CN106653342B - 均匀高温绝缘系统油浸式变压器及其结构优化方法 - Google Patents
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Abstract
均匀高温绝缘系统油浸式变压器，包括油浸式变压器主体，油浸式变压器主体内的绝缘油采用FR3植物绝缘油，油浸式变压器主体内的绝缘纸采用DPE绝缘纸。本发明还公开了基于上述均匀高温绝缘系统油浸式变压器的结构优化方法。本发明能在绝缘材料改变的情况下对变压器结构进行合理优化，能降低油浸式变压器的制造成本，使得均匀高温绝缘系统油浸式变压器更便于推广使用，实用性强。
Description
技术领域
本发明涉及变压器设计及应用技术领域，具体是均匀高温绝缘系统油浸式变压器及其结构优化方法。
背景技术
油浸式变压器因具有散热性能优异、损耗小、制造成本低廉等优点，其在电网运行中应用较为广泛。随着电力系统安全可靠性和经济环保性要求的不断提高，人们对油浸式变压器的性能也提出了更高的要求。为了提升油浸式变压器的性能，人们常常采用新型绝缘材料对油浸式变压器的绝缘材料进行替换。在油浸式变压器绝缘材料改变的情况下，目前人们仅仅关注了油浸式变压器散热性能和绝缘性能的变化，如何根据绝缘材料的不同对油浸式变压器结构进行优化以降低制造成本，现有技术并没有相关记载。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种便于降低制造成本的均匀高温绝缘系统油浸式变压器，本发明还公开了上述均匀高温绝缘系统油浸式变压器的结构优化方法，其能在绝缘材料改变的情况下对变压器结构进行合理优化，能降低油浸式变压器的制造成本，使得均匀高温绝缘系统油浸式变压器更便于推广使用。
本发明解决上述问题主要通过以下技术方案实现：均匀高温绝缘系统油浸式变压器，包括油浸式变压器主体，所述油浸式变压器主体内的绝缘油采用FR3植物绝缘油，油浸式变压器主体内的绝缘纸采用DPE绝缘纸。
基于上述均匀高温绝缘系统油浸式变压器的结构优化方法，包括以下步骤：
步骤一、计算长期急救负载下常规绝缘系统油浸式变压器允许过载倍数、以及均匀高温绝缘系统油浸式变压器允许过载倍数，并计算出均匀高温绝缘系统油浸式变压器允许过载倍数与常规绝缘系统油浸式变压器允许过载倍数的比值；
步骤二、将计算出的均匀高温绝缘系统油浸式变压器允许过载倍数与常规绝缘系统油浸式变压器允许过载倍数的比值等效为油浸式变压器主体内绕组电阻损耗比值，根据绕组电阻损耗比值计算出绕组导线半径缩小比例，并将油浸式变压器主体内绕组导线半径按计算出的绕组导线半径缩小比例进行缩小；
步骤三、将油浸式变压器主体的箱体体积、铁心体积、绝缘油用量及绝缘纸用量按计算出的绕组导线半径缩小比例进行缩小，将油浸式变压器主体的绕组铜材用量按计算出的绕组导线半径缩小比例的平方进行缩小。
进一步的，所述步骤一中长期急救负载下油浸式变压器的允许过载倍数是由过载时热点温度限值对应的过载倍数确定的，其中，过载时热点温度的计算公式为：
其中，θh(t)为热点温度，θa为环境温度，Δθoi为初始状态顶层油温升，为初始状态热点对顶层油温度差，Δθor为总损耗下顶层油温升，为额定电流下热点对顶层油温度差，R为负载损耗与空载损耗比值，K为负载系数，x为顶层油指数，y为绕组指数，函数f1(t)为反映顶层油温升上升量的时间函数，f2(t)为反映热点对顶层油温度差变化的时间函数。
进一步的，所述绕组电阻与绕组导线半径之间的关系如下：
其中，R为绕组电阻，ρ为绕组导体材料电阻率，l为绕组导体长度，S为绕组导体截面积，r为绕组导体半径。本发明应用时基于发热等效原理推算变压器绕组线径减小比例，忽略变压器空载损耗对于温升的影响，认为负载损耗是造成绕组温度升高的主因，近似将绕组电阻损耗视为变压器热源，由本发明所述的变压器与常规绝缘系统变压器能够承受的热源大小对比，考虑绕组电阻与绕组导线半径之间的关系，推算绕组线径的减小比例。
