配電網臺區環保型設備電氣性能研究

朱金華，何毅帆，高久國，周金輝，陸 洋，楊 凱，李建英

（1.國網浙江省電力有限公司電力科學研究院，杭州 310014；2.國網浙江省電力有限公司安吉縣供電公司，浙江 湖州 313300；3.西安交通大學 電力設備電氣絕緣國家重點實驗室，西安 710049）

0 引言

實現碳達峰、碳中和是我國生態文明建設和綠色可持續發展的重要組成部分。能源電力領域作為碳達峰、碳中和的主戰場之一，需要從發電、輸電、變電、配電等多個方面入手，全面推動電力系統的綠色化與低碳化。配電網（以下簡稱“配網”）臺區作為電力配送的關鍵組成部分，應用范圍十分廣泛。配網臺區的綠色化與低碳化對支撐“雙碳”目標的實現具有重要意義。

配網臺區是指由電力變壓器、氣體絕緣開關柜、電力電纜組成的配網體系。目前，這三種電力設備應用范圍最廣的主絕緣材料分別為礦物絕緣油、SF6（六氟化硫）氣體和XLPE（交聯聚乙烯）［1-3］。其中，礦物絕緣油由于具有良好的介電性能在油浸絕緣高電壓設備中有著近百年的應用歷史，但礦物絕緣油的生物降解率低于30%，一旦發生泄漏將對局部環境造成不可彌補的損失［4］。SF6是一種溫室效應極強的氣體，其GWP（全球增溫潛能值）是CO2（二氧化碳）的23 500倍，大氣壽命長達3 200 a［5］。XLPE 是一種熱固性絕緣材料，其在壽命到期后只能進行焚燒或掩埋處理，也會帶來巨大的環境壓力［6］。可見，目前配電系統關鍵設備中所用的主要絕緣材料環保性均較差，難以滿足未來電網設備綠色化、低碳化的發展需求。要實現配網臺區的綠色化，關鍵在于實現這些電力設備用關鍵絕緣介質的綠色化替代。

近年來，電力設備絕緣介質的環保替代受到了普遍關注。C.P.Mc Shane 等在不改變現有配電變壓器型式結構的情況下用植物絕緣油替代礦物絕緣油，研究表明植物油吸收絕緣紙中的水分，可使絕緣紙的含水量較低，從而延緩絕緣紙的老化速度。T.V Oommen 等對植物油的理化及電氣性能進行了研究，指出精煉后的植物油具有很高的工頻擊穿電壓，最高值擊穿電壓在80～90 kV［7-10］。Kieffel等人發現C4F7N/CO2（全氟異丁腈/二氧化碳）混合氣體中C4F7N 含量為4%和6%時，其GWP值分別為327 和462，較SF6減少了98%［11-12］。何金良等人研究發現接枝改性聚丙烯擊穿強度高，絕緣性能優異，有作為電纜絕緣材料應用的潛力［13］。李建英等人通過共聚改性路線，開發出了機械模量低且介電性能優異的聚丙烯電纜絕緣材料［14］。可以看出，目前關于環保絕緣介質的研究大都針對材料本身絕緣性能的優化提升，對基于環保絕緣介質在配電設備中實際應用可行性的關注相對較少，且目前國內外缺乏全部采用環保介質絕緣設備構建綠色配電臺區的經驗，嚴重限制了配電設備綠色化變革的進程。

本文分別選取植物絕緣油、C4F7N、聚丙烯作為配網電力變壓器、氣體絕緣開關柜、電力電纜用環保絕緣材料，并與相應的傳統絕緣材料進行了性能對比。基于選擇的材料，設計制造了環保變壓器、開關柜和電力電纜，研究了它們的絕緣性能。在此基礎上，構建了基于新型環保絕緣介質的高承載綠色配網臺區，并評價了其可行性。研究成果將為環保型配網設備的實際應用提供參考。

1 環保介質的絕緣性能研究

1.1 植物絕緣油

選取一種植物絕緣油（美國Cargill 公司FR3?型大豆植物絕緣油）、一種礦物絕緣油（長城牌25號），研究兩者在擊穿強度、介質損耗因數tanδ、體積電阻率、局部放電特性方面的差異。分別選擇0.08 mm厚常規硫酸鹽木漿絕緣紙和2 mm常規硫酸鹽木漿絕緣紙板用以制備油浸絕緣紙/板。將絕緣紙/板在105 ℃的真空烘箱中處理24 h，然后在90℃的絕緣油內浸泡不少于24 h，冷卻至室溫后進行測試。具體測試方法如下：

