對介電常數大于礦物絕緣油，接近于油浸絕緣紙板，在工頻交流電壓下油紙絕緣系統中的電場分布均勻，提升了電壓承受能力[7]。酸值是評估新油精制程度和運行油老化程度的重要指標。天然酯的親水性使得運行過程中含水量高于礦物絕緣油，這將導致酸值偏高，進而增強絕緣油的導電性，降低電抗器絕緣性能，故在生產制造中應采用化學脫酸、真空過濾等方式加以控制酸值與含水量，使之與礦物油相當。氧化安定性亦是絕緣油選擇的關鍵考量[8]。天然酯絕緣油的氧化安定性遠不及礦物油，故需要添加抗氧化劑延緩氧化速度，延長其使用壽命，同時添加金屬離子鈍化劑，與多價金屬離子絡合，形成穩定的可溶性金屬結合物，使游離態的金屬離子失去氧化催化能力。在環保性方面，天然酯絕緣油從天然油料作物中提取，通過一系列改良工藝制成，其主要成分是甘油三酯，不含硫元素，不會與金屬發生化學反應，且生物降解性和環境相容性極佳，碳排放量遠遠低于礦物油，顯著減少了環境污染。目前國際上主流的天然酯絕緣油主要有BIOTEMP、Envirotemp FR3、MIDEL eN等，國內則廣泛應用RAPO、NP、VinsOil、FR3等[7]。在絕緣油選擇時，應綜合考量基本特性、性能指標、經濟性等因素，以滿足實際應用需求。

1.2" 鐵芯

鐵芯的存在顯著增強了電抗器的電感量，能夠更加有效地限制電流的變化率，起到平滑電流波形、濾除諧波等作用。同時，它為繞組產生的磁場提供了低阻抗路徑，使得磁場集中分布于鐵芯內部，提高了電抗器的效率。在鐵芯材料選擇上，鐵磁材料因穩定性與耐久性優異而被廣泛應用，可確保長期運行中電感量穩定與電磁性能良好。常用的鐵芯材料有冷軋板、冷軋硅鋼片、非晶合金板。其中，冷軋硅鋼片（也稱為電工鋼片）的高導磁性、低損耗特性適用于高溫、高磁場環境，特別適合大功率電抗器。此外，鐵芯結構的設計亦至關重要。傳統鐵芯采用多層鐵芯餅疊加方式，通過絕緣材料分隔并固定在鐵芯架上，輔以徑向輻射狀疊片方式，減少磁力線在離開和進入鐵芯餅時，因邊緣效應而產生的渦流損耗。考慮到交變磁場中電磁力會使鐵芯餅間產生振動和噪聲，因此鐵芯的壓緊裝置非常重要，可采用防磁螺桿拉緊等方式，有效地減少振動和噪聲。從整體結構上，應采用立體卷鐵芯設計結構，鐵芯由3個等尺寸單框鐵芯拼合而成，形成等邊三角形的立體排列，確保鐵芯的穩定性和平衡性；拼合的鐵芯截面呈多邊形或復合形，接近圓形，以平衡三相磁路，減少漏磁和渦流損耗；在鐵芯卷制過程中，應要求硅鋼卷繞緊密且無接縫，精確控制鐵芯柱和鐵扼截面形狀和尺寸，降低電抗器整體重量和成本；鐵芯需經真空充氮退火處理，消除加工應力，優化電磁性能，提高電抗器過載能力。