综上所述，本发明具有以下有益效果：本发明基于新型固、液绝缘材料较传统绝缘材料的性能差异，针对本发明所述的变压器提出了减小绕组线径、减小铁芯体积、减小箱体体积、降低绝缘材料用量等结构优化建议，实用性强，为本发明所述变压器的结构设计提供了理论依据，并降低了其制造成本，有利于本发明所述变压器的推广和使用，具有重要的理论价值和现实意义。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例：
均匀高温绝缘系统油浸式变压器，包括油浸式变压器主体，其中，油浸式变压器主体内的绝缘油采用FR3植物绝缘油，油浸式变压器主体内的绝缘纸采用DPE绝缘纸。
基于上述均匀高温绝缘系统油浸式变压器的结构优化方法，包括以下步骤：步骤一、计算长期急救负载下常规绝缘系统油浸式变压器允许过载倍数、以及均匀高温绝缘系统油浸式变压器允许过载倍数，并计算出均匀高温绝缘系统油浸式变压器允许过载倍数与常规绝缘系统油浸式变压器允许过载倍数的比值；步骤二、将计算出的均匀高温绝缘系统油浸式变压器允许过载倍数与常规绝缘系统油浸式变压器允许过载倍数的比值等效为油浸式变压器主体内绕组电阻损耗比值，根据绕组电阻损耗比值计算出绕组导线半径缩小比例，并将油浸式变压器主体内绕组导线半径按计算出的绕组导线半径缩小比例进行缩小；步骤三、将油浸式变压器主体的箱体体积、铁心体积、绝缘油用量及绝缘纸用量按计算出的绕组导线半径缩小比例进行缩小，将油浸式变压器主体的绕组铜材用量按计算出的绕组导线半径缩小比例的平方进行缩小。
本实施例在具体实施时，步骤一中长期急救负载下油浸式变压器的允许过载倍数是由过载时热点温度限值对应的过载倍数确定的，其中，过载时热点温度的计算公式为：
其中，θh(t)为热点温度，θa为环境温度，Δθoi为初始状态顶层油温升，为初始状态热点对顶层油温度差，Δθor为总损耗下顶层油温升，为额定电流下热点对顶层油温度差，R为负载损耗与空载损耗比值，K为负载系数，x为顶层油指数，y为绕组指数，函数f1(t)为反映顶层油温升上升量的时间函数，f2(t)为反映热点对顶层油温度差变化的时间函数。
本实施例中绕组电阻与绕组导线半径之间的关系如下：
其中，R为绕组电阻，ρ为绕组导体材料电阻率，l为绕组导体长度，S为绕组导体截面积，r为绕组导体半径。
常规绝缘系统绝缘材料普遍采用矿物绝缘油和纤维素绝缘纸，本发明的液体绝缘材料采用FR3植物绝缘油，绝缘纸采用DPE绝缘纸。其中，液体绝缘材料的性能对油浸式变压器散热性能具有决定性作用，表1所示为矿物绝缘油与FR3植物绝缘油的性能对比。
表1矿物绝缘油与FR3植物绝缘油性能对比
| FR3植物绝缘油 | 矿物绝缘油 | |
| 密度(20℃)/kg.dm-3 | 0.92 | 0.88 |
| 热传导率/(W/(m.K)) | 0.17 | 0.13 |
| 热膨胀系数/K-1 | 0.0007 | 0.0007 |
| 比热容/(J/(kg.K)) | 1880.0 | 1838.5 |
| 运动粘度(40℃)/mm2.s-1 | 36 | 9.2 |
| 运动粘度(100℃)/mm2.s-1 | 10 | 2.3 |
| 含水量/(mg/kg) | 56.5 | 25 |
油浸式变压器散热方式有三种：热传导、热对流和热辐射。油浸式变压器运行中的产热主要由绝缘液体以热对流方式散发到周围环境中，且更换绝缘材料导致的散热性能差异主要是更换绝缘油导致的热对流性能差异，故针对不同绝缘系统变压器主要比较其对流散热能力。热对流散热方式用牛顿冷却方程可描述如式(5)：
Q＝hAΔt (5)
其中，h为对流换热系数，A为不同传热体间的接触面积，Δt为不同传热体间的温度差。由式(5)可得，在不改变油浸式变压器结构的情况下，两种绝缘油的油接触面积A相等，变压器带相同负载，则铁心和线圈发热情况相同，即对流换热发生的初始时刻温差Δt相等。故不同绝缘液体通过热对流方式带走的热量Q与对流换热系数h成正比。
对流换热系数h可采用公式(6)计算：
