关于天然酯绝缘油在海上风电项目的应用
01天然酯绝缘油的历史回顾
自从19世纪80年代变压器问世以来，绝缘介质的选择一直是备受关注的课题。传统的油浸式变压器多采用矿物油。虽然矿物油兼具良好的电气性能和冷却性能等优点，但是其重要不足之处在于其燃点低、生物降解性能差，不能满足高燃点防火性能以及对环境保护的要求。在我国，自20世纪80年代中期以来，由于矿物油存在上述主要缺点，为此在一部分变压器应用领域中，环氧浇注变压器在国内几乎成为矿物油变压器默认的替代品。此后如雨后春笋般的环氧变压器生产厂遍及全国各地。时至今日，从总体来说，我国在变压器发展方向方面，主要经历了由矿物油变压器转移到环氧浇注干式变压器这一主要的历程。
与国内发展变压器所经历的过程不同，国外在进行上述变压器两种绝缘方式替换的同时，还重点开发了新一代耐高温、环保可降解的液体绝缘介质变压器。例如，在20世纪90年代末开发了天然酯类液体绝缘液，为不同需求的电力变压器用户提供了另一种可能选择。
在国外利用天然酯作为矿物油的重要替代品，至今已成功应用了 20 余年，特别是在当前高度提倡可靠、节能、安全、环保、防火的今天：天然酯的优异性能更加为变压器市场所青睐。
02天然酯绝缘油变压器与环氧浇注变压器性能比较
过去一个时期，相对而言由于环氧浇注干式变压器在防火和耐污染性能方面均优于常规液浸式变压器，以及无需液体密封和具有较好的短路承受能力等特点，在陆上风电场中得到较广泛的应用。在此情况下，为了承继陆上风电场的成熟经验和商业利益方面的考虑，还将陆上环氧浇注变压器技术推广到海上风电场中。然而近期来随着新型天然酯液浸式变压器在风电，特别是海上风电中应用，表现出的明显优势，以及多年来海上风电厂中所发生的事故表明 ：在高盐雾和剧烈震动环境下使用环氧变压器是具有很高风险的。但是当采用耐高温、高燃点的天然酯液浸式变压器却可以更好地适用于海上风场苛刻环境的需求。同时也改变了变压器行业从不认为变压器会在火灾和环境问题方面存在重大风险的传统观点。
2.1 性能比较
2.1.1环保特性
海上风电对于环保的要求极为严格,如使用传统矿物绝缘油,一旦发生泄露将对海洋生物造成严重的影响,且处理污染需要高昂的成本。2009年,俄罗斯萨扬-舒申斯水电站发生重大事故,近百吨矿物绝缘油泄漏,造成叶尼赛河流域严重污染。因此,应该选用能够替代矿物绝缘油的环保型高燃点液体作为风力发电变压器的绝缘介质。
天然酯是目前最为环保的液体电介质,根据世界经济合作与发展组织 OECD 规定的、国 I 际认定的试验方法测得结果,如图1所示。根据 IEC61039.2008对液体电介质生物降解度的规定,如表1所示,矿物油和硅油都不可降解,不属于环境友好型电介质,不适用于海上风电项目中。
图1：不同绝缘液体降解天数
表1：不同绝缘液降解情况
此外,德国联邦环境署( UBS )还将酯类液体电介质划分为对水无危害的环保类电介质材料品种。按此规定硅油和矿物油被认为对环境有高度危害风险的电介质材料,不允许应用在对生物降解环保有严格要求的变压器中。试验表明,天然酯油对自然界生物、人类、环境无毒无害,是一种真正意义上的绿色环保绝缘油,所以天然酯绝缘油的无毒以及可降解的特性符合海上风电对于保护水源以及水生动物等方面环保要求。
2.1.2 阻燃特性
有关环氧浇注固体绝缘变压器在阻燃特性方面的标准如表2所示。
表2 ：CENELEC HD 464 S1干式变压器的标准
天然酯液体绝缘介质在阻燃特性分类方面的标准 ，如表3。
表3： IEC61100按液体绝缘介质油的燃点的分类
由此表可以看出，K级分类绝缘介质由于其燃点高、净热值低，显著降低了产生火灾的风险。目前，天然酯绝缘油应用已超过20年，据不完全统计，在全球，已超过200万台天然酯油变压器的应用案例中未出现火灾安全事故－NFPA。美国FM得出结论：该绝缘油发展成火灾的概率非常小，美国国家消防协会没有相关火灾或爆炸报告。
依据上述燃点标准分类，对于矿物油、硅油、天然酯和合成酯的分类如表4所示：
表4：绝缘液体的防火属性
对于海上风电场而言，此记录是非常重要的，矿物油的燃点是O级，具有较大的火灾风险。
天然酯绝缘液与环氧树脂绝缘性能的比较如表5所示。
表5：天然酯绝缘液与环氧树脂绝缘主要性能的比较
