三元混合絕緣油變壓器過載能力分析

劉夢娜， 江 翼， 羅傳仙， 徐 惠， 邱 虎， 張 靜

（1.國網(wǎng)電力科學(xué)研究院武漢南瑞有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430074；2.南瑞集團（國網(wǎng)電力科學(xué)研究院）有限公司，江蘇 南京 211000）

0 引 言

混合油高過載變壓器內(nèi)部加注的絕緣液體是新型三元混合絕緣油[1]，所有緊貼繞組的絕緣均采用耐熱等級為130級（B）的絕緣材料，其余固體絕緣部分采用105級（A）材料。相比礦物油，三元混合油具有更高的燃點以及更優(yōu)的消防和環(huán)保特性[2]。近年來，對高過載油浸式配電變壓器的研究主要集中在植物絕緣油[3-5]和變壓器固體絕緣材料的理化特性[6]、新型固液絕緣的老化機理和熱老化生成物[7-9]等方面，并推出了相關(guān)標準[10-11]，根據(jù)GB/Z 1094.14—2011[10]，在更換線圈固體絕緣材料和絕緣液體的情況下可提升變壓器的過載能力，從而有效提升變壓器的可靠性與經(jīng)濟性。

研究發(fā)現(xiàn)采用混合油和混合絕緣系統(tǒng)的變壓器與礦物油變壓器具有不同的溫升限值[10-11]，為了將混合油變壓器的過載能力比礦物油變壓器提高50%，本研究對混合絕緣油配電變壓器的耐熱等級和溫升限值進行分析，并與常規(guī)礦物油變壓器進行對比，提出混合絕緣油配電變壓器的溫升限值。在此基礎(chǔ)上，以油浸式配電變壓器正常周期性負載下的允許過載倍數(shù)表征其過載能力，并采用電磁計算與試驗檢測證明不同絕緣油配電變壓器的過載能力。最后給出混合絕緣油配電變壓器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化建議，并進行成本對比，以驗證混合絕緣油的實用性和經(jīng)濟性。

1 混合油變壓器與礦物油變壓器的溫升限值

根據(jù)GB/T 1094.7—2008[11]中提出，變壓器的正常過負荷能力以不犧牲變壓器的正常壽命為原則，即在整個正常周期性負載（配電變壓器允許有最大1.5倍的額定電流負載）的時間間隔內(nèi)，變壓器在最大負荷是1.5倍的額定電流時，其繞組熱點溫度不得超過120℃，油面溫度不得超過105℃。

由于三元混合油屬于新型絕緣液體，混合油的閃點高于礦物油[12]，且變壓器的繞組及主絕緣材料采用耐熱等級為130級（B）的絕緣材料，混合油變壓器的繞組熱點溫度不超過130℃，相比于礦物油變壓器的繞組熱點溫度（120℃）提高了10℃，因此混合油變壓器的溫升限值較礦物油變壓器相比可提高10 K。若混合油變壓器滿足在最大負荷是1.75倍的額定電流（即1+0.5×（1+50%）=1.75倍）下正常周期性負載，即可實現(xiàn)其過載能力比礦物油變壓器提高50%。

根據(jù)GB/T 1094.2—2013[13]中對油浸式配電變壓器額定溫升的要求和GB/T 1094.7—2008對變壓器過載能力溫升限值的要求，得到混合絕緣油變壓器的過載溫升限值如表1所示。

表1 變壓器的溫升限值Tab.1 Temperature rise limits of transformer

2 混合油和礦物油配電變壓器結(jié)構(gòu)設(shè)計對比分析與過載能力試驗對比

2.1 結(jié)構(gòu)對比分析

試驗樣機包括2臺常規(guī)礦物油變壓器和2臺混合油變壓器，2臺常規(guī)變壓器型號分別是105級（A）絕緣系統(tǒng)的S11-M-315/35（A款）和S13-M-400/10（B款）。2臺混合油變壓器采用混合絕緣材料和混合油構(gòu)成的混合絕緣系統(tǒng)，型號分別為S(B)11-315/35GZ（C款）和S13-M(B)-400/10GZ（D款）。35 kV和10 kV混合油變壓器樣機線圈的層絕緣中分別采用的是耐溫等級為130級（B）的DPE絕緣紙和No‐mex T910絕緣紙，這兩種絕緣紙在混合油中都具有浸潤速率快、干燥時間短，且耐溫等級高、力學(xué)性能好等特點。

