采用高溫絕緣材料的油浸式

1、采用高溫絕緣材料的油浸式電力變壓器,西安交通大學(xué) 尹克寧,l    傳統(tǒng)的油浸式電力變壓器的繞組絕緣采用紙和漆來包繞，其它的固體絕緣采用纖維素制品，液體絕緣材料則用礦油，其耐熱等級(jí)為A級(jí)，相應(yīng)的繞組溫升限制為65K，頂層油溫則限制為60K。l      為了縮減變壓器的尺寸，適應(yīng)高溫條件下的運(yùn)行并保證預(yù)期的壽命，或是為了制造耐高溫且

2、難燃的油浸變的需要，多年來國(guó)外都致力于研制采用高溫絕緣材料的油浸變，這類變壓器早已開發(fā)出來，并已具有相當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)、制造和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。為此而制定相應(yīng)的IEC標(biāo)準(zhǔn)是當(dāng)務(wù)之急。（在此之前，1997年就已有了相應(yīng)的美國(guó)IEEE標(biāo)準(zhǔn)）。l      研制這類變壓器的關(guān)鍵技術(shù)，除了合理使用絕緣材料之外，還在于弄清變壓器內(nèi)部的溫度分布。迄今，由于變壓器溫度場(chǎng)的仿真數(shù)值計(jì)算已日益成熟，加之依靠光

3、纖測(cè)溫技術(shù)可以更準(zhǔn)確地確定最熱點(diǎn)及繞組內(nèi)部的溫度分布，從而使這類變壓器的研制有了更堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。l      在國(guó)外，采用高溫絕緣系統(tǒng)的油浸變技術(shù)已被成功地用于個(gè)別大容量變壓器、小容量配電變壓器、移動(dòng)式變壓器、牽引變壓器、整流變壓器以及電爐變壓器等等上。,一、前言,二、分類和定義,混合絕緣系統(tǒng)（Hybridinsulation） 所有鄰近繞組導(dǎo)體處均采用高溫固體

4、絕緣材料（包括墊塊、撐條等直接與繞組相接觸的部件）,而纖維素材料只用在低溫區(qū)域 。,1.繞組軸向撐條；2.繞組的頂端、底部的幅向墊塊；3.繞組內(nèi)側(cè)的幅向撐條；4.導(dǎo)線匝絕緣；5.繞組外側(cè)的軸向撐條,,圖1 混合絕緣系統(tǒng),二、分類和定義,半混合絕緣系統(tǒng)(Semi-Hybrid insulation） 高溫絕緣材料只用于導(dǎo)體的絕緣。,圖2 半混合絕緣系統(tǒng),,4.高溫絕緣材料包繞的匝絕緣,復(fù)合絕緣系統(tǒng)（mixe

5、d insulation ) 僅在繞組的熱點(diǎn)區(qū)域采用高溫絕緣材料（包括導(dǎo)體匝絕緣以及墊塊、撐條等的絕緣），而在除此之外的繞組以及低溫區(qū)均采用纖維素材料，其最高溫度限制為105℃。,圖3 復(fù)合絕緣系統(tǒng)（圖中4為熱點(diǎn)區(qū)域所采用的高溫絕緣材料的匝絕緣）,二、分類和定義,,均勻絕緣系統(tǒng)（Homo geneous insulation） 無論繞組絕緣、主絕緣以及鐵心絕緣均采用相同耐熱等級(jí)的絕緣材料（或是傳統(tǒng)材料或是

6、耐高溫材料）。,二、分類和定義,圖4 均勻絕緣系統(tǒng),,高溫固體絕緣材料 指長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行的溫度超過105℃的固體絕緣材料。,二、分類和定義,高溫液體絕緣材料 指絕緣特性、連續(xù)運(yùn)行時(shí)的絕緣和冷卻能力均在礦油（105℃級(jí)）以上的液體絕緣材料。,參考溫度取繞組的平均溫升加上20K。,常規(guī)絕緣（傳統(tǒng)絕緣）指采用礦油以及傳統(tǒng)纖維素材料所組成的絕緣。,耐熱（溫）等級(jí)所采用絕緣材料所容許的最高溫度的數(shù)值，以℃表示。,