1）參照GB/T 507—2002《絕緣油 擊穿電壓測定》，采用YSYQ-1型絕緣油試驗儀進行絕緣油工頻擊穿電壓測試。試驗采用陶瓷油杯球形電極，電極直徑為12.5 mm，電極間隙2.5 mm，升壓速率2 kV/s，試驗間隔至少2 min，重復5 次試驗取平均值。采用HT-100 型擊穿電壓測試儀進行油浸絕緣紙/板工頻擊穿電壓試驗，采用Φ25/Φ75圓柱電極系統，升壓速率2 kV/s，重復5 次試驗取平均值。

2）依據GB/T 5654—2007《液體絕緣材料 相對電容率、介質損耗因數和直流電阻率的測量》，采用6517B 型數字高阻計測量絕緣油的體積電阻率。采用圖1（a）所示三電極油杯，施加1 000 V直流電壓，1 min 后讀取數值，每次測試后更換試樣，重復測量3 次取中值。采用圖1（b）所示三電極系統進行油浸絕緣紙/板體積電阻率試驗，施加500 V 直流電壓，1 min 后讀取數值，重復測量3次取中值。

圖1 絕緣油、油浸絕緣紙/板體積電阻率測試電極系統

3）依據GB/T 1409—2006《測量電氣絕緣材料在工頻、音頻、高頻（包括未波波長在內）下電容率和介質損耗因數的推薦方法》規定，采用2821型精密西林電橋進行絕緣油、油浸絕緣紙/板介質損耗因數tanδ 測試。測試電極系統與體積電阻率測試相同。絕緣油測試時施加1 000 V 交流電壓，重復測量3 次。油浸絕緣紙/板測試時施加500 V交流電壓，重復測量3次。

4）采用DPD-2003 局部放電檢測分析系統進行絕緣油、油浸絕緣紙/板局部放電試驗。油杯按照GB/T 17648—1998《絕緣液體局部放電起始電壓測定 試驗程序》要求特制，上針電極尖端曲率半徑為3 μm，下電極為Φ13 mm 的鋼球。其中PDIV（局部放電起始電壓）為局部放電量大于100 pC 時的電壓測量值。油浸絕緣紙/板局部放電試驗上電極采用Φ21 柱型電極，下電極（地電極）為Φ145 mm，邊緣倒角R17.5 弧形電極系統，在常溫油中進行試驗，其中PDIV為局部放電量大于10 pC時的電壓測量值。

絕緣油測試結果如表1所示，可以看到，植物絕緣油的擊穿電壓較礦物絕緣油更高。兩者的體積電阻率接近，植物絕緣油的tanδ 大于礦物絕緣油，PDIV小于礦物絕緣油。綜合來看，植物絕緣油與礦物絕緣油各有優勢，兩者綜合性能接近，植物絕緣油也可滿足應用條件。

表1 植物油和礦物油的絕緣性能對比

油浸絕緣紙/板測試結果如表2 所示。可以看到，植物油浸絕緣紙/板的擊穿強度、PDIV、局部放電量等與礦物油浸絕緣紙/板接近。差異主要出現在體積電阻率和tanδ上，植物油浸絕緣紙/板的體積電阻率均低于礦物油浸絕緣紙/板一個數量級，tanδ相對較大。整體來看，植物油浸絕緣紙/板的各項指標仍能滿足應用需求，可用于變壓器設備的制造。

表2 植物油浸絕緣紙/板和礦物油浸絕緣紙/板的絕緣性能

1.2 C4F7N/CO2混合氣體

C4F7N 在常壓下具有較高的絕緣強度［15］。由于C4F7N 沸點較高（-4.7 ℃），需要與液化溫度較低的CO2、N2等混合使用，以滿足-25 ℃等工況下不液化的需求［16］。本文選用CO2與C4F7N 制備混合氣體，研究不同氣體配比對絕緣強度和局部放電的影響，以確定制備環保型開關柜的最佳氣體配比。

