朱金華，何毅帆，高久國(guó)，周金輝，陸 洋，楊 凱，李建英

（1.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014；2.國(guó)網(wǎng)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(xué) 電力設(shè)備電氣絕緣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710049）

0 引言

實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和是我國(guó)生態(tài)文明建設(shè)和綠色可持續(xù)發(fā)展的重要組成部分。能源電力領(lǐng)域作為碳達(dá)峰、碳中和的主戰(zhàn)場(chǎng)之一，需要從發(fā)電、輸電、變電、配電等多個(gè)方面入手，全面推動(dòng)電力系統(tǒng)的綠色化與低碳化。配電網(wǎng)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“配網(wǎng)”）臺(tái)區(qū)作為電力配送的關(guān)鍵組成部分，應(yīng)用范圍十分廣泛。配網(wǎng)臺(tái)區(qū)的綠色化與低碳化對(duì)支撐“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)具有重要意義。

配網(wǎng)臺(tái)區(qū)是指由電力變壓器、氣體絕緣開(kāi)關(guān)柜、電力電纜組成的配網(wǎng)體系。目前，這三種電力設(shè)備應(yīng)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(lián)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(shè)備中有著近百年的應(yīng)用歷史，但礦物絕緣油的生物降解率低于30%，一旦發(fā)生泄漏將對(duì)局部環(huán)境造成不可彌補(bǔ)的損失［4］。SF6是一種溫室效應(yīng)極強(qiáng)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(zhǎng)達(dá)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(jìn)行焚燒或掩埋處理，也會(huì)帶來(lái)巨大的環(huán)境壓力［6］?？梢?jiàn)，目前配電系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備中所用的主要絕緣材料環(huán)保性均較差，難以滿(mǎn)足未來(lái)電網(wǎng)設(shè)備綠色化、低碳化的發(fā)展需求。要實(shí)現(xiàn)配網(wǎng)臺(tái)區(qū)的綠色化，關(guān)鍵在于實(shí)現(xiàn)這些電力設(shè)備用關(guān)鍵絕緣介質(zhì)的綠色化替代。

近年來(lái)，電力設(shè)備絕緣介質(zhì)的環(huán)保替代受到了普遍關(guān)注。C.P.Mc Shane 等在不改變現(xiàn)有配電變壓器型式結(jié)構(gòu)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(duì)植物油的理化及電氣性能進(jìn)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(fā)現(xiàn)C4F7N/CO2（全氟異丁腈/二氧化碳）混合氣體中C4F7N 含量為4%和6%時(shí)，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(fā)現(xiàn)接枝改性聚丙烯擊穿強(qiáng)度高，絕緣性能優(yōu)異，有作為電纜絕緣材料應(yīng)用的潛力［13］。李建英等人通過(guò)共聚改性路線，開(kāi)發(fā)出了機(jī)械模量低且介電性能優(yōu)異的聚丙烯電纜絕緣材料［14］?？梢钥闯?，目前關(guān)于環(huán)保絕緣介質(zhì)的研究大都針對(duì)材料本身絕緣性能的優(yōu)化提升，對(duì)基于環(huán)保絕緣介質(zhì)在配電設(shè)備中實(shí)際應(yīng)用可行性的關(guān)注相對(duì)較少，且目前國(guó)內(nèi)外缺乏全部采用環(huán)保介質(zhì)絕緣設(shè)備構(gòu)建綠色配電臺(tái)區(qū)的經(jīng)驗(yàn)，嚴(yán)重限制了配電設(shè)備綠色化變革的進(jìn)程。