7、二、分類和定義,三、絕緣材料的特性,1、固體絕緣材料 固體絕緣材料有各類紙、紙板、薄膜等等。在表1中列出它們的各種參數(shù)。表中列出纖維材料的數(shù)據(jù)，為的是提供與高溫絕緣材料相比較之用。應(yīng)當(dāng)指出的是，當(dāng)它們浸于不同的絕緣液體中時(shí)，其組合絕緣將具有不同的特性。,表1 各種固體絕緣材料的特性,1、固體絕緣材料,表2 繞組導(dǎo)線的絕緣涂層材料,2、導(dǎo)線的涂層絕緣,表3 絕緣液體特性,3、液體絕緣材料,四、溫升特性,

8、當(dāng)采用高溫固體絕緣材料后，絕緣液體將決定變壓器的容許溫度限值。在表4及表5中的溫度是指其上限值?？紤]到材料、結(jié)構(gòu)、配套組件及運(yùn)行條件等影響，還將一定程度地降低。,表4 采用固體絕緣材料浸于變壓器用礦油中的變壓器溫度限值,表5 采用高溫固體絕緣材料以及高溫絕緣油的油浸變壓器的溫升限值,由表4、表5可以看出：在只有繞組絕緣采用高溫固體絕緣材料的絕緣系統(tǒng)中，如液體絕緣材料仍采用傳統(tǒng)的礦油，則只有繞組才容許有較高的溫升，而其他部位的溫升卻仍受油

9、溫所限；反之，當(dāng)采用高溫絕緣液體時(shí)，則整個(gè)變壓器的溫升都可以提高。,五、在設(shè)計(jì)中需要考慮的幾個(gè)問題,由于高溫絕緣等級(jí)變壓器一般是采用高電流密度來設(shè)計(jì)的，因而結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意增加其在外部短路時(shí)的機(jī)械強(qiáng)度。此外，繞組的機(jī)械結(jié)構(gòu)和支撐結(jié)構(gòu)還應(yīng)考慮到當(dāng)變壓器運(yùn)行在高溫范圍時(shí)，可能引起的膨脹或收縮的增大。此外，繞組結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)緊固性好，以保證運(yùn)行安全。 當(dāng)采用高溫絕緣系統(tǒng)時(shí)，其短路時(shí)的最高容許溫度為350℃（對(duì)銅導(dǎo)線）及200℃（對(duì)鋁導(dǎo)線

10、）。 當(dāng)設(shè)計(jì)中選用了具有環(huán)氧樹脂絕緣層的組合導(dǎo)線時(shí)，上述最高溫度還應(yīng)考慮到在高溫條件下，環(huán)氧樹脂的機(jī)械強(qiáng)度會(huì)降低。當(dāng)由于繞組電流密度較高而使短路電動(dòng)力問題突出時(shí)，應(yīng)增加變壓器的短路阻抗以減少電動(dòng)力。,1、耐受短路的能力,高溫絕緣系統(tǒng)的變壓器與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的變壓器其絕緣特性是不同的，由此引起的改變，應(yīng)在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行全面的分析。在設(shè)計(jì)中應(yīng)保證當(dāng)變壓器運(yùn)行在寬廣的溫度范圍時(shí)，其絕緣特性不會(huì)改變。,2、絕緣強(qiáng)度,五、在設(shè)計(jì)中需要考慮的