1.3" 繞組

繞組是電抗器的核心導電部分，通過電流的流通產生磁場。在材料選擇方面，繞組多由高導磁電性的純銅導線或鋁線制成，這些材料兼具優異的導電與導熱性能，滿足電抗器對電流傳輸和磁場生成的要求。具體來說，高壓線段宜采用大寬度優質組合銅導線，旨在增大線匝間電容量，進而優化線圈的沖擊電位和梯度分布。而繞組末端則應采用優質薄型銅扁線制成的換位導線，以降低漏磁通引起的渦流損耗，防止產生過熱現象。繞組的結構設計和繞制方式直接影響電感和電流分布及電抗器的整體性能與使用壽命。在結構設計方面，可采用糾結、內屏、連續式、中部出線等布局，以精簡內、外墊層，提高導線填充效率。在繞制方式上，通常采用多相并聯的方式，每相匝數可依據不同容量靈活設定。繞制工藝需要精確控制匝數、層數、線徑等參數，以確保繞組達到預期的電感和電流分布。繞制過程采用適當的張力控制，避免導線松弛或斷裂。繞組多層繞制于鐵芯上，層間以絕緣材料隔開，確保電氣隔離和防止短路。因此，絕緣材料的選擇和絕緣層的厚度同樣非常關鍵，常用的絕緣材料有純牛皮木漿紙、合成纖維紙、丁腈絕緣紙、電纜紙，應綜合考慮其機械強度與耐熱性、經濟性與可加工等因素，結合電抗器具體要求和運行環境，選擇適當的絕緣材料與厚度。同時，還應基于雷電沖擊梯度電壓分布與雷電沖擊爬電梯度分布計算及電場強度計算結果，確定線圈的絕緣結構，控制線圈匝間工作場強在2 kV/mm以下，以充分保證線圈的抗沖擊能力和耐電能力。此外，繞組散熱問題也不容忽視。通過在線圈內部設置橫向油道和軸向油道，引導油流走向，以確保線匝的散熱，降低線圈溫升，避免過熱現象。針對低溫升設計要求，可調整線圈的軸向油道，將“之”字型油路優化為上下對齊的層間油道，進一步提升散熱效率。

1.4" 儲油柜

儲油柜對于電抗器正常運行與延長使用壽命至關重要，其主要功能包括儲存與補償絕緣油、隔絕空氣以及防止油質老化和確保絕緣效果。在儲油柜的設計選擇上，首先考慮其密封性能，避免空氣和水分進入其中，維持油質純凈；其次，需根據油溫變化自動調整油量，保持電抗器內部油位穩定；同時，儲油柜的設計應有利于促進絕緣油的散熱，降低電抗器的運行溫度。此外，還應便于檢查和維護，如配備油位指示器等，便于監測油位狀態。基于以上設計要點，從電抗器運行環境、性能要求、維護便捷性、經濟性等方面綜合考慮，金屬波紋密封式儲油柜成為首選。在結構設計方面，波紋膨脹體采用跑道型波紋結構，可隨油溫變化自由伸縮，實現絕緣油的體積補償與循環散熱。鑒于天然酯絕緣油的易氧化與吸水特性，儲油柜應采用全密封式結構設計，有效隔絕外界空氣和濕氣，保護絕緣油質，并防止泄漏。在材料選擇方面，由于儲油柜長期與絕緣油接觸，且承受一定壓力和沖擊，應選擇耐腐蝕性、高強度、高韌性的金屬材料，如304不銹鋼。在散熱性能方面，考慮到天然酯絕緣油電抗器的溫升特性[9]，即頂層油溫將比礦物絕緣油電抗器高3～5 ℃，平均線圈溫升高1～2 ℃，因而應適當擴大儲油柜至油箱本體的連接管徑，盡可能提升散熱性能。此外，為準確監控儲油柜的油位情況，可采用數字傳感系統或指針式油表來指示油位，安裝位置需便于人員觀察，并設置報警功能，確保油位在安全范圍內。