本文分別選取植物絕緣油、C4F7N、聚丙烯作為配網(wǎng)電力變壓器、氣體絕緣開(kāi)關(guān)柜、電力電纜用環(huán)保絕緣材料，并與相應(yīng)的傳統(tǒng)絕緣材料進(jìn)行了性能對(duì)比?；谶x擇的材料，設(shè)計(jì)制造了環(huán)保變壓器、開(kāi)關(guān)柜和電力電纜，研究了它們的絕緣性能。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建了基于新型環(huán)保絕緣介質(zhì)的高承載綠色配網(wǎng)臺(tái)區(qū)，并評(píng)價(jià)了其可行性。研究成果將為環(huán)保型配網(wǎng)設(shè)備的實(shí)際應(yīng)用提供參考。

1 環(huán)保介質(zhì)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(guó)Cargill 公司FR3?型大豆植物絕緣油）、一種礦物絕緣油（長(zhǎng)城牌25號(hào)），研究?jī)烧咴趽舸?qiáng)度、介質(zhì)損耗因數(shù)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(guī)硫酸鹽木漿絕緣紙和2 mm常規(guī)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(nèi)浸泡不少于24 h，冷卻至室溫后進(jìn)行測(cè)試。具體測(cè)試方法如下：

1）參照GB/T 507—2002《絕緣油 擊穿電壓測(cè)定》，采用YSYQ-1型絕緣油試驗(yàn)儀進(jìn)行絕緣油工頻擊穿電壓測(cè)試。試驗(yàn)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(yàn)間隔至少2 min，重復(fù)5 次試驗(yàn)取平均值。采用HT-100 型擊穿電壓測(cè)試儀進(jìn)行油浸絕緣紙/板工頻擊穿電壓試驗(yàn)，采用Φ25/Φ75圓柱電極系統(tǒng)，升壓速率2 kV/s，重復(fù)5 次試驗(yàn)取平均值。

2）依據(jù)GB/T 5654—2007《液體絕緣材料 相對(duì)電容率、介質(zhì)損耗因數(shù)和直流電阻率的測(cè)量》，采用6517B 型數(shù)字高阻計(jì)測(cè)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(shù)值，每次測(cè)試后更換試樣，重復(fù)測(cè)量3 次取中值。采用圖1（b）所示三電極系統(tǒng)進(jìn)行油浸絕緣紙/板體積電阻率試驗(yàn)，施加500 V 直流電壓，1 min 后讀取數(shù)值，重復(fù)測(cè)量3次取中值。

圖1 絕緣油、油浸絕緣紙/板體積電阻率測(cè)試電極系統(tǒng)

3）依據(jù)GB/T 1409—2006《測(cè)量電氣絕緣材料在工頻、音頻、高頻（包括未波波長(zhǎng)在內(nèi)）下電容率和介質(zhì)損耗因數(shù)的推薦方法》規(guī)定，采用2821型精密西林電橋進(jìn)行絕緣油、油浸絕緣紙/板介質(zhì)損耗因數(shù)tanδ 測(cè)試。測(cè)試電極系統(tǒng)與體積電阻率測(cè)試相同。絕緣油測(cè)試時(shí)施加1 000 V 交流電壓，重復(fù)測(cè)量3 次。油浸絕緣紙/板測(cè)試時(shí)施加500 V交流電壓，重復(fù)測(cè)量3次。

4）采用DPD-2003 局部放電檢測(cè)分析系統(tǒng)進(jìn)行絕緣油、油浸絕緣紙/板局部放電試驗(yàn)。油杯按照GB/T 17648—1998《絕緣液體局部放電起始電壓測(cè)定 試驗(yàn)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(shí)的電壓測(cè)量值。油浸絕緣紙/板局部放電試驗(yàn)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(tǒng)，在常溫油中進(jìn)行試驗(yàn)，其中PDIV為局部放電量大于10 pC時(shí)的電壓測(cè)量值。

絕緣油測(cè)試結(jié)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(lái)看，植物絕緣油與礦物絕緣油各有優(yōu)勢(shì)，兩者綜合性能接近，植物絕緣油也可滿(mǎn)足應(yīng)用條件。