采用圖2所示測試系統進行擊穿電壓與局部放電測試。擊穿測試時采用直徑25 mm 的球-球電極，電極間隙設置為2 mm。局部放電測試時，采用針-板電機系統，針電極長65 mm，下端直徑4 mm，針尖長5 mm，針尖端的曲率半徑0.3 mm，針-板電極固定間距5 mm。每組條件下重復試驗5次，每次間隔3 min。試驗前用無水酒精對密封罐體內部和電極進行仔細清潔，隨后利用真空泵和高精度數字氣壓表對密封罐體進行抽真空，充氣時先充主氣再充緩沖氣體。

圖2 絕緣氣體擊穿與局部放電測試系統

圖3 給出了不同配比的C4F7N/CO2混合氣體壓強與擊穿電壓的關系，可以看到：氣壓對不同組分氣體擊穿電壓的影響是一致的，擊穿電壓在0.1～0.5 MPa 范圍內隨氣壓上升近似呈線性增長；當氣壓高于0.5 MPa 時，氣體的擊穿電壓趨于飽和，壓力繼續提升不會帶來擊穿電壓的顯著增大；此外，少量的C4F7N 氣體加入可以使CO2的擊穿強度顯著提升，混合比從0%升至4%時，擊穿電壓增長最快，這種效應在高壓下更為明顯。混合氣體中C4F7N含量為5%時，其絕緣性能可以達到相同條件下SF6的60%～65%；C4F7N含量為10%時，其絕緣性能可以達到SF6的80%；C4F7N為含量20%時，其絕緣性能可以達到SF6的95%以上。

圖3 不同C4F7N/CO2配比混合氣體壓強與擊穿電壓的關系

表3 中給出了不同配比C4F7N/CO2混合氣體在不同壓強下的PDIV，可以看到，C4F7N 的加入能夠顯著提高CO2氣體的PDIV。當氣壓從0.1 MPa 變化到0.5 MPa 時，C4F7N/CO2混合氣體的PDIV 最多提高14.9 kV，而SF6的PDIV 可提升22.1 kV，表明C4F7N/CO2混合氣體PDIV 的氣壓敏感性低于SF6。另外，C4F7N/CO2混合氣體與SF6的PDIV 差異也隨著氣壓的提升顯著變大，在氣壓低于0.2 MPa 時，混合氣體的PDIV 與SF6十分接近，而在更高氣壓條件下，兩者的差異變大。說明在低氣壓條件下，C4F7N/CO2混合氣體可較好地替代SF6。

表3 不同配比C4F7N/CO2混合氣體及SF6氣體在不同壓強下的PDIV

1.3 聚丙烯絕緣材料

聚丙烯材料因具有熔點高、易加工、環保可回收等特性，可被用作電纜絕緣材料而受到普遍關注［17-20］。本文選取聚丙烯電纜料和XLPE電纜料進行多項性能對比，評價了聚丙烯作為電纜主絕緣的優勢與不足。

擊穿強度測試采用直徑25 mm 的球-球電極，試樣厚度為1 mm，升壓速率2 kV/mm。體積電阻率測試采用標準三電極系統，施加場強為1 kV/mm，取加壓后10 min 時的泄漏電流進行體積電阻率計算，共進行8次測量取平均值。介電常數與tanδ測試在西林電橋上進行，電極系統仍為標準三電極系統，樣品厚度1 mm，測試電壓1 kV。拉伸性能測試在美特斯公司的CMT-4503 電子萬能拉伸試驗機上進行，樣品采用從1 mm厚平板試樣上裁剪的標準啞鈴型試樣，頸部寬4 mm，拉伸速率設定為100 mm/min，每個樣品進行5 次有效試驗并計算平均值作為最終結果。氧化誘導期在210 ℃下進行，氧氣流速控制在50 mL/min。測試結果及參照的相關標準如表4所示。