1.5" 冷卻裝置

電抗器在運行過程中，其內部鐵芯、繞組等部件會持續產生熱量，這些熱量主要依靠絕緣油的熱傳導與對流作用散發至外部環境。絕緣油作為主要的冷卻介質，循環流動于電抗器與散熱器之間，有效傳遞熱量。然而，天然酯的脂肪酸鏈較長，導致運動黏度較大、傾點高，低溫流動性差，散熱性能遠不如礦物油[10]。在相同冷卻結構與熱量條件下，該特性將加劇電抗器頂層與底層絕緣油的溫度差異，尤其是采用自然油循環冷卻方式時，此問題格外突出。為優化冷卻系統設計，首先考慮增加散熱器數量，降低頂層絕緣油的溫升，提升自然冷卻的散熱效果。其次，可在電抗器器身外部裝設風機，利用風機產生的強制性氣流，加速絕緣油在電抗器與散熱器之間的熱對流，進一步提高散熱效率。若強制風冷仍然無法滿足散熱需求，則應考慮采用強油循環冷卻方式，配備專為高黏度絕緣液體設計的油泵，并設定合適的功率值，以大幅改善因天然酯絕緣油的黏度系數高而造成的散熱難題。此外，針對散熱器結構，需優化下部入油口與上部出油口油道寬度，引入防堵塞設計，確保絕緣油的循環路徑暢通，以保障整體散熱系統有效運行。

2" 整體性能評估

2.1" 散熱性能

相較于干式電抗器，天然酯絕緣油電抗器將繞組和鐵芯完全浸入絕緣油中，利用天然酯的良好導熱性，顯著提高了散熱效果。這一特性確保電抗器在高負荷運行狀態下，也能夠有效控制溫升，維持設備的正常穩定運行。現場檢測結果顯示，與干式鐵芯電抗器相比，其平均噪聲降低了15 dB，且整體溫升控制在60 ℃以內。與礦物油電抗器相比，在線圈內部油道、儲油柜連接管徑、散熱器油道、冷卻方式等方面優化改進，天然酯絕緣油電抗器展現出更加優異的溫升控制能力，有助于提升運行溫度，同時解決內部電場分布不均的問題。在相同額定容量和溫升限值情況下，天然酯絕緣油電抗器具備更高的過負荷能力，即能在更高的溫度下安全運行[11]。

2.2" 絕緣性能

天然酯絕緣油憑借優異的電氣性能，如高擊穿電壓和低介質損耗因數，在增強電抗器絕緣強度和節能降耗方面發揮關鍵作用。作為核心絕緣介質，天然酯能夠有效隔離線圈和鐵芯，防范漏電和短路等故障風險，增強了電抗器的安全性和可靠性。由于天然酯獨特的親水特性，促使其不斷吸收絕緣紙熱解過程中產生的水分，大幅降低絕緣紙的含水量，抑制了纖維素的熱水解反應，進而提升了油浸紙的電氣強度。此外，天然酯中的某些成分能與纖維素發生酯交換反應，有助于保護絕緣紙等固體絕緣材料，延緩其熱老化過程，同時有效降低絕緣油老化等問題，延長設備的使用壽命[12]。

2.3" 環保性能

天然酯絕緣油電抗器所采用的絕緣油主要來源于可再生資源，如大豆、油菜籽、葵花籽等油料作物，具備高生物降解性和環境相容性，生物降解率超過97%，全壽命周期碳排放量僅為礦物油的1/64，溫室氣體產生量只有礦物油的1.8%，有效解決了傳統礦物油的環境污染問題[13]。在天然酯絕緣油電抗器的制造和運行過程中，得益于植物油的綠色提取、加工及回收工藝，其能耗與排放均遠低于傳統礦物油。當設備退役或維護時，廢棄的天然酯能迅速自然分解，避免造成長期的土壤和水源污染。同時，天然酯絕緣油不含對人體或環境有害的重金屬和化學物質，減少了運維過程中因泄漏或排放而帶來的健康和環境污染風險。

