材料采用芳綸基高溫絕緣材料，而不是絕緣紙來增強變壓器的高溫絕緣性能是新型油浸式變壓器的另一個特點。新型油浸式變壓器采用IEC 61100/61039規定的K級防火合成酯，其燃點超過300°C，可以比礦物油在更高的溫度下運行，且變壓器運行時酯油不易轉化成氣體，油箱爆裂的風險幾乎為零，因此提高了產品的耐高溫性能和使用壽命。圖3給出了合成酯、天然酯和礦物油的閃點及燃點，可以看出酯類油比礦物油的閃點和燃點溫度分別高出近一倍，因此具有更優的耐高溫性能和防爆防火性能。
近些年，合成酯或天然酯已在國內外高電壓大容量的電力變壓器上有廣泛的應用（圖4為容量為300MVA、電壓為420kV的酯類油變壓器），其技術和安全可靠性得到了實踐的檢驗。與常規變壓器采用的礦物絕緣油相比，酯類絕緣油在自然環境下可降解，即使泄漏也不會對環境產生污染。圖5顯示了合成酯、天然酯和礦物油的降解周期比較，酯類油在30天內基本可完全降解，而礦物油則只降解了不到20%。所以與傳統礦物絕緣油變壓器相比，新型油浸式變壓器的環境適應性更強，也更環保。
三、兼顧海洋工況的增強型功能設計
盡管安裝在戶內（機艙或塔筒內），但在設計上，變壓器仍須具有耐受海上惡劣環境的能力，如抗高鹽度和高濕度空氣腐蝕的能力、抗風和海浪引起的風電機組振動及擺動的能力等。采用全密封型的外殼設計、嚴格的殼體焊接加工、全面的箱體探傷測試和增強的表面涂裝等改善工藝，能夠加強海上變壓器的防腐和抗振性能，并使其滿足ISO的C4H級要求。同時通過額外的振動試驗也可進一步驗證變壓器的抗振性能，如新型66kV油浸式變壓器順利通過的1500次X-Y-Z方向上3g的振動臺加速度試驗。
此外，水分是影響變壓器絕緣性能及壽命的關鍵因素。絕緣材料在生產和使用中不可避免地會吸收水分，而絕緣材料中的水分越高，越容易使其加速老化。酯類絕緣油具有很強的吸水性（圖6為酯類油和礦物油吸水速度的對比），能夠吸收依附在絕緣材料中的水分，使絕緣材料保持干燥，降低絕緣材料的老化速度：雖然這些水分會造成酯類絕緣油本身的含水量上升，但這對其擊穿電壓的影響幾乎可以忽略不計。如圖7所示，只有當含水量接近600ppm，酯類絕緣油的擊穿電壓才會有顯著下降，而這個值已經遠遠超過相關標準里對含水量的要求;與在礦物油中相比，酯類油中絕緣紙的老化速度慢了近45%（圖8）：經驗表明，與傳統采用礦物油的變壓器相比，采用酯類絕緣油的變壓器的維護需求更低，使用壽命更長，更適用于海上工況。此外，變壓器還配備了免維護呼吸器，所以即便在全密封失效后，呼吸器還能保證變壓器油不受潮，從而保證變壓器的壽命。
66kV GIS開關設備
風電機組內66kV開關設備主要用于升壓變壓器和風電機組集電電纜之間的連接，對風電機組電氣主回路進行投切、控制和保護。由于SF6具有卓越的絕緣性能和滅弧性能，因此在傳統高壓開關產品（>52kV）中得到了廣泛的應用，尤其是在GIS開關產品中。但同時作為一種全球變暖潛能GWP高達23900的溫室氣體，SF6對環境的負面影響也為人們所詬病。推進電力開關設備SF6氣體替代技術也被中國政府納入非CO2類溫室氣體減排的重要措施中;在國際上，出于環保考慮，各國政府也都在限制含氟類氣體，尤其是SF6的使用。因此為了滿足風電場的系統電壓升級需求和日益嚴苛的環保減排要求，該66kV GIS開關采用了潔凈空氣絕緣和真空斷路器滅弧技術，其設計考量和技術特點主要有如下幾點：
一、環保型設計理念
作為GIS開關設備絕緣介質的潔凈空氣是由79.5%的N2和20.5%的O2組成的合成氣體。表1給出了潔凈空氣與SF6主要氣體特性的比較：與SF6相比，潔凈空氣的全球變暖潛值GWP（Global Warming Potential）為零，實現了真正意義上的CO2零排放，同時其臭氧消耗潛值ODP（Ozone DepletionPotential）也為零：可以保持長期運行的化學穩定性（滅弧時伴隨高可逆的電離分解，使得隔離開關和接地開關始終具有足夠的滅弧性能和絕緣性能）;其低溫適應性強，在低至-55°C的環境低溫下不液化;自身不易燃，帶來更低的防火成本;材料兼容性優異，不會給設備的其他部件帶來負面影響;無氣體回收需求，處理更便捷，回收成本低;此外其自身和燃弧后的化學分解物均無物理毒性，無通風要求，更安全環保。雖然同等氣壓下潔凈空氣只具備約43%的SF6絕緣強度，但通過對充氣壓力和部件尺寸的設計優化以及電場的精準控制，就能夠獲得足夠的絕緣配合水平，從而滿足GIS設備的絕緣性能要求。
二、成熟可靠的真空滅弧技術
從20世紀70年代開始，由于優異的滅弧性能、高機械壽命和高可靠的免維護性能，真空滅弧室逐步在中壓配網領域（≤40.5kV）成為主流應用。近些年，隨著產品設計軟件能力增強、零部件材料改進和生產工藝優化，單斷口高壓真空滅弧室也逐步被開發和應用于高壓輸電電網。圖9比較了常規SF6自能式滅弧室與真空滅弧室在觸頭結構和燃弧時的不同。與SF6滅弧室相比，真空滅弧室主要優點有：