表1 植物油和礦物油的絕緣性能對(duì)比

油浸絕緣紙/板測(cè)試結(jié)果如表2 所示?？梢钥吹剑参镉徒^緣紙/板的擊穿強(qiáng)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(xiàn)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(gè)數(shù)量級(jí)，tanδ相對(duì)較大。整體來(lái)看，植物油浸絕緣紙/板的各項(xiàng)指標(biāo)仍能滿(mǎn)足應(yīng)用需求，可用于變壓器設(shè)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(qiáng)度［15］。由于C4F7N 沸點(diǎn)較高（-4.7 ℃），需要與液化溫度較低的CO2、N2等混合使用，以滿(mǎn)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(duì)絕緣強(qiáng)度和局部放電的影響，以確定制備環(huán)保型開(kāi)關(guān)柜的最佳氣體配比。

采用圖2所示測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行擊穿電壓與局部放電測(cè)試。擊穿測(cè)試時(shí)采用直徑25 mm 的球-球電極，電極間隙設(shè)置為2 mm。局部放電測(cè)試時(shí)，采用針-板電機(jī)系統(tǒng)，針電極長(zhǎng)65 mm，下端直徑4 mm，針尖長(zhǎng)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(fù)試驗(yàn)5次，每次間隔3 min。試驗(yàn)前用無(wú)水酒精對(duì)密封罐體內(nèi)部和電極進(jìn)行仔細(xì)清潔，隨后利用真空泵和高精度數(shù)字氣壓表對(duì)密封罐體進(jìn)行抽真空，充氣時(shí)先充主氣再充緩沖氣體。

圖2 絕緣氣體擊穿與局部放電測(cè)試系統(tǒng)

圖3 給出了不同配比的C4F7N/CO2混合氣體壓強(qiáng)與擊穿電壓的關(guān)系，可以看到：氣壓對(duì)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(nèi)隨氣壓上升近似呈線性增長(zhǎng)；當(dāng)氣壓高于0.5 MPa 時(shí)，氣體的擊穿電壓趨于飽和，壓力繼續(xù)提升不會(huì)帶來(lái)?yè)舸╇妷旱娘@著增大；此外，少量的C4F7N 氣體加入可以使CO2的擊穿強(qiáng)度顯著提升，混合比從0%升至4%時(shí)，擊穿電壓增長(zhǎng)最快，這種效應(yīng)在高壓下更為明顯。混合氣體中C4F7N含量為5%時(shí)，其絕緣性能可以達(dá)到相同條件下SF6的60%～65%；C4F7N含量為10%時(shí)，其絕緣性能可以達(dá)到SF6的80%；C4F7N為含量20%時(shí)，其絕緣性能可以達(dá)到SF6的95%以上。

圖3 不同C4F7N/CO2配比混合氣體壓強(qiáng)與擊穿電壓的關(guān)系

表3 中給出了不同配比C4F7N/CO2混合氣體在不同壓強(qiáng)下的PDIV，可以看到，C4F7N 的加入能夠顯著提高CO2氣體的PDIV。當(dāng)氣壓從0.1 MPa 變化到0.5 MPa 時(shí)，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(shí)，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(shuō)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(qiáng)下的PDIV

1.3 聚丙烯絕緣材料

聚丙烯材料因具有熔點(diǎn)高、易加工、環(huán)?？苫厥盏忍匦裕杀挥米麟娎|絕緣材料而受到普遍關(guān)注［17-20］。本文選取聚丙烯電纜料和XLPE電纜料進(jìn)行多項(xiàng)性能對(duì)比，評(píng)價(jià)了聚丙烯作為電纜主絕緣的優(yōu)勢(shì)與不足。

