环保型电力变压器碳中和方案探讨

环保型电力变压器碳中和方案探讨

(莫向宁

中山ABB变压器有限公司)

摘要：在碳达峰、碳中和的宏观目标下，作为电力输电系统中的关键设备，电力变压器向低碳高能效转型趋势加快。研制符合价值链需求的新型环保电力变压器将助力企业在竞争中取得优势。作者通过分析电力变压器碳中和方案措施，核对国内外相关技术文档，根据多年的设计及应用经验，对满足电网运行性能要求且实现低碳高能效的电力变压器设计措施进行探讨，设计方案最终用于实际产品。

关键词：电力变压器、低碳环保、高能效、碳中和、天然酯类油

1低碳高能效环保型电力变压器的需求

近几十年环境影响加剧，解决全球变暖、气候危机变得更为紧迫。2020年9月，我国宣布了2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和的目标。可预测电力消费逐步加速代替传统化石能源。据推测，电力消费将从2020年的20%左右, 增加到2050年的40%。发电、输电措施及其设备也向可再生能源的转变已成必然趋势。

电力变压器作为电网系统中最大、最重的关键设备，转变为高能效环保型变压器将在产业转型影响巨大。加快研制符合价值链的产品将有助于整个社会的良性发展，并使企业产品在电网系统设备的更新换代中取得优势。

2低碳高效能环保型电力变压器的研制目标

为了研制性能可靠、优异、具有竞争力的新型变压器，首先要面对的挑战是如何切实提升环保特性，从而实现变压器碳排放的大幅度减少以及改善对周边环境或人群的影响。对此，选用环保或可再生材料以减少污染是重点研制方向，但同时面临应用经验及技术相对偏少的困难，如何确保研制出性能可靠、优异的新设备是首要解决的问题。

其次，使用新材料、新方案伴随着变压器的成本会有明显增高。如何确保价格更高的变压器达到高于行业标准，从而具备强劲的市场竞争力，也是新型环保变压器必须解决的问题。

3使用天然酯类绝缘油的环保可靠性研究

每台电力变压器需使用数十吨绝缘油，通过使用“零碳”天然酯类绝缘油（即植物油）代替传统使用的矿物油，极好地满足客户对于电力变压器在电网运行的要求，并且有助于达到“碳中和”目标。因此，在变压器内部采用具有高燃点、可降解、由可再生资源制造的天然酯类油，是我们研制低碳环保电力变的关键方向。

3.1天然酯类油的指导标准

天然酯类油虽为新材料，但具有较为完善的参照标准系统，属于有运行经验及可靠标准的绝缘油材料。如下所示，针对天然酯类油的使用维护及变压器运行准则、监测方案等，已创建了较为完整的国际标准指导体系。

图1天然酯类油与矿物油国际标准对比

3.2使用天然酯类油提高变压器运行寿命及过负载能力研究

在变压器内部结构需使用大量绝缘纸，用以保证电气绝缘安全。同时，绝缘纸也是变压器内部物料中使用寿命最低的关键物料，即绝缘纸在高温绝缘油的老化速度将是设备使用寿命的瓶颈物料。

基于《IEC 60076-14电力变压器.第14部分:使用高温绝缘材料的液浸电力变压器》以及《IEEE C57.154 采用高温绝缘系统和高温运行的液浸配电、电源和调节变压器的设计、测试和应用》的要求，可把变压器运行的内部热点限值设定为110°C，线圈温升限值65K，此时，也就限制了变压器的负载能力。

通过对比试验热改性绝缘纸浸泡于矿物油与天然酯类油在170°C高温环境下保持500小时、1000小时、2000小时、4000小时，结果为绝缘纸在天然酯类油中有更为优异的高温老化耐受表现。下图为FR3天然酯绝缘油与矿物油的对比：

图2绝缘纸浸入天然酯与矿物油的老化试验

根据研究结果，变压器设计时所需的常规绝缘纸把浸入天然酯类油，长时耐热温度显著提高至120°C，这几乎等同于浸入矿物油的高等级耐热绝缘纸的老化性能。

利用绝缘纸在天然酯类油中的高温老化耐受性能提升，变压器内部绝缘系统可设计出更高耐受温度，这一特性帮助提高了绝缘纸的老化寿命。

受益于此，天然酯油类明显提升了变压器的过负载能力。按推测，与同容量级别矿物油变压器比较，天然酯绝缘油变压器的过负载能力可提升至少10%。

3.3利用天然酯类油高燃点提升防火安全性研究

天然酯类油的燃点约360°C，是传统使用的矿物油燃点的3倍多。天然酯类油的高燃点已经超过了变压器起火的临界条件，因此天然酯类油变压器起火可能性降低至几乎为零，使天然酯类油变压器防火安全性得到很大的提升。并且，为其配备的消防系统将有很大的优化机会，例如，简化或去除喷淋系统；缩小建筑物间距；省去防火墙和防火油池。此外，放置变压器的变电站可接受设在环境温度更高的区域。但是必须注意的是，尽管天然酯类油有更好的防火性能，而如果降低配套消防等级设计，是必须与用户协商并且满足相关的规程。