11、幾個(gè)問題,溫升計(jì)算及其驗(yàn)證對(duì)這類變壓器的設(shè)計(jì)特別重要，尤其時(shí)熱點(diǎn)位置的確定，除了應(yīng)當(dāng)有準(zhǔn)確的數(shù)值計(jì)算之外，還需要依靠試驗(yàn)來驗(yàn)證。對(duì)于復(fù)合絕緣系統(tǒng)，很可能有幾個(gè)不同的熱點(diǎn)。 通常導(dǎo)體對(duì)冷卻液體的溫度梯度是幅向固體絕緣的溫度梯度與邊界上薄層的溫度梯度之和。在高溫絕緣系統(tǒng)中，通常邊界薄層的溫度梯度較之傳統(tǒng)的油變要高。這就意味著在很多情況下，繞組的表面溫度是由絕緣液體的散熱能力所決定的。,3、溫升,五、在設(shè)計(jì)中需要考慮的幾個(gè)問題,A－導(dǎo)

12、體B－固體絕緣材料薄層C－液體邊界薄層D－繞組表面溫度E－冷卻溝道內(nèi)的液體溫度gr－在額定電流下繞組對(duì)液體的平均溫度梯度H－熱點(diǎn)系數(shù)P－與高溫絕緣材料相接觸的熱點(diǎn)溫度Δθ1－在高溫絕緣材料內(nèi)側(cè)的溫度梯度Δθb－在液體絕緣邊界層的溫度梯度λ－固體絕緣材料的導(dǎo)熱率X－導(dǎo)體的輻向尺寸Y－軸向溫度,圖5 導(dǎo)體對(duì)液體的溫度梯度,圖5a 單一絕緣材料,圖5b 兩種絕緣材料,根據(jù)設(shè)計(jì)值與絕緣系統(tǒng)的熱特性，較之傳統(tǒng)變壓器而言，

13、顯然這類變壓器的過載能力是不同的。對(duì)它的過載能力的一般分析原則與公式則與IEC60067－7（油浸變的過載能力）中所介紹的是相同的。但具體的過載水平、溫度和時(shí)間常數(shù)值則并不一樣。對(duì)其具體的過載問題應(yīng)結(jié)合設(shè)計(jì)時(shí)的取值一道考慮。,4、過載能力,五、在設(shè)計(jì)中需要考慮的幾個(gè)問題,具有諧波電流時(shí)將使渦流損耗與雜散損耗增大，這樣將使平均溫升與熱點(diǎn)溫度增大。渦流損耗將沿著繞組的高度而變化，在繞組的中部，由于漏磁通幾乎全部與導(dǎo)體薄層平等，所以損耗較低；

14、相反，在端部則漏磁通基本上與導(dǎo)體相垂直，因而漏流損耗將增大。 由于諧波電流所引起的附加損耗的增大，將使繞組的平均溫升與熱點(diǎn)溫度之間的差值增大。尤其是對(duì)多相整流變壓器，對(duì)此必須特別予以注意。,5、諧波電流的影響,五、在設(shè)計(jì)中需要考慮的幾個(gè)問題,由于這類變壓器的運(yùn)行溫度將高于傳統(tǒng)油浸式變壓器，所以對(duì)其套管、分接開關(guān)、密封件、冷卻器、儲(chǔ)油柜、套管式電流互感器、溫度計(jì)、氣體繼電器等配套組件，都必須重新審查它們是否可以在高溫下運(yùn)行，

15、如不滿足要求，則應(yīng)與供貨廠商協(xié)更換以確保運(yùn)行安全。,6、配套組件,五、在設(shè)計(jì)中需要考慮的幾個(gè)問題,（1）采用高溫固體絕緣材料的液浸式變壓器，可以縮小變壓器尺寸，滿足高電流密度與高溫升情況下運(yùn)行的需要，并能滿足制造高溫難燃變壓器的要求。他可以用于移動(dòng)式變壓器、牽引變壓器、電爐變壓器和整流變壓器等。由于這種變壓器不僅原材料價(jià)格貴、增加生產(chǎn)成本，而且損耗高、對(duì)節(jié)能不利，因而可以認(rèn)為它的應(yīng)用范圍是有限的。（2）國(guó)外有用高溫絕緣材料浸以難燃液