油浸式配電變壓器熱點溫度是衡量其過載能力的最重要因素，熱點溫度升高，則過載能力下降?；旌嫌妥儔浩髋c礦物油變壓器的絕緣系統(tǒng)中采用的固體絕緣材料不同，冷卻介質(zhì)絕緣油不同，因此需要對其線圈導(dǎo)線截面積和內(nèi)部油道數(shù)量與布置等結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，從而改變線圈的散熱能力。

由于本研究中混合油變壓器的過負載能力要比礦物油變壓器提高50%，其線圈的內(nèi)部散熱能力也應(yīng)高于礦物油變壓器。因此，將低壓線圈內(nèi)部半油道調(diào)整為全油道，高壓線圈內(nèi)部3個半油道調(diào)整為2個全油道加1個半油道，使得高低壓線圈散熱總面積增大超過50%，從而增強線圈散熱能力，降低線圈內(nèi)部熱點溫度。

2.2 樣機溫升與過載試驗對比

按照線圈相對絕緣油的平均溫升計算公式（如式（1）～（2）所示），計算不同變壓器高低壓繞組線圈對絕緣油的平均溫升變化。

式（1）～（2）中：Pa為線圈75℃時的負載損耗（包括渦流及環(huán)流損耗），W；S為被計算線圈的有效散熱面積，m2；q為線圈表面的單位熱負荷，W/m2；1.032為75℃時的損耗折算到85℃時的系數(shù)；K為系數(shù)，普通層式線圈取值為0.065；n為指數(shù)，普通層式線圈取值為0.8；TX1為變壓器線圈對絕緣油的平均溫升，單位K。

2.2.1 10 kV級容量為400 kVA的配電變壓器樣機溫升計算

S13-M-400/10（B款）常規(guī)礦物油變壓器：高壓線圈負載損耗為2 200 W；低壓線圈負載損耗為2 212 W。高壓線圈的有效散熱面積為1.74 m2；低壓線圈的有效散熱面積為1.49 m2。

則高壓線圈表面單位熱負荷為：q=1.032×Pa/S=1.032×2 200/1.74=1 304.8 W/m2；

高壓線圈對油平均溫升為：TX1=K×qn=0.065×1 304.80.8=20.2 K；

低壓線圈表面單位熱負荷為：q=1.032×Pa/S=1.032×2 212/1.49=1 534.7 W/m2；

低壓線圈對油平均溫升為：TX1=K×qn=0.065×1 534.70.8=23 K；

S13-M(B)-400/10GZ（D款）混合油變壓器：高壓線圈負載損耗為2 360 W；低壓線圈負載損耗為1 780 W。高壓線圈有效散熱面積為3.1 m2；低壓線圈有效散熱面積為1.76 m2。

則高壓線圈表面單位熱負荷為：q=1.032×Pa/S=1.032×2 360/3.1=788 W/m2；

高壓線圈對油平均溫升為：TX1=K×qn=0.065×7380.8=13.5 K；

低壓線圈表面單位熱負荷為：q=1.032×Pa/S=1.032×1 780/1.76=1 043.7 W/m2；

低壓線圈對油平均溫升為：TX1=K×qn=0.065×1 043.70.8=16.9 K；

根據(jù)以上計算結(jié)果可知，混合油變壓器高低壓線圈對油的平均溫升對比常規(guī)變壓器分別降低6.7 K和6.1 K。

2.2.2 35 kV級容量為315 kVA的配電變壓器樣機溫升計算

結(jié)合S11-M-315/35（A款）常規(guī)礦物絕緣油變壓器與S(B)11-315/35GZ（C款）混合絕緣油變壓器的線圈負載損耗和有散熱面積，同理可計算得到常規(guī)礦物油變壓器的高低壓線圈對油溫升分別為29.3 K和18.5 K，混合油變壓器高低壓線圈對油溫升分別為20.6 K和18.5 K，混合油變壓器高低壓線圈對油溫升比常規(guī)變壓器分別降低8.7 K和0 K。

另外，在降低繞組溫升的同時，也可增大油箱散熱表面積，將400 kVA混合油變壓器的波紋片波深由原來的240 mm增大到320 mm，315 kVA混合油變壓器的波紋片波深由原來的200 mm增大到280 mm，油箱總散熱面積增大30%以上。由此計算出高低壓繞組溫升和油頂層溫升均下降10～15 K。對經(jīng)以上結(jié)構(gòu)優(yōu)化形成的變壓器樣機進行溫升與過負載試驗檢測，試驗采用短路法，試驗數(shù)據(jù)如表2所示。由表2可知，額定負載下優(yōu)化后混合油變壓器的溫升均有所下降，過載能力在下一節(jié)進行分析。

