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高穩定性植物絕緣油關鍵技術及應用

植物絕緣油具有高燃點、可再生、可降解、無毒害的特點，是一種環保型液體電介質。歐美在上世紀90年代研制出植物絕緣油商業化產品，至2006 年，美國Cooper電力的FR3植物絕緣產品已在上萬臺配電變壓器中應用，處于市場壟斷地位，但價格昂貴，國內難以普遍應用。由于我國電力行業缺乏新型植物絕緣油的研究經驗，面臨著大量的難點問題亟待解決，主要涉及三個方面：(1)需要解決植物絕緣油擊穿電壓低、介質損耗與運動粘度高、抗氧化能力差的問題，研制出一種高穩定性的植物絕緣油；(2)需要揭示水分和雜質等因素對植物油紙絕緣擊穿特性的影響規律，建立植物油紙絕緣在多因素下的壽命模型；(3)植物絕緣油與礦物絕緣油具有本質的差異，已有標準的油中溶解氣體分析方法無法適用于植物絕緣油變壓器的故障診斷，需要在大量的試驗研究和理論分析基礎上建立新的植物絕緣油中特征氣體評估方法。本成果針對上述問題： 1. 主要技術的創新點體現在以下4個方面： (1) 在植物絕緣油批量制備工藝和方法上取得突破，發明了我國首套植物絕緣油批量生產成套設備。在實驗室研究成果的基礎上，發明了植物絕緣油批量多次堿煉和深度吸附工藝及方法，研制出我國首套年產300噸植物絕緣油的中試生產線和年產1500噸植物絕緣油成套設備，并投入產業化批量生產，油品各項指標達到預期要求。 (2) 發明了高穩定性植物絕緣油性能調控技術和制備工藝方法，發明了高穩定性山茶籽、菜籽絕緣油，在提高植物絕緣油氧化安定性、降低油品介質損耗與凝點方面取得突破，技術指標顯著優于國外產品先進水平。 (3) 高穩定性植物絕緣油制備工藝方法及復合抗氧化劑：發現了植物絕緣油中脂肪酸、酚類抗氧化劑、金屬減活劑等含量對油品氧化穩定性的影響規律，發明了植物絕緣油制備工藝方法以及基于多種酚類抗氧化劑和金屬減活劑的抗氧化劑復配技術，發明了高穩定性山茶籽和菜籽植物絕緣油，新油主要理化與介電性能指標與國外同類產品先進水平，其中擊穿電壓(85kV/2. 5mm)、介質損耗(1. 48%/90°C)、起始氧化溫度(210°C)等三個主要指標顯著優于國外同類產品水平。 (4) 高穩定性植物絕緣油單分散納米添加劑：發現了納米粒徑與表面活性劑對納米液體電介質陷阱深度的影響規律，在此基礎上調控納米四氧化三鐵粒徑與表面活性劑厚度，發明了具有分散性且性能穩定的四氧化三鐵改性納米植物絕緣油，解決了納米粒子在液體電介質中難以分散穩定的問題。關鍵技術體現在以下4個方面： (1) 發明了植物絕緣油量產的多次堿煉和深度吸附技術，解決了量產油品脫酸和介質損耗難以降低的問題，研制出我國首套具有全部自主知識產權的年產 1500噸植物絕緣油量產成套設備。 (2) 發明了抗老化的混合絕緣油，設計了植物絕緣油變壓器內部結構。本成果建立了植物油浸紙電、熱老化的壽命模型，提出一種抗老化混合絕緣油的制備方法，調整變壓器內部絕緣結構增加變壓器散熱性能和使用壽命，取得的創新性成果有： (a) 提出了植物絕緣油浸紙熱老化壽命模型，揭示了植物油浸紙比礦物油浸紙具有更高的電、熱老化特性；建立了植物油浸紙電、熱老化的壽命模型與水解動力學模型，揭示了絕緣紙剩余壽命隨水解老化程度變化的規律；發明了 —種礦物油-天然酯混合絕緣油，發現自然酯分子與纖維素發生酯化反應生成的酯基、水分向植物油中遷移是延緩絕緣紙纖維素老化根本因素。 (b) 發現植物絕緣油-紙絕緣中熱穩定紙聚合度明顯高于普通紙，采用熱穩定紙、增大油道及調整鐵親絕緣等技術優化植物絕緣油變壓器絕緣結構，有效提高了變壓器的綜合性能。 (3) 植物油變壓器油中溶解氣體分析技術及油品現場運行維護技術，解決了傳統油中溶解氣體分析方法誤判率高和缺乏植物絕緣油現場處理手段的問題，提高了植物油變壓器的運行可靠性。 (a) 植物油變壓器油中溶解氣體分析技術：發現植物油變壓器電熱故障特征氣體含量與礦物絕緣油變壓器的具有顯著差異，導致已有的變壓器油中溶解氣體分析方法不適用于植物油變壓器故障診斷，發明了適用于植物絕緣油故障診斷的改進杜威三角形分析技術，建立了以H、CH和CH及H、CH和CH為特征量的電、熱故障診斷模型，并定義了新的故障邊界條件，改進杜威三角形技術診斷正確率從59%提高到87%。 (b) 植物油變壓器運維技術：通過大量油品劣化特性的試驗研究，發明了以酸值、粘度、水分和介質損耗為關鍵指標的植物絕緣油劣化程度評估技術，發明了以復合過濾微分凈化濾芯為關鍵技術的吸濾一體化植物絕緣油離線及在線處理技術和成套設備，填補了植物油變壓器現場運維技術的空白。 (c) 基于以上關鍵技術發明，開發出10kV、35kV兩個電壓等級綠色高效植物油配電變壓器系列新產品，發明了 2套植物絕緣油批量生產線和1套植物油紙絕緣及部件電熱老化試驗平臺，為植物油變壓器絕緣系統設計和安全運行提供了基礎數據。市場及經濟效益分析：隨著社會經濟深入發展，人們對用電可靠性要求不斷提高，電網公司提出推進綠色電網建設，變壓器絕緣油是電氣絕緣油最重要的產品，占電氣絕緣油市場總需求的98%以上，植物絕緣油配電變壓器已被列入國務院《中國制造2025》重點領域技術路線圖和國家三部委聯合印發的《配電變壓器能效提升計劃》中，具有廣闊的產業化前景。團隊介紹：團隊為“高電壓輸配電裝備安全理論與技術”國家自然科學基金創新群體，擁有國家杰青及長江學者特聘教授4人、新世紀優秀人才1人(以上數據不重復統計)。團隊圍繞學科前沿科學和國家重大需求，持續開展高電壓輸配電裝備運行安全應用基礎理論及關鍵技術研究，自然形成了高電壓設備狀態監測與故障診斷、復雜大氣環境中電氣外絕緣、輸配電系統過電壓防護、電工絕緣新材料與新技術等四個方向，作為負責單位承擔了國家973項目1項、 973課題7項、863課題2項、國家自然科學基金重點項目3項等，獲得國家科技進步一等獎1項、二等獎3項，國家技術發明二等獎1項。

重慶大學 2021-04-11

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