此外，图2中示出了在经过相同燃烧试验条件下，天然酯变压器和环氧树脂变压器损坏情况比较。图（a）中示出了天然酯变压器经过70分钟外加高温燃烧试验后仍然未受严重损坏，图（b）中示出了在同样的试验条件下环氧浇注树脂变压器损害较大。
图2：酯类绝缘油变压器和环氧树脂变压器的燃烧试验比较
a）酯类绝缘油变压器 （b）环氧树脂变压
2.1.3 冷却特性
环氧浇注干式变压器与天然酯液浸式变压器技术性能方面最基本的区别在于变压器绝缘电介质的差别，环氧干变的绝缘电介质为空气和树脂，而天然酯液浸变压器则为天然酯液体电介质。
所有电气设备在运行中均会产生热量，变压器在运行中产生的热量会引起变压器内部温度上升。对于环氧浇注干式变压器，是通过空气进行热交换，对于液浸式变压器则是通过液体电介质进行热交换，考虑到空气是低效的冷却介质和并具有较低的比热值，为此环氧干式变压器要求较高的冷却流量以有效地进行散热。与此相比，液体介质是具有高热比值和良好导热性的冷却介质，低流量的液体流动冷却即可较高的释放相同的损耗热量。此外，对于海上风电场，当环氧浇注干式变压器利用风机进行冷却时，具有腐蚀性的海洋空气将流过变压器绕组内部时，并将会造成腐蚀。如果将环氧变压器置于密封的柜体内并对冷空气进行过滤处理，其结果将会增加设备尺寸和能量损耗，从而加大了维护工作量，并在冷却风机故障情况下导致风电机组停机。
2.1.4 对过负载和暂态冲击负载的承受能力
海上风电的风电机组由于环境条件的剧烈变化，可能是绕组承受急剧的和较长时间的过负载。对环氧浇注变压器而言，通常出于对膨胀系数的考虑，绕组多采用铝制导体，因铝的膨胀系数比铜更接近于环氧树脂的膨胀系数。但是，铝和环氧树脂的膨胀系数实际上仍有差异的，有时由于热膨胀引起作为环氧树脂绝缘的开裂，形成裂纹。
研究表明，环氧树脂在电场强度集中点处易引起局部放电，同时一旦形成局部放电将无法自行消除或转移，形成潜在的故障发送点。
对于液浸式变压器而言，液体电介质具有适应局部放电和自恢复的能力，在发生局部放电时，新的液体绝缘介质会自动补充到故障点并加以更换，消除了局部放电造成损坏的隐患。
图3：海上风电场环氧浇注变压器的开裂故障
此外，在相关文献中记录了由Siemens公司对在Middelgrunden北部风场10台环氧浇注风电机组升压器（T1-T10）变压器在运行中发生的事故分析，至2006年在总数为20台G环氧浇注式变压器中总计有15台变压器发生故障，除1台因测温元件放置不当引起事故外，其他14台均因环氧树脂变压器树脂形成裂纹引发电弧而损坏。在图3中示出了其中一台环氧干式变压器因树脂开裂形成局部放电的实例。
2.1.5 抗机械应力冲击
当风载冲击风机叶片时，会引起变压器的剧烈地震动，特别是当海上风电场变压器安装在机舱内部或挂在机舱下部时。为了减轻这种震动的影响，采用液浸式变压器可得到极大的改善，此时可将变压器油箱在垂直和水平方向设计为波纹状以吸引震动的能量。此外，还可在变压器内部加强结构件的固定，使得变压器有效部分在任何方向均不会引起位移。
液浸电介质比环氧浇注绝缘方式更能有效地承受震动的位移以及共振低频在5-250Hz时产生的共振应力。
2.1.6 抗谐波性能
由于谐波频率的存在，可使基波波形发生畸变失真，并产生谐波损耗，导致变压器局部过热。电力系统中易受谐波频率影响的设备亦需采用特殊的保护措施，液浸式变压器在抗谐波损耗方面优于环氧浇注式变压器。
2.1.7 能效性及回收成本
美国节能经济委员会在对变压器进行能效性研究中得出结论：“目前采用改良绝缘材料的液浸式变压器的成本比干式变压器的成本更低，可获得更高的效率以及显著节省初始投资和运行成本。”在特殊应用情况，如：风电项目要求采用体积小巧，能新高的变压器的需求日显重要。变压器制造商在正为此进一步优化液浸式变压器的结构以便满足用户的要求。
在表6中示出了一台容量为20KVA变压器，当采用不同绝缘方式时，在回收成本方面的比较。
表6：不同绝缘方式变压器的能效性机回收成本的比较
2.2 不同类型风电变压器比较
在表7中示出了国外天然酯紧凑型变压器、矿物油和环氧树脂三种不同类型风电变压器的比较。
表7 不同类型风电变压器比较
综合上述性能比较，对应用在海上风电场的升压变压器，不难看出：采用天然酯液侵式变压器比环氧浇注变压器具有明显的优越性，在海上风电工程中，出于安全、环保和防火等各方面综合考虑，采用天然酯变压器不失作为首选方案之一。