图3常用绝缘液燃点对比

3.4借助天然酯类油消除对环境不利影响的研究

天然酯类油由可再生资源制造，其中，高于98%的成分为植物油,不含任何石油，卤素，聚硅酮及硫成份，极大地降低变压器制造和运行的碳排放量，实现碳平衡(即碳的排放和吸收两方面做出平衡)。

基于OECD导则的口服及水生毒性试验以及环境保护机构标准，对天然酯类油的化学成分在人类和环境的潜在影响进行评估，天然酯类油被认为是低毒性和可完全降解。因此，如果中大型电力变压器发生意外，出现大量绝缘油泄露时，相对于矿物油的高污染，天然酯类油泄露对土壤、水体以及补救成本的影响会减小到可接受程度。

4高能效低损耗设计方案的研究

4.1能效及损耗的影响因素

为了实现变压器的高能效低损耗性能，则需针对关键因素即温升做重点深化研究。

变压器热源所产生的损耗造成设备能效降低是变压器设计的重要关注点。解析变压器内部热源的传递路径，即可针对性进行温升设计优化。

图4 变压器内部散热路径图

4.2天然酯绝缘油对温升的影响

相较于传统矿物油，天然酯绝缘油有更大的运动黏度，因此温升设计方案需对应调整。特别对内部有着大量绝缘油的电力变压器的影响就更为明显，分析时可把变压器油看作损耗源与冷却设备间的加热器，变压器油流过线圈、角环、散热器等包含几何形状油道的部件，将线圈的热量传递到冷却设备。油的冷热转换基本上都是通过冷却设备达到，但也有一小部分热量是通过油箱壁传递到空气中。总之，整个设备的热量传递是通过油循环完成的。

图5热能损耗传递路径

我们把整个冷却系统分为两部分，第一部分是热源，第二部分是散热设备。两者是相互联系，但在分析模型上，是可分开考虑的。在发热源器身与冷却设备的油循环是存在外在压力，油压存在于器身自身、冷却器自身、以及两者之间。这个外在压力可看作油泵把油送到各个部分。基于绝缘油运动黏度计算的压降变化是油流速度很重要的因素。

此时也可发现，从温升结果看，天然酯油有相对更差的冷却性能，需要注意用其他冷却设计方式来抵消缺点达到整体的优良性能。

图6 各类型绝缘油冷却参数对比

4.3温升的设计标准

变压器最终设计方案，需确保达到温升的关键参数如下：

绕组温升：这是影响能效及损耗的重要参数，但也是最难以准确测量的参数。因此，将采用通过与其关联的其他温度参数创建数学计算模型。

顶油温升：指变压器油箱顶部的内部油温升，通常认为与冷却部件（散热器或冷却器）油流入口的油温度一致。

底油温升：指变压器油箱底部的内部油温升，通常认为与冷却部件（散热器或冷却器）油流出口的油温度一致。

平均油温：此参数可由冷却曲线驱动计算，并可通过温升试验获得相关数值。

基于各个重要的国际标准论述，进而对温升要求进行系统性解析：

1)IEC 60076-7《电力变压器-第7部分：油浸式变压器加载指南》对加载工况下的最大允许温升要求为:

2)IEC 60076-2《电力变压器-第2部分：温升》对温升的强制性要求为：

3)IEEE C57.91《干式配电和电力变压器的标准试验代号》对最大温升要求的指导性原则为：

5总结

低碳高能效电力变压器通过采用环保材料、优化设计，实现变压器全生命周期内碳排放的大幅度减少。基于提供更优质电力变压器的理念，深挖及利用新材料、新设计特性，对关键性能指标如损耗、寿命、安全性等研制出更高标准的产品，使设备能承受更多难以预测的影响因素的冲击，并给电力供给带来了更好的经济效益和社会效益，从而保证新型变压器的良好竞争力。

参考文献：

[1] 液浸式变压器的温升，GB 1094.2，变压器油标准[S]

[2] 电力变压器 第7部分：油浸式电力变压器负载导则，GB/T 1094.7，变压器油标准[S]

[3] Power transformers - Part 2: Temperature rise for liquid-immersed transformers，IEC 60076-2:，变压器油标准[S]

[4] Power transformers - Part 7: Loading guide for mineral-oil-immersed power transformers, IEC 60076-7:，变压器油标准[S]

[5]谢毓城, 电力变压器手册. 北京: 机械工业出版社,2003