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高稳定性植物绝缘油关键技术及应用

植物绝缘油具有高燃点、可再生、可降解、无毒害的特点，是一种环保型液体电介质。欧美在上世纪90年代研制出植物绝缘油商业化产品，至2006 年，美国Cooper电力的FR3植物绝缘产品已在上万台配电变压器中应用，处于市场垄断地位，但价格昂贵，国内难以普遍应用。由于我国电力行业缺乏新型植物绝缘油的研究经验，面临着大量的难点问题亟待解决，主要涉及三个方面：(1)需要解决植物绝缘油击穿电压低、介质损耗与运动粘度高、抗氧化能力差的问题，研制出一种高稳定性的植物绝缘油；(2)需要揭示水分和杂质等因素对植物油纸绝缘击穿特性的影响规律，建立植物油纸绝缘在多因素下的寿命模型；(3)植物绝缘油与矿物绝缘油具有本质的差异，已有标准的油中溶解气体分析方法无法适用于植物绝缘油变压器的故障诊断，需要在大量的试验研究和理论分析基础上建立新的植物绝缘油中特征气体评估方法。本成果针对上述问题： 1. 主要技术的创新点体现在以下4个方面： (1) 在植物绝缘油批量制备工艺和方法上取得突破，发明了我国首套植物绝缘油批量生产成套设备。在实验室研究成果的基础上，发明了植物绝缘油批量多次碱炼和深度吸附工艺及方法，研制出我国首套年产300吨植物绝缘油的中试生产线和年产1500吨植物绝缘油成套设备，并投入产业化批量生产，油品各项指标达到预期要求。 (2) 发明了高稳定性植物绝缘油性能调控技术和制备工艺方法，发明了高稳定性山茶籽、菜籽绝缘油，在提高植物绝缘油氧化安定性、降低油品介质损耗与凝点方面取得突破，技术指标显著优于国外产品先进水平。 (3) 高稳定性植物绝缘油制备工艺方法及复合抗氧化剂：发现了植物绝缘油中脂肪酸、酚类抗氧化剂、金属减活剂等含量对油品氧化稳定性的影响规律，发明了植物绝缘油制备工艺方法以及基于多种酚类抗氧化剂和金属减活剂的抗氧化剂复配技术，发明了高稳定性山茶籽和菜籽植物绝缘油，新油主要理化与介电性能指标与国外同类产品先进水平，其中击穿电压 (85kV/2. 5mm)、介质损耗(1. 48%/90°C)、起始氧化温度(210°C)等三个主要指标显著优于国外同类产品水平。 (4) 高稳定性植物绝缘油单分散纳米添加剂：发现了纳米粒径与表面活性剂对纳米液体电介质陷阱深度的影响规律，在此基础上调控纳米四氧化三铁粒径与表面活性剂厚度，发明了具有分散性且性能稳定的四氧化三铁改性纳米植物绝缘油，解决了纳米粒子在液体电介质中难以分散稳定的问题。关键技术体现在以下4个方面： (1) 发明了植物绝缘油量产的多次碱炼和深度吸附技术，解决了量产油品脱酸和介质损耗难以降低的问题，研制出我国首套具有全部自主知识产权的年产 1500吨植物绝缘油量产成套设备。 (2) 发明了抗老化的混合绝缘油，设计了植物绝缘油变压器内部结构。本成果建立了植物油浸纸电、热老化的寿命模型，提出一种抗老化混合绝缘油的制备方法，调整变压器内部绝缘结构增加变压器散热性能和使用寿命，取得的创新性成果有： (a) 提出了植物绝缘油浸纸热老化寿命模型，揭示了植物油浸纸比矿物油浸纸具有更高的电、热老化特性；建立了植物油浸纸电、热老化的寿命模型与水解动力学模型，揭示了绝缘纸剩余寿命随水解老化程度变化的规律；发明了 —种矿物油-天然酯混合绝缘油，发现自然酯分子与纤维素发生酯化反应生成的酯基、水分向植物油中迁移是延缓绝缘纸纤维素老化根本因素。 (b) 发现植物绝缘油-纸绝缘中热稳定纸聚合度明显高于普通纸，采用热稳定纸、增大油道及调整铁親绝缘等技术优化植物绝缘油变压器绝缘结构，有效提高了变压器的综合性能。 (3) 植物油变压器油中溶解气体分析技术及油品现场运行维护技术，解决了传统油中溶解气体分析方法误判率高和缺乏植物绝缘油现场处理手段的问题，提高了植物油变压器的运行可靠性。 (a) 植物油变压器油中溶解气体分析技术：发现植物油变压器电热故障特征气体含量与矿物绝缘油变压器的具有显著差异，导致已有的变压器油中溶解气体分析方法不适用于植物油变压器故障诊断，发明了适用于植物绝缘油故障诊断的改进杜威三角形分析技术，建立了以H、CH和CH及H、CH和CH为特征量的电、热故障诊断模型，并定义了新的故障边界条件，改进杜威三角形技术诊断正确率从59%提高到87%。 (b) 植物油变压器运维技术：通过大量油品劣化特性的试验研究，发明了以酸值、粘度、水分和介质损耗为关键指标的植物绝缘油劣化程度评估技术，发明了以复合过滤微分净化滤芯为关键技术的吸滤一体化植物绝缘油离线及在线处理技术和成套设备，填补了植物油变压器现场运维技术的空白。 (c) 基于以上关键技术发明，开发出10kV、35kV两个电压等级绿色高效植物油配电变压器系列新产品，发明了 2套植物绝缘油批量生产线和1套植物油纸绝缘及部件电热老化试验平台，为植物油变压器绝缘系统设计和安全运行提供了基础数据。市场及经济效益分析：随着社会经济深入发展，人们对用电可靠性要求不断提高，电网公司提出推进绿色电网建设，变压器绝缘油是电气绝缘油最重要的产品，占电气绝缘油市场总需求的98%以上，植物绝缘油配电变压器已被列入国务院《中国制造2025》重点领域技术路线图和国家三部委联合印发的《配电变压器能效提升计划》中，具有广阔的产业化前景。团队介绍：团队为“高电压输配电装备安全理论与技术”国家自然科学基金创新群体，拥有国家杰青及长江学者特聘教授4人、新世纪优秀人才1人(以上数据不重复统计)。团队围绕学科前沿科学和国家重大需求，持续开展高电压输配电装备运行安全应用基础理论及关键技术研究，自然形成了高电压设备状态监测与故障诊断、复杂大气环境中电气外绝缘、输配电系统过电压防护、电工绝缘新材料与新技术等四个方向，作为负责单位承担了国家973项目1项、 973课题7项、863课题2项、国家自然科学基金重点项目3项等，获得国家科技进步一等奖1项、二等奖3项，国家技术发明二等奖1项。

重庆大学 2021-04-11