在油浸式变压器热对流过程中，对流换热系数公式里的各物理量含义如下：C为常数；L为油对流散热面的特性尺度(长、宽、直径等)；g为变压器所在地的重力加速度；cp为绝缘油比热容；k为绝缘油热导率；ρ为绝缘油密度；β为绝缘油热膨胀系数；Δθ为绝缘油与变压器发热体间的温度差；μ为绝缘油运动黏度；n为经验常数，与变压器冷却方式和油流循环方式有关。由式(6)可得，在不改变油浸式变压器结构及变压器所在地的情况下，变压器带相同负载，则铁心和线圈发热情况相同，即对流换热发生的初始时刻温差Δθ相等。故对流换热系数h的影响因子如式(7)所示：
针对ONAN冷却方式的油浸式变压器，无额外冷却措施，式(7)中的n取0.25。将表1中的特性参数代入式(7)，可得矿物绝缘油对流换热系数和FR3植物绝缘油对流换热系数的比值如式(8)所示：
由式(8)可知，计及绝缘液体热容和运动黏度的双重影响时，采用FR3植物绝缘油的均匀高温绝缘系统变压器散热能力弱于采用矿物绝缘油的常规绝缘系统变压器，相同结构下仅能达到常规绝缘系统变压器散热能力的80.2％。
采用不同绝缘系统的油浸式变压器运行中所承受的温度限值不同，依据过载温度限值，可确定采用不同绝缘系统的变压器长期急救负载下的允许过载倍数，本实施例由允许过载倍数来表征油浸式变压器耐热能力。
GB 1094.7-2008《油浸式电力变压器负载导则》中规定：采用常规绝缘系统的油浸式变压器长期急救负载下过载温度限值为140℃。GB 1094.14-2011《采用高温绝缘材料的液浸式变压器设计和应用导则》中对采用植物绝缘油作为液体绝缘材料的均匀高温绝缘系统过载温度限值进行了规定，具体值如表2所示。本实施例取最低高温固体绝缘材料耐热等级130℃时对应的热点温度限值170℃来评估均匀高温绝缘系统长期急救负载下的过载温度限值。
表2均匀高温绝缘系统过载温度限值
本实施例采用式(1)来计算热点温度，其中，式(1)中的参数取值多使用推荐值。表3所示为常规绝缘系统油浸式变压器热特性参数推荐值。
表3常规绝缘系统油浸式变压器热特性参数推荐值
| 热特性参数 | 推荐值 |
| 油指数x | 0.8 |
| 绕组指数y | 1.6 |
| 油时间常数τo | 180 |
| 绕组时间常数τw | 4 |
| 常数k11 | 1.0 |
| 常数k21 | 1.0 |
| 常数k22 | 2.0 |
| 损耗比R | 5 |
| 热点系数H | 1.1 |
| 总损耗下顶层油温升Δθor | 55 |
| 额定电流下热点对顶层油温度梯度Hgr | 23 |
均匀高温绝缘系统油浸式变压器热特性参数推荐值如表4所示。
表4均匀高温绝缘系统油浸式变压器热特性参数推荐值
| 热特性参数 | 推荐值 |
| 油指数x | 0.8 |
| 绕组指数y | 1.6 |
| 油时间常数τo | 170 |
| 绕组时间常数τw | 4 |
| 常数k11 | 1.0 |
| 常数k21 | 1.0 |
| 常数k22 | 2.0 |
| 损耗比R | 5 |
| 热点系数H | 1.1 |
| 总损耗下顶层油温升Δθor | 53 |
| 额定电流下热点对顶层油温度梯度Hgr | 23 |
计算得：长期急救负载下常规绝缘系统油浸式变压器允许过载倍数为1.34倍，本实施例所述的油浸式变压器允许过载倍数为1.59倍，即本实施例所述变压器耐热能力是常规绝缘系统变压器耐热能力的1.19倍。
在油浸式变压器运行中，忽略空载损耗对于温升的影响，认为负载损耗是造成绕组温度升高的主因，且绕组电阻损耗在负载损耗中所占比例超过95％，则可近似将绕组电阻损耗视为油浸式变压器发热的热源。
相同过载倍数下，本实施例所述变压器能够承受的热源大小可达到常规绝缘系统变压器的1.19倍。变压器所带负载不变时，绕组电阻损耗与绕组电阻成正比，采用式(4)可得，当绕组导线电阻扩大为原来的1.19倍时，绕组导线半径可缩小为原来的0.92倍。忽略绕组线径减小引起的绕组铜线总长度与箱体水平方向尺寸的减小，铁心体积可缩小为原来的0.92倍，变压器箱体体积可缩小为原来的0.92倍，绝缘油用量可缩小为原来的0.92倍，绝缘纸用量可缩小为原来的0.92倍，绕组铜材用量可减小为原来的0.84倍。如此，缩小绕组线径可在一定程度上减小变压器制造成本。