表2 優(yōu)化后變壓器溫升及過負載試驗結(jié)果Tab.2 Temperature rise and overload test results of transformer after optimization

2.3 混合油變壓器的負載能力

按照以上分析，將混合油變壓器的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，降低線圈內(nèi)部熱點溫度與繞組溫升，提高變壓器散熱能力，以滿足正常周期性負載下規(guī)定過載倍數(shù)的溫升限值。通過試驗檢測與后期的運行，以評估其過載能力。表3為結(jié)構(gòu)優(yōu)化后混合油變壓器的過負載能力試驗數(shù)據(jù)。

表3 混合油變壓器過負載能力試驗數(shù)據(jù)Tab.3 Overload capacity test data of mixed oil transformer

由表3可見，通過上述溫升和過負載能力計算與結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，搭配耐高溫混合絕緣材料的混合油配電變壓器過載能力試驗的溫升結(jié)果均在溫升限值以內(nèi)，即正常周期性負載的過載倍數(shù)實現(xiàn)了由1.5倍提升至1.75倍。

值得注意的是，以上分析所取環(huán)境溫度20℃為全年平均溫度，而相同過載倍數(shù)下，環(huán)境溫度越高，配電變壓器的熱點溫度就越高，過載能力相應(yīng)降低。配網(wǎng)過載集中發(fā)生在春運和農(nóng)忙期間，春運期間環(huán)境溫度較20℃低，故過載能力較20℃時有所提升，更有利于滿足配網(wǎng)過載需求；而農(nóng)忙時期環(huán)境溫度平均可達35℃，雖較20℃條件下過載能力有所下降，但仍可以滿足過載需求。因此，在環(huán)境平均溫度為35℃時，混合油配電變壓器仍可滿足不高于1.75倍的配網(wǎng)對高過載能力的需求。綜上所述，混合油配電變壓器具有實際應(yīng)用價值，尤其適用于全年平均溫度較低的地區(qū)。

3 混合絕緣系統(tǒng)油浸式配電變壓器結(jié)構(gòu)優(yōu)化與成本對比

3.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

（1）調(diào)整繞組線徑。由正常周期性負載的允許過載倍數(shù)可知，混合油配電變壓器過載能力相比常規(guī)礦物油配電變壓器提高50%，過載能力的提升本應(yīng)增大導(dǎo)線截面來承載更大的電流，且在負載相同時，油浸式配電變壓器的負載損耗中繞組電阻損耗與繞組電阻值成正比，與繞組導(dǎo)線半徑的平方成反比[14]，然而由于混合油的耐熱溫度相比礦物油提高了10 K，因此采用DPE絕緣紙或Nomex T910絕緣紙和三元混合絕緣油的油浸式配電變壓器繞組導(dǎo)線截面與常規(guī)油浸式變壓器相比，可一定程度的減小。

礦物油變壓器與混合油變壓器的線圈材料對比如表4所示。由表4可知，優(yōu)化后的S(B)11-315/35GZ（C款）混合油變壓器相比同容量礦物油變壓器，高壓線圈質(zhì)量減少33.6 kg，降低21.8%；低壓線圈質(zhì)量減少2.4 kg，降低3.2%；變壓器總銅質(zhì)量減少36 kg，降低15.7%。優(yōu)化后的S13-M(B)-400/10GZ（D款）混合油變壓器相比礦物油變壓器，高壓線圈質(zhì)量減少7.5 kg，降低5.1%；低壓線圈質(zhì)量減少11.4 kg，降低9.5%；變壓器總銅質(zhì)量減少18.9 kg，降低7.1%。這主要是因為采用130級（B）混合絕緣系統(tǒng)的S(B)11-315/35GZ和S13-M(B)-400/10GZ混合油變壓器的溫升限值比采用105級（A）絕緣系統(tǒng)的S11-M-315/35和S13-M-400/10常規(guī)礦物油變壓器高，單位質(zhì)量的銅可以容納更多的熱容量，因此可適度提高混合油變壓器線圈導(dǎo)線的電流密度，即可減小導(dǎo)線規(guī)格尺寸，一定程度上減少線圈用量。