2.4" 安全性能

相比傳統礦物油，天然酯絕緣油具有高閃點（gt;300 ℃）、高燃點（gt;350 ℃）特點，在長期運行過程中不會產生可燃氣體，顯著降低了火災與爆炸風險。金屬熱表面試驗與燃燒盤試驗表明，天然酯可耐受短時800 ℃局部過熱而不被引燃，且較于礦物絕緣油更難以被點燃，證明了天然酯具有不易燃、自熄的特點。這意味著在運行過程中，即使突發內部故障問題，由于其可靠防火性能，極大地減少了火災事故的發生概率，在最大限度上保護設備和人員安全。實驗證明，在極端火災情況下，天然酯絕緣油變壓器能夠保持30 min不燃不爆，為消防救援提供相對充裕的時間，也間接反映了天然酯絕緣油電抗器的卓越安全性能[14]。

3" 實際應用與發展前景

天然酯絕緣油電抗器在電力系統中應用廣泛，可涵蓋電壓調節、短路電流限制、無功補償、諧波濾除等諸多方面。2024年6月27日，由中國電科院、國網山東電科院、國網臨沂供電公司聯合研發，并由正泰電氣公司制造的全國首臺10 kV低噪聲天然酯絕緣油電抗器，在臨沂110 kV青龍河站成功投入運行。該電抗器創新性地采用深度脫酸植物油作為絕緣導熱介質，油箱外形設計為U型結構，內部配置止振隔音板，通過天然酯與固體絕緣材料的電磁場優化、鐵心餅關鍵工藝的精準控制，以及器身與箱底獨特的降噪結構設計等手段，有效降低了運行過程的噪音水平，并顯著提升了散熱效率，具有低碳環保、綠色節能、噪聲低、振動小等顯著優勢。

隨著新能源產業的蓬勃發展與智能電網的快速建設，天然酯絕緣油電抗器在風電、光伏等新能源領域的應用前景廣闊，其環保、安全的特性與新能源產業的綠色發展理念相契合，有助于推動電力裝備向著綠色低碳轉型發展。尤其適用于對環保要求嚴苛的城市核心區域、動植物保護區、水源地、海上平臺等變電場所，對消防要求較高的煤炭化工企業電站、地下電站、大型樓宇或建筑供電系統，以及對短期內過載能力要求較高的鋼鐵冶煉、電解電鍍等工礦企業電站領域，展現出巨大的市場潛力和發展前景。

4" 結束語

本文聚焦于天然酯絕緣油電抗器，重點圍繞繞組、鐵芯、儲油柜等核心部件，從材料、結構、工藝等角度提出優化設計策略，并針對其散熱性能、絕緣性能、環保性能、安全性能進行綜合評估，為綠色電抗器的持續研發和后續優化奠定了堅實的理論基礎與技術支撐。展望未來，有待不斷加強技術創新與試點實踐，推動天然酯絕緣油電抗器的廣泛應用與發展，助力綠色、低碳變電站的建設目標實現。同時，針對天然酯絕緣油在抗氧化性、黏度等方面的性能短板，力求解決現存問題，以提高其綜合性能、延長使用壽命，確保其在新能源領域發揮更大的作用。

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Abstract： With the increasing global requirements for environmental protection and low-carbon emission reduction， traditional mineral oil reactors are facing severe challenges in terms of maintenance difficulty， environmental adaptation， and safety hazards. As a renewable and environmentally friendly insulating medium， natural ester has gradually attracted the attention of researchers and the power industry. It is of great significance to develop and apply natural ester insulating oil reactors that are green， low-carbon， energy-saving， efficient， safe and reliable. This paper focuses on natural ester insulated oil reactors. First， this paper focuses on core components such as windings， iron cores， oil conservators， and cooling devices of the natural ester insulating oil， and proposes optimal design plans from the perspectives of material selection， structural improvement， and process improvement. Then， its overall heat dissipation and insulation are comprehensively evaluated， environmental protection and safety are comprehensively evaluated， and finally the practical application and development prospects are discussed， aiming to provide scientific and effective theoretical basis and technical support for the promotion and application of natural ester insulated oil reactors.

第一作者簡介：黨君武（1997-），男，碩士，工程師。研究方向為變電設備狀態評估與檢測。