（1）高可靠性：使用了密封封裝的真空斷路器消除了來自外部的影響，沒有任何分解物，從而不會引起系統絕緣的劣化。
（2）高短路開斷次數：燃弧時間短、電弧擴散且弧電壓低，對觸頭的燒蝕少，因此在產品全壽命周期內對額定電流的開斷和額定短路電流的開斷次數更高。
（3）尤其適用于低溫環境和需頻繁操作的應用場景。
（4）因為真空狀態下觸頭不會氧化，觸頭系統的接觸電阻非常小，通流后的溫升小。
（5）高可利用性：高自動化的批量生產工藝，排除人為的裝配失誤。
三、緊湊型的結構設計
本66kV環保型GIS是專門為了滿足大功率風電機組的應用而設計的。為了適應風電塔內有限的安裝空間，其被設計得非常緊湊：首先采用了體積較小（高度更低）的真空滅弧室，而不是常規的SF6滅弧室來降低整個GIS間隔的高度：其次將隔離開關和接地開關等所有功能模塊都整合在斷路器氣室中，形成單一的氣室結構，這樣設計不僅減少了設備零部件的數量和整體重量，減少了設備部件問拼接面的數量（從而降低了整間隔漏氣的風險），而且可實現整間隔生產和試驗，便于設備的后續運輸和現場安裝。
四、兼顧功能和安全的組件設計
風電機組內開關設備主要是電纜進出線，分別連接發電側的變壓器和網側的集電電纜，因此本66kV GIS采用變換多樣的電纜進出線布置來滿足風電場內電纜的連接需求。斷路器采用電動彈簧儲能機構作為操作動力，同時考慮到風電機組間集電電纜的長度（幾百米到幾公里不等）及其較高的對地電容（約為同等長度常規陸上架空線路的十幾倍），其電纜充電電流開合水平和延長電壽命設計水平分別達到c2和E2等級要求，功能上完全契合了風電系統的特殊運行工況。整合在斷路器氣室中的隔離開關和接地開關均采用三工位結構，可配置多達3個三工位開關，其中下部接地開關配有電動彈簧儲能機構，在下部網側線路發生故障時可對設備提供快速的接地保護。此外氣室頂部還配備了一個防爆膜作為壓力釋放裝置，進一步提升了設備整體的安全性能。所有電纜艙采用了與中壓環網柜電纜艙相似的設計，每個艙室中每相可并聯安裝多達3個用于電纜和/或避雷器連接的F3型T接插頭，滿足多樣的集電電纜拓撲結構及其接線要求，并依照IEC 62271-200的試驗要求進行了電纜艙內部燃弧型式試驗（25kA/Is）來進一步驗證設計的安全性。此外在電纜艙室中還可以安裝用于系統測量和保護的電流互感器和電壓指示裝置。
與變壓器的設計理念一樣，為了滿足海上特殊運行工況要求，通過對GIS零部件涂層厚度（如殼體油漆）和對材料（如控制柜不銹鋼）等的特殊要求、在工廠部件裝配過程中對密封拼接面和外露金屬部件等的特殊防腐工藝要求和控制、工廠出運前/現場安裝后的涂層修補措施等來保證GIS的防腐性能。在防腐性能方面除了滿足相關IEC標準的要求，其保護等級也達到了ISO C4H級，并通過了ISO標準要求的諸如鹽霧腐蝕試驗、樣塊冷凝水氣候測定、耐含二氧化硫潮濕空氣測定以及油漆附著力檢測等多項驗證試驗。
對于抗振性能，通過在產品設計初期對該GIS的布置結構進行相關的受力計算來確定GIS安裝基礎、鋼結構支撐等所需的設計強度及后續安裝固定工藝要求。如斷路器底座鋼結構基礎的受力計算需要考慮開關設備自身重量的靜載荷、熱膨脹載荷、導體張力、斷路器操作力、擺動/振動三維受力載荷，甚至是內部燃弧故障作用力等各種因素。這些考量和設計計算都保證了該66kV GIS設備具有足夠的機械強度和抗振性能。此外還通過X-Y-Z方向上的0.5g振動試驗驗證了其抗振可靠性。
現場運行實例
2017年9月，丹麥的Nissum Brodning Vind風電場安裝了4套該66kV電氣系統。由于風電場離岸距離近，4臺7MW風電機組，通過與該66kV電氣系統環接后再與岸上變電站直連（圖10中兩個紅圈設備分別是66kV油浸式變壓器和66kV環保型GIS）。此外在英國的EastAngliaI和荷蘭的Borssele I+II風電場，該環保型的66kV系統設備也在陸續交付使用，并實現部分送電。
結論
本文所述基于先進環保技術、為大功率風電機組設計、緊湊型66kV電氣系統已成功開發并投放市場。與常規66kV電氣系統相比，其所采用的合成酯絕緣技術、潔凈空氣絕緣技術以及高壓真空滅弧技術等在保證或提升設備性能的同時，在設計和運維上實現了環境友好，契合了風電作為可再生能源的綠色環保理念。同時首個66kV風電場項目經驗表明，該66kV電氣系統現場安裝簡單、運行操作安全可靠。隨著政府和社會環保減排意識的增強和對海上風電開發力度的增加，國內深遠海風電場對場內66kV電氣系統的需求也將變得更加迫切，因此該環保型66kV電氣系統具有巨大的應用前景。