表4 高低壓繞組線圈材料對比Tab.4 Comparison of high and low voltage winding coil materials

（2）散熱半油道改為全油道。采用DPE絕緣紙或Nomex T910絕緣紙和混合油絕緣系統(tǒng)的配電變壓器耐熱能力較采用普通纖維素紙和礦物絕緣油的常規(guī)絕緣系統(tǒng)配電變壓器提高約8.3%，過載能力水平也提高50%，則相較常規(guī)礦物油配電變壓器，混合油配電變壓器繞組間的散熱油道、進出口油所經(jīng)過的線圈散熱面積需增大25%，因此將原本為了節(jié)省材料采用的半油道調(diào)整為全油道，但是對變壓器整體成本的影響不大。該結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案可在對混合油變壓器材料成本增加不大的同時，大幅提升變壓器的過載能力，具有較高的實用性。油道優(yōu)化如圖1所示。

圖1 油道對比示意圖Fig.1 Schematic diagram of oil passage comparison

（3）增大波紋片波深。同樣由于混合油變壓器的過負載能力提高了50%，變壓器整體的散熱能力也需要提高，因此將兩臺混合油樣機的波紋片波深均增大80 mm，使油箱總散熱面積增大30%以上。當然，波深的增大，使得變壓器油箱體積與絕緣油用量都有所增加，增加的成本占總成本比例不到10%[15]，再結(jié)合銅材略有減少，混合油變壓器總成本相比同容量規(guī)格的礦物油變壓器提高大約8%，其增幅遠低于過負載能力提升的幅度，使混合油變壓器具有較高的經(jīng)濟實用價值。

因此，雖然為了提高過負載能力，線圈內(nèi)部半油道改為了全油道，但由于混合油變壓器繞組導(dǎo)線線徑略微減小，繞組銅材用量減少，鐵心體積與質(zhì)量反而變化不大。不過為了提高混合油變壓器的整體散熱能力，適當增大了變壓器箱體波紋片的波深，使得油箱體積、絕緣油用量均在一定程度上有所增大。經(jīng)以上優(yōu)化后的混合油配電變壓器過載能力比常規(guī)礦物油配電變壓器提高了50%，該結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案更適用于過載較重的地區(qū)，可降低混合油高過載配電變壓器的材料成本。

3.2 成本對比

以35 kV/315 kVA油浸式配電變壓器為例，分析絕緣油變壓器的成本構(gòu)成情況[15]。表5為線圈的參數(shù)對比，表6為變壓器中的主絕緣材料及其用量。

表5 線圈參數(shù)對比Fig.5 Coil parameter comparison

表6 主絕緣材料及用量Fig.6 Main insulation material and weight

從表5～6可知，線圈尺寸略微縮小了4.4%，整個器身的尺寸也縮小約1.8%，銅材消耗減小；優(yōu)化后采用混合絕緣系統(tǒng)的變壓器絕緣材料成本增加480元/臺。相對于整個變壓器成本，該費用僅占約1.15%。

圖2為兩種絕緣油變壓器的成本構(gòu)成情況。由圖2可知，礦物油成本在礦物油配電變壓器總成本中僅占12%，混合油比例略高，綜合以上數(shù)據(jù)得出結(jié)論，混合油變壓器在總成本增加不到8%的情況下，絕緣系統(tǒng)的耐熱等級由礦物油的105級（B）提高至130級（B），過載能力由1.5倍提升至1.75倍，足以滿足配網(wǎng)對高過載變壓器的要求。

圖2 同容量規(guī)格變壓器主材成本對比圖Fig.2 Cost comparison of main materials of transformers with the same capacity and specifications

4 結(jié) 論

（1）采用混合油和DPE絕緣紙或Nomex T910絕緣紙混合絕緣系統(tǒng)的變壓器，具有相比于常規(guī)礦物油變壓器更高的絕緣和耐熱老化性能。

（2）常規(guī)礦物油變壓器在正常周期性負載下的允許過載倍數(shù)為1.5倍；將普通纖維素紙更換為DPE絕緣紙或Nomex T910絕緣紙，礦物油更換為混合油，再優(yōu)化線圈結(jié)構(gòu)與油箱散熱面積，可在總成本提高不到8%的同時將過載能力由1.5倍提升至1.75倍，能夠滿足配網(wǎng)對高過載變壓器的要求，具有很強的經(jīng)濟性和實用性。