表4 聚丙烯與XLPE絕緣料的性能對比

絕緣性能上，聚丙烯材料的擊穿強度與體積電阻率均顯著高于XLPE，介電常數、tanδ 則與XLPE 接近，表明聚丙烯材料的絕緣性能優于XLPE。機械性能上，聚丙烯材料的斷裂伸長率優于XLPE，兩者的拉伸強度接近，但聚丙烯的拉伸模量較高，會給聚丙烯絕緣電纜的加工帶來困難。聚丙烯材料的老化性能較XLPE稍差，135 ℃下熱老化10 d后，斷裂伸長率的變化約為9.7%，大于XLPE 的2.1%；氧化誘導期較XLPE 更短，但兩者均能滿足國標的要求。總的來說，聚丙烯絕緣介電性能優于XLPE，機械韌性和耐老化性能不及XLPE，但材料的綜合性能仍能滿足電纜絕緣材料的標準需求，可用作電力電纜的絕緣材料。

2 配網環保型設備性能分析

2.1 植物油絕緣變壓器

采用植物絕緣油設計了10 kV配電變壓器。該變壓器基本采用常規材料生產，工頻耐壓等級為35 kV、1 min；倍頻感應耐壓等級為3 倍頻、2 倍額定電壓、耐壓時間40 s；傳統油紙隔板結構。考慮到植物絕緣油的運動粘度較大，在溫升結構設計時，一律采用4.5 mm全油道設計，確保植物油導熱時的流動性。根據目前市場上運行的植物油變壓器技術數據，10 kV電壓等級植物油絕緣變壓器的結構和傳統礦物油絕緣變壓器沒有本質區別，只是針對植物油的特點，加大了油流通道的尺寸和波紋片的散熱面積，在生產中采用了真空注油的方法。

表5給出了本文設計的植物油絕緣配電變壓器成品試驗結果。生產成品的空載損耗、負載損耗、短路阻抗值、油頂層溫升、低壓線圈平均溫升、高壓線圈平均溫升等參數均能滿足10 kV變壓器的標準需求。

表5 植物油絕緣變壓器成品試驗結果

2.2 環保氣體絕緣開關柜

制備環保氣體絕緣開關柜時，對于混合氣體的配比試驗，除了要考慮絕緣強度，還需結合運行條件考慮液化溫度的影響。本文基于3M公司報道的C4F7N 飽和蒸氣壓數據擬合得到了C4F7N 的Wagner 型方程。考慮到CO2常壓下的液化溫度為-78.5 ℃，遠低于C4F7N，故將混合氣體視作理想氣體，此時混合氣體的液化溫度將僅取決于C4F7N的含量。根據道爾頓分壓定律與擬合獲得的Wagner 方程，可計算得到不同氣壓下C4F7N/CO2氣體配比與液化溫度的關系，結果如圖4所示。可以看出，壓強增大可以提升液化溫度對混合氣體配比的敏感性，C4F7N含量越高，混合氣體的液化溫度越高。

依據圖4 所示C4F7N/CO2氣體配比與液化溫度的關系曲線，在設計充氣壓力不高于0.2 MPa條件下，設計運行溫度可達-30 ℃時，適合的混合氣體配比應在11%左右，再引入適量的O2調節絕緣性能，最終確定C4F7N/CO2/O2混合氣體配比為10%∶82%∶8%。

該絕緣開關柜主開關采用真空開關。機構均采用彈簧機構，氣箱采用3 mm 厚的304 不銹鋼，一次帶電體全絕緣、全密封，進線套管采用符合EN50181 外錐接口的環氧樹脂套管，所有導體搭接面鍍銀，鍍層厚度不低于8 μΩ；靜密封方案采用氟橡膠O 型密封圈，動密封采用骨架油封，密封圈保護劑和油脂均采用與C4F7N不相容的材料，干燥劑采用驗證過的干燥劑，底座二次室采用環網柜成熟方案，材料為2 mm厚覆鋁鋅板。該絕緣開關柜的出廠性能檢測結果如表6 所示，可以看到，采用環保氣體絕緣的開關柜各項性能均滿足指標要求，具備實際應用的潛力。