擊穿強(qiáng)度測(cè)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(cè)試采用標(biāo)準(zhǔn)三電極系統(tǒng)，施加場(chǎng)強(qiáng)為1 kV/mm，取加壓后10 min 時(shí)的泄漏電流進(jìn)行體積電阻率計(jì)算，共進(jìn)行8次測(cè)量取平均值。介電常數(shù)與tanδ測(cè)試在西林電橋上進(jìn)行，電極系統(tǒng)仍為標(biāo)準(zhǔn)三電極系統(tǒng)，樣品厚度1 mm，測(cè)試電壓1 kV。拉伸性能測(cè)試在美特斯公司的CMT-4503 電子萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，樣品采用從1 mm厚平板試樣上裁剪的標(biāo)準(zhǔn)啞鈴型試樣，頸部寬4 mm，拉伸速率設(shè)定為100 mm/min，每個(gè)樣品進(jìn)行5 次有效試驗(yàn)并計(jì)算平均值作為最終結(jié)果。氧化誘導(dǎo)期在210 ℃下進(jìn)行，氧氣流速控制在50 mL/min。測(cè)試結(jié)果及參照的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)如表4所示。

表4 聚丙烯與XLPE絕緣料的性能對(duì)比

絕緣性能上，聚丙烯材料的擊穿強(qiáng)度與體積電阻率均顯著高于XLPE，介電常數(shù)、tanδ 則與XLPE 接近，表明聚丙烯材料的絕緣性能優(yōu)于XLPE。機(jī)械性能上，聚丙烯材料的斷裂伸長(zhǎng)率優(yōu)于XLPE，兩者的拉伸強(qiáng)度接近，但聚丙烯的拉伸模量較高，會(huì)給聚丙烯絕緣電纜的加工帶來(lái)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(zhǎng)率的變化約為9.7%，大于XLPE 的2.1%；氧化誘導(dǎo)期較XLPE 更短，但兩者均能滿(mǎn)足國(guó)標(biāo)的要求?？偟膩?lái)說(shuō)，聚丙烯絕緣介電性能優(yōu)于XLPE，機(jī)械韌性和耐老化性能不及XLPE，但材料的綜合性能仍能滿(mǎn)足電纜絕緣材料的標(biāo)準(zhǔn)需求，可用作電力電纜的絕緣材料。

2 配網(wǎng)環(huán)保型設(shè)備性能分析

2.1 植物油絕緣變壓器

采用植物絕緣油設(shè)計(jì)了10 kV配電變壓器。該變壓器基本采用常規(guī)材料生產(chǎn)，工頻耐壓等級(jí)為35 kV、1 min；倍頻感應(yīng)耐壓等級(jí)為3 倍頻、2 倍額定電壓、耐壓時(shí)間40 s；傳統(tǒng)油紙隔板結(jié)構(gòu)?？紤]到植物絕緣油的運(yùn)動(dòng)粘度較大，在溫升結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，一律采用4.5 mm全油道設(shè)計(jì)，確保植物油導(dǎo)熱時(shí)的流動(dòng)性。根據(jù)目前市場(chǎng)上運(yùn)行的植物油變壓器技術(shù)數(shù)據(jù)，10 kV電壓等級(jí)植物油絕緣變壓器的結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)礦物油絕緣變壓器沒(méi)有本質(zhì)區(qū)別，只是針對(duì)植物油的特點(diǎn)，加大了油流通道的尺寸和波紋片的散熱面積，在生產(chǎn)中采用了真空注油的方法。

表5給出了本文設(shè)計(jì)的植物油絕緣配電變壓器成品試驗(yàn)結(jié)果。生產(chǎn)成品的空載損耗、負(fù)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(shù)均能滿(mǎn)足10 kV變壓器的標(biāo)準(zhǔn)需求。