目前油浸式变压器的结构设计多只考虑所采用FR3植物绝缘油存在粘度大、散热性差等缺点，并未充分发挥FR3植物绝缘油及DPE绝缘纸的优良耐热性能。本实施例综合考虑采用FR3植物绝缘油和DPE绝缘纸的均匀高温绝缘系统油浸式变压器的散热能力和耐热能力，提出油浸式变压器主体内的绝缘油采用FR3植物绝缘油，油浸式变压器主体内的绝缘纸采用DPE绝缘纸，使得本实施例应用时能减小绕组线径、铁芯体积、箱体体积及绝缘材料用量，降低了均匀高温绝缘系统变压器的生产成本，有利于其推广和使用。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.均匀高温绝缘系统油浸式变压器的结构优化方法，均匀高温绝缘系统油浸式变压器，包括油浸式变压器主体，所述油浸式变压器主体内的绝缘油采用FR3植物绝缘油，油浸式变压器主体内的绝缘纸采用DPE绝缘纸；其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤一、计算长期急救负载下常规绝缘系统油浸式变压器允许过载倍数、以及均匀高温绝缘系统油浸式变压器允许过载倍数，并计算出均匀高温绝缘系统油浸式变压器允许过载倍数与常规绝缘系统油浸式变压器允许过载倍数的比值；
步骤二、将计算出的均匀高温绝缘系统油浸式变压器允许过载倍数与常规绝缘系统油浸式变压器允许过载倍数的比值等效为油浸式变压器主体内绕组电阻损耗比值，根据绕组电阻损耗比值计算出绕组导线半径缩小比例，并将油浸式变压器主体内绕组导线半径按计算出的绕组导线半径缩小比例进行缩小；
步骤三、将油浸式变压器主体的箱体体积、铁心体积、绝缘油用量及绝缘纸用量按计算出的绕组导线半径缩小比例进行缩小，将油浸式变压器主体的绕组铜材用量按计算出的绕组导线半径缩小比例的平方进行缩小。
2.根据权利要求1所述的均匀高温绝缘系统油浸式变压器的结构优化方法，其特征在于，所述步骤一中长期急救负载下油浸式变压器的允许过载倍数是由过载时热点温度限值对应的过载倍数确定的，其中，过载时热点温度的计算公式为：
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其中，θh(t)为热点温度，θa为环境温度，Δθoi为初始状态顶层油温升，为初始状态热点对顶层油温度差，Δθor为总损耗下顶层油温升，为额定电流下热点对顶层油温度差，R为负载损耗与空载损耗比值，K为负载系数，x为顶层油指数，y为绕组指数，函数f1(t)为反映顶层油温升上升量的时间函数，f2(t)为反映热点对顶层油温度差变化的时间函数。
3.根据权利要求1或2所述的均匀高温绝缘系统油浸式变压器的结构优化方法，其特征在于，所述绕组电阻与绕组导线半径之间的关系如下：
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其中，R为绕组电阻，ρ为绕组导体材料电阻率，l为绕组导体长度，S为绕组导体截面积，r为绕组导体半径。
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Application publication date: 20170510 Assignee: Sichuan Shuneng Energy Technology Co.,Ltd. Assignor: STATE GRID SICHUAN ELECTRIC POWER Research Institute Contract record no.: X2023510000003 Denomination of invention: Oil-immersed transformer with uniform high-temperature insulation system and its structural optimization method Granted publication date: 20180306 License type: Common License Record date: 20230117 |
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