表6 環保氣體絕緣開關柜檢測結果

2.3 聚丙烯電力電纜

目前國內尚未制定聚丙烯絕緣電纜的標準，且聚丙烯絕緣料的各項性能經調控后與XLPE 相差不大，故依舊參照GB/T 12706.2—2020《額定電壓1 kV（Um=1.2 kV）到35 kV（Um=40.5 kV）擠包絕緣電力電纜及附件 第2 部分：額定電壓6 kV（Um=7.2 kV）到30 kV（Um=36 kV）電纜》中要求的導體根數、絞合方式、絕緣厚度、屏蔽厚度、內外護套厚度、鋼帶鎧裝和銅帶屏蔽等，制備聚丙烯絕緣電纜。該電纜設計參數如表7所示。基于上述設計參數制備的電纜成品，并參照GB/T 12706.2—2020 中的型式試驗方案進行了驗證，該電纜順利通過了所有型式試驗項目。

表7 聚丙烯電纜的設計參數

針對聚丙烯絕緣硬度大、耐老化性能較差等缺點，選擇了部分相關試驗項目及結果列于表8。可以看到，聚丙烯電纜可在直徑1.7 m的圓柱上完成3次彎曲試驗，彎曲后進行的局部放電檢測也未發現大于背景的局部放電信號，表明聚丙烯電纜能耐受安裝過程中可能出現的彎曲、打折等工況。高溫下電纜的tanδ僅有0.000 23左右，表明聚丙烯電纜在高溫下運行時不會產生較大損耗。低溫沖擊試驗表明，聚丙烯電纜能在低溫環境下耐受一定的沖擊應力，能滿足電纜的常規需求。耐老化性能的研究結果顯示，聚丙烯電纜在135 ℃下老化168 h后，斷裂伸長率與抗張強度的變化范圍均在可接受范圍內。這些檢測結果表明，聚丙烯電纜相對較差的幾項指標也能滿足中壓電纜的使用需求，具備替代XLPE應用的潛力。

表8 聚丙烯電纜部分型式試驗檢測結果

3 構建基于環保絕緣介質的綠色臺區

基于前文設計的環保型變壓器、開關柜、聚丙烯電力電纜，構建了綠色配網臺區，其各部分關聯關系如圖5所示。該臺區采用從新型環保氣體環網柜出線、通過10 kV聚丙烯電纜連接至植物油絕緣箱式變壓器的組建方式，通過各類監測裝置、新型智能融合終端等對設備本體及負荷情況進行監測，并在后臺進行展示。采用該模式在浙江安吉建設的綠色配網臺區示范帶目前已投入使用，運行狀態良好。據統計，該臺區設備8 h過載能力較傳統設備可提升約30%，顯著提升了配網臺區的彈性裕度水平。綠色配網臺區的示范應用驗證了基于環保型絕緣介質的電力設備的實用性以及各設備間的匹配性，為國內環保型配網系統的應用推廣提供了參考。

圖5 綠色配網臺區構建模式

4 結論

本文評估了植物絕緣油、C4F7N、聚丙烯三種環保型絕緣介質分別作為變壓器、開關柜、電力電纜絕緣材料的可行性，并基于這三種絕緣介質制備了相應的電力設備，對比了環保型電力設備與傳統設備的性能差異，構建了環保配網臺區并研究了其運行特性。主要結論如下：

1）與礦物絕緣油相比，植物絕緣油擊穿電壓更高，tanδ更大，PDIV較低。二者體積電阻率相近。整體來看二者絕緣性能相當。采用植物油和礦物油分別制備的絕緣紙與絕緣紙板的絕緣強度差異也不大。

2）C4F7N/CO2混合氣體中C4F7N 含量為15%時，其絕緣性能可以達到相同氣壓條件下SF6的90%。當氣壓從0.1 MPa 變化到0.5 MPa 時，C4F7N/CO2混合氣體的PDIV 最多提高14.9 kV。氣壓低于0.2 MPa 時，混合氣體的PDIV 與SF6十分接近，可較好地替代SF6。

3）聚丙烯材料的擊穿強度與體積電阻率均顯著高于XLPE材料，介電常數、tanδ均與XLPE接近，斷裂伸長率優于XLPE，二者的拉伸強度接近，但聚丙烯的拉伸模量較高，老化性能稍遜于XLPE。

4）基于環保絕緣介質設計制造的環保型配電變壓器、開關柜與聚丙烯電纜的各項指標均能滿足10 kV運行電壓下的標準需求。在全環保介質絕緣綠色配網臺區中，各設備間具有較好的匹配性，運行狀況良好，表明在10 kV配網關鍵設備中采用環保絕緣介質的設計方案是切實可行的。