表5 植物油絕緣變壓器成品試驗(yàn)結(jié)果

2.2 環(huán)保氣體絕緣開(kāi)關(guān)柜

制備環(huán)保氣體絕緣開(kāi)關(guān)柜時(shí)，對(duì)于混合氣體的配比試驗(yàn)，除了要考慮絕緣強(qiáng)度，還需結(jié)合運(yùn)行條件考慮液化溫度的影響。本文基于3M公司報(bào)道的C4F7N 飽和蒸氣壓數(shù)據(jù)擬合得到了C4F7N 的Wagner 型方程?？紤]到CO2常壓下的液化溫度為-78.5 ℃，遠(yuǎn)低于C4F7N，故將混合氣體視作理想氣體，此時(shí)混合氣體的液化溫度將僅取決于C4F7N的含量。根據(jù)道爾頓分壓定律與擬合獲得的Wagner 方程，可計(jì)算得到不同氣壓下C4F7N/CO2氣體配比與液化溫度的關(guān)系，結(jié)果如圖4所示?？梢钥闯觯瑝簭?qiáng)增大可以提升液化溫度對(duì)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(jù)圖4 所示C4F7N/CO2氣體配比與液化溫度的關(guān)系曲線，在設(shè)計(jì)充氣壓力不高于0.2 MPa條件下，設(shè)計(jì)運(yùn)行溫度可達(dá)-30 ℃時(shí)，適合的混合氣體配比應(yīng)在11%左右，再引入適量的O2調(diào)節(jié)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(kāi)關(guān)柜主開(kāi)關(guān)采用真空開(kāi)關(guān)。機(jī)構(gòu)均采用彈簧機(jī)構(gòu)，氣箱采用3 mm 厚的304 不銹鋼，一次帶電體全絕緣、全密封，進(jìn)線套管采用符合EN50181 外錐接口的環(huán)氧樹(shù)脂套管，所有導(dǎo)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(dòng)密封采用骨架油封，密封圈保護(hù)劑和油脂均采用與C4F7N不相容的材料，干燥劑采用驗(yàn)證過(guò)的干燥劑，底座二次室采用環(huán)網(wǎng)柜成熟方案，材料為2 mm厚覆鋁鋅板。該絕緣開(kāi)關(guān)柜的出廠性能檢測(cè)結(jié)果如表6 所示，可以看到，采用環(huán)保氣體絕緣的開(kāi)關(guān)柜各項(xiàng)性能均滿(mǎn)足指標(biāo)要求，具備實(shí)際應(yīng)用的潛力。

表6 環(huán)保氣體絕緣開(kāi)關(guān)柜檢測(cè)結(jié)果

2.3 聚丙烯電力電纜

目前國(guó)內(nèi)尚未制定聚丙烯絕緣電纜的標(biāo)準(zhǔn)，且聚丙烯絕緣料的各項(xiàng)性能經(jīng)調(diào)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(dǎo)體根數(shù)、絞合方式、絕緣厚度、屏蔽厚度、內(nèi)外護(hù)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(shè)計(jì)參數(shù)如表7所示?；谏鲜鲈O(shè)計(jì)參數(shù)制備的電纜成品，并參照GB/T 12706.2—2020 中的型式試驗(yàn)方案進(jìn)行了驗(yàn)證，該電纜順利通過(guò)了所有型式試驗(yàn)項(xiàng)目。

表7 聚丙烯電纜的設(shè)計(jì)參數(shù)

針對(duì)聚丙烯絕緣硬度大、耐老化性能較差等缺點(diǎn)，選擇了部分相關(guān)試驗(yàn)項(xiàng)目及結(jié)果列于表8?？梢钥吹?，聚丙烯電纜可在直徑1.7 m的圓柱上完成3次彎曲試驗(yàn)，彎曲后進(jìn)行的局部放電檢測(cè)也未發(fā)現(xiàn)大于背景的局部放電信號(hào)，表明聚丙烯電纜能耐受安裝過(guò)程中可能出現(xiàn)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(yùn)行時(shí)不會(huì)產(chǎn)生較大損耗。低溫沖擊試驗(yàn)表明，聚丙烯電纜能在低溫環(huán)境下耐受一定的沖擊應(yīng)力，能滿(mǎn)足電纜的常規(guī)需求。耐老化性能的研究結(jié)果顯示，聚丙烯電纜在135 ℃下老化168 h后，斷裂伸長(zhǎng)率與抗張強(qiáng)度的變化范圍均在可接受范圍內(nèi)。這些檢測(cè)結(jié)果表明，聚丙烯電纜相對(duì)較差的幾項(xiàng)指標(biāo)也能滿(mǎn)足中壓電纜的使用需求，具備替代XLPE應(yīng)用的潛力。