16、體制作小型配電變壓器的例子，近年來國(guó)內(nèi)也有類似報(bào)導(dǎo)。據(jù)稱，由于這類小型液浸式配電變壓器不易燃燒，因此可放置于戶內(nèi)，其成本甚至比干式變壓器還低等。但這些介紹忽略了一點(diǎn)，即這種配電變壓器仍屬于油浸式變壓器的一種，因此，油浸式變壓器的一些固有缺點(diǎn)（如滲漏油、維護(hù)工作量大等）依然存在，而且其損耗較高，對(duì)節(jié)能不利。盡管用了β油這類難燃油，但其燃點(diǎn)仍較干式變壓器要低得多。所以，想用這類變壓器來取代干式變壓器是不可能的。,六、 結(jié)論與發(fā)展前景展望,（

17、3）設(shè)計(jì)制造一臺(tái)優(yōu)質(zhì)的高溫絕緣系統(tǒng)變壓器的關(guān)鍵在于弄清變壓器內(nèi)部的溫度分布、熱點(diǎn)位置等，以便更加優(yōu)化配置高溫絕緣材料的使用，求得技術(shù)、經(jīng)濟(jì)的最優(yōu)化。（4）可以用在高溫絕緣系統(tǒng)變壓器中的固體、液體絕緣材料的類型多種多樣，即使同一化學(xué)名稱的絕緣材料，不同廠家也有其不同商標(biāo)牌號(hào)，因此，設(shè)計(jì)者在具體選用時(shí)應(yīng)注意技術(shù)與經(jīng)濟(jì)的統(tǒng)一，不要被一些片面宣傳所蠱惑。（5）設(shè)計(jì)、制造高溫絕緣系統(tǒng)變壓器時(shí)，必須選擇與其溫升相配套的組件，否則將給運(yùn)行帶來

18、隱患。另外，高溫下運(yùn)行的絕緣液體也容易形成氣泡，給高壓變壓器絕緣系統(tǒng)的安全運(yùn)行帶來危害。（6）我國(guó)幾年前制定的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《高燃點(diǎn)絕緣油電力變壓器》存在明顯的不足，今后應(yīng)隨著IEC有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的正式發(fā)布加以重新修定，這樣才能正確指導(dǎo)這類變壓器的設(shè)計(jì)、制造和運(yùn)行。,六、 結(jié)論與發(fā)展前景展望,IEC標(biāo)準(zhǔn)制定的一般程序,NP新項(xiàng)目建議（New proposal ）,WG成立工作組（Working group ）,CD委員會(huì)草案文件（Comm

19、ittee draft）,CDV提供表決的CD文件（Committee draft for vote ),DIS國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)草案(Document of international standard),FDIS最終的DIS(final Document of international standard),正式標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布,RVC---result of voting on CDV 表決結(jié)果的文件CC－compilation o

20、f comments on committee draft 由一個(gè)階段過渡到另一個(gè)階段都要經(jīng)過1次以上的征求意見與表決,IEC TC－14分組所制定（或修改、制定中）的IEC60076（電力變壓器）的各分標(biāo)準(zhǔn)介紹,60076－1 總則（GB1094.1-1996）60076－2 溫升（CB1094.2-1996）60076－3 絕緣水平、絕緣試驗(yàn)和外絕緣空氣間隙（GB1094.3-2003）60076－4 變壓器和電抗器的雷

21、電沖擊和操作沖擊試驗(yàn)導(dǎo)則（GB1094-200X）60076－5 承受短路的能力（GB-1094.5-2003）60076－6 電抗器（GB-10229-1988）60076－7 油浸式電力變壓器的負(fù)載導(dǎo)則（GB/T15164-1994）60076－8 電力變壓器應(yīng)用導(dǎo)則（GB/T13499-1992）60076－9 端子和分接標(biāo)志60076－10 變壓器和電抗器的聲級(jí)測(cè)定（GB1094.10-2003）60076－11 干