表8 聚丙烯電纜部分型式試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果

3 構(gòu)建基于環(huán)保絕緣介質(zhì)的綠色臺(tái)區(qū)

基于前文設(shè)計(jì)的環(huán)保型變壓器、開(kāi)關(guān)柜、聚丙烯電力電纜，構(gòu)建了綠色配網(wǎng)臺(tái)區(qū)，其各部分關(guān)聯(lián)關(guān)系如圖5所示。該臺(tái)區(qū)采用從新型環(huán)保氣體環(huán)網(wǎng)柜出線、通過(guò)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(guò)各類(lèi)監(jiān)測(cè)裝置、新型智能融合終端等對(duì)設(shè)備本體及負(fù)荷情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并在后臺(tái)進(jìn)行展示。采用該模式在浙江安吉建設(shè)的綠色配網(wǎng)臺(tái)區(qū)示范帶目前已投入使用，運(yùn)行狀態(tài)良好。據(jù)統(tǒng)計(jì)，該臺(tái)區(qū)設(shè)備8 h過(guò)載能力較傳統(tǒng)設(shè)備可提升約30%，顯著提升了配網(wǎng)臺(tái)區(qū)的彈性裕度水平。綠色配網(wǎng)臺(tái)區(qū)的示范應(yīng)用驗(yàn)證了基于環(huán)保型絕緣介質(zhì)的電力設(shè)備的實(shí)用性以及各設(shè)備間的匹配性，為國(guó)內(nèi)環(huán)保型配網(wǎng)系統(tǒng)的應(yīng)用推廣提供了參考。

圖5 綠色配網(wǎng)臺(tái)區(qū)構(gòu)建模式

4 結(jié)論

本文評(píng)估了植物絕緣油、C4F7N、聚丙烯三種環(huán)保型絕緣介質(zhì)分別作為變壓器、開(kāi)關(guān)柜、電力電纜絕緣材料的可行性，并基于這三種絕緣介質(zhì)制備了相應(yīng)的電力設(shè)備，對(duì)比了環(huán)保型電力設(shè)備與傳統(tǒng)設(shè)備的性能差異，構(gòu)建了環(huán)保配網(wǎng)臺(tái)區(qū)并研究了其運(yùn)行特性。主要結(jié)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(lái)看二者絕緣性能相當(dāng)。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(qiáng)度差異也不大。

2）C4F7N/CO2混合氣體中C4F7N 含量為15%時(shí)，其絕緣性能可以達(dá)到相同氣壓條件下SF6的90%。當(dāng)氣壓從0.1 MPa 變化到0.5 MPa 時(shí)，C4F7N/CO2混合氣體的PDIV 最多提高14.9 kV。氣壓低于0.2 MPa 時(shí)，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(qiáng)度與體積電阻率均顯著高于XLPE材料，介電常數(shù)、tanδ均與XLPE接近，斷裂伸長(zhǎng)率優(yōu)于XLPE，二者的拉伸強(qiáng)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(huán)保絕緣介質(zhì)設(shè)計(jì)制造的環(huán)保型配電變壓器、開(kāi)關(guān)柜與聚丙烯電纜的各項(xiàng)指標(biāo)均能滿(mǎn)足10 kV運(yùn)行電壓下的標(biāo)準(zhǔn)需求。在全環(huán)保介質(zhì)絕緣綠色配網(wǎng)臺(tái)區(qū)中，各設(shè)備間具有較好的匹配性，運(yùn)行狀況良好，表明在10 kV配網(wǎng)關(guān)鍵設(shè)備中采用環(huán)保絕緣介質(zhì)的設(shè)計(jì)方案是切實(shí)可行的。