采用高温绝缘材料的油浸式

采用高温绝缘材料的油浸式电力变压器西安交通大学尹克宁l传统的油浸式电力变压器的绕组绝缘采用纸和漆来包绕，其它的固体绝缘采用纤维素制品，液体绝缘材料则用矿油，其耐热等级为A级，相应的绕组温升限制为65K，顶层油温则限制为60K。l为了缩减变压器的尺寸，适应高温条件下的运行并保证预期的寿命，或是为了制造耐高温且难燃的油浸变的需要，多年来国外都致力于研制采用高温绝缘材料的油浸变，这类变压器早已开发出来，并已具有相当的设计、制造和运行经验。为此而制定相应的IEC标准是当务之急。（在此之前，1997年就已有了相应的美国IEEE标准）。l研制这类变压器的关键技术，除了合理使用绝缘材料之外，还在于弄清变压器内部的温度分布。迄今，由于变压器温度场的仿真数值计算已日益成熟，加之依靠光纤测温技术可以更准确地确定最热点及绕组内部的温度分布，从而使这类变压器的研制有了更坚实的基础。l在国外，采用高温绝缘系统的油浸变技术已被成功地用于个别大容量变压器、小容量配电变压器、移动式变压器、牵引变压器、整流变压器以及电炉变压器等等上。一、前言二、分类和定义混合绝缘系统（Hybridinsulation）所有邻近绕组导体处均采用高温固体绝缘材料（包括垫块、撑条等直接与绕组相接触的部件）,而纤维素材料只用在低温区域。1.绕组轴向撑条；2.绕组的顶端、底部的幅向垫块；3.绕组内侧的幅向撑条；4.导线匝绝缘；5.绕组外侧的轴向撑条图1混合绝缘系统二、分类和定义半混合绝缘系统(Semi-Hybridinsulation）高温绝缘材料只用于导体的绝缘。图2半混合绝缘系统4.高温绝缘材料包绕的匝绝缘复合绝缘系统（mixedinsulation)仅在绕组的热点区域采用高温绝缘材料（包括导体匝绝缘以及垫块、撑条等的绝缘），而在除此之外的绕组以及低温区均采用纤维素材料，其最高温度限制为105℃。图3复合绝缘系统（图中4为热点区域所采用的高温绝缘材料的匝绝缘）二、分类和定义均匀绝缘系统（Homogeneousinsulation）无论绕组绝缘、主绝缘以及铁心绝缘均采用相同耐热等级的绝缘材料（或是传统材料或是耐高温材料）。二、分类和定义图4均匀绝缘系统高温固体绝缘材料指长期连续运行的温度超过105℃的固体绝缘材料。二、分类和定义高温液体绝缘材料指绝缘特性、连续运行时的绝缘和冷却能力均在矿油（105℃级）以上的液体绝缘材料。参考温度取绕组的平均温升加上20K。常规绝缘（传统绝缘）指采用矿油以及传统纤维素材料所组成的绝缘。耐热（温）等级所采用绝缘材料所容许的最高温度的数值，以℃表示。二、分类和定义三、绝缘材料的特性1、固体绝缘材料固体绝缘材料有各类纸、纸板、薄膜等等。在表1中列出它们的各种参数。表中列出纤维材料的数据，为的是提供与高温绝缘材料相比较之用。应当指出的是，当它们浸于不同的绝缘液体中时，其组合绝缘将具有不同的特性。相对介电常数介质损耗率(%)材料名称耐温等级25℃100℃25℃100℃吸潮率(%)密度(g/cm3)形状纤维素1057.00.97~1.2纸纤维素1053.5~4.60.47.00.8~1.35纸板TU型纤维素1207.00.9~1.0纸聚酯玻璃130~2004.81.3~7.00.2~1.11.8~2.0纸板条聚酯玻璃130~220不适用不适用不适用不适用0.16~0.281.8~2.0薄膜聚苯硫醚1553.03.00.10.20.051.35薄膜聚酰亚氨2203.43.20.20.21.0~1.81.33~1.42薄膜聚芳酰氨2201.6~3.21.7~3.40.50.55.00.72~1.10纸聚芳酰氨2202.6~3.52.7~3.71.50.55.00.70~1.15纸板聚醚酮2203.23.20.10.50.51.26薄膜注1：所有数据取自空气中的测量值注2：相对介电常数及介质损耗率是按50/60Hz定出的注3：湿度数据是以空气的相对湿度为50％为基值的表1各种固体绝缘材料的特性1、固体绝缘材料简称通称耐热等级与IEC60317标准有关的部分PVF聚醋酸乙烯脂1051201，14，1712，18Epoxy环氧树脂130-UEW聚胺脂1301551802，420，3551UEWN聚酰胺与聚胺脂涂层1301551921PEW聚脂涂层13015534，41，453，16，54PPSUPAESPolyphenylsulphone155-PEWNHPEWN聚脂尼龙涂层18022，24EIW聚酯亚氨1808，15，23，28，36，37PASPolyarylsulfone180-HPEAIW聚酰酯亚氨20013，25，29，38EAIW聚酰酯亚氨与聚酯涂层20013，25，29，38聚酰胺与聚酯涂层18022，24AIW芳香聚酰脂亚氨20026PIW聚芳香脂2207，30PEEK多芳基醚酮220-表2绕组导线的绝缘涂层材料2、导线的涂层绝缘密度(g/cm3)相对介电常数介质损耗率(%)运动粘度(cSt)导热率(W/mk)比热(J/kg)一般名称最高运行温度(℃)闪点(℃)燃点(℃)水分(ppm)25℃25℃100℃25℃100℃60℃100℃25℃100℃25℃100℃环烷基类绝缘油105145160250.882.20.05152.30.120.1121002300合成异链烷烃绝缘液110175191250.822.20.32.50.140.1420002400合成氢碳绝缘液130230250150.832.10.10.1010.14.10.140.1421002400合成PAO氢碳绝缘液130264304150.832.12.10.010.1026.58.60.130.1223002500高分子氢碳重油130280312100.872.22.10.01.1040.311.80.140.1421002400合成酯类油130275310500.973.20.020.40705.80.160.1521002300天然酯类油130330360500.913.20.051.890.170.1620002400硅油155300330500.962.72.50.010.055014.30.150.1415001600表3绝缘液体特性3、液体绝缘材料四、温升特性当采用高温固体绝缘材料后，绝缘液体将决定变压器的容许温度限值。在表4及表5中的温度是指其上限值。考虑到材料、结构、配套组件及运行条件等影响，还将一定程度地降低。传统的纤维素绝缘1)复合绝缘系统半混合绝缘系统混合绝缘系统高温均匀绝缘系统固体绝缘的耐温等级105105160及以上105160及以上105160及以上160及以上参考温度(℃)852)8595115115顶层油温升(K)6060606060在最大环境温度下的顶层油温度(℃)100100100100100绕组平均温升(K)656575953)953)在最大环境温度下，105℃耐热等级的热点温度(℃)118118118118不适用在最大环境温度下高温绝缘系统的热点温度(℃)不适用1603)1301603)1603)最大环境温度(℃)4040404040注1：供比较用的参考系统注2：在IEC60076－2中采用75℃作为损耗与阻抗的参考温度注3：此时的温升限值仅适用于OD冷却的变压器表4采用固体绝缘材料浸于变压器用矿油中的变压器温度限值复合或混合绝缘系统采用酯质绝缘液体的高温均匀绝缘系统采用硅油的高温均匀绝缘系统固体绝缘的耐热等级105和180180180参考温度(℃)85115135顶层的油温升(K)6590115在最高环境温度下的顶层油温(℃)105130155绕组平均温升(K)65115130在105℃耐热等级下的热点温度(℃)118不适用不适用高温材料的热点温度(℃)180180180最高环境温度(℃)404040表5采用高温固体绝缘材料以及高温绝缘油的油浸变压器的温升限值由表4、表5可以看出：在只有绕组绝缘采用高温固体绝缘材料的绝缘系统中，如液体绝缘材料仍采用传统的矿油，则只有绕组才容许有较高的温升，而其他部位的温升却仍受油温所限；反之，当采用高温绝缘液体时，则整个变压器的温升都可以提高。五、在设计中需要考虑的几个问题由于高温绝缘等级变压器一般是采用高电流密度来设计的，因而结构设计时应注意增加其在外部短路时的机械强度。此外，绕组的机械结构和支撑结构还应考虑到当变压器运行在高温范围时，可能引起的膨胀或收缩的增大。此外，绕组结构应当紧固性好，以保证运行安全。当采用高温绝缘系统时，其短路时的最高容许温度为350℃（对铜导线）及200℃（对铝导线）。当设计中选用了具有环氧树脂绝缘层的组合导线时，上述最高温度还应考虑到在高温条件下，环氧树脂的机械强度会降低。当由于绕组电流密度较高而使短路电动力问题突出时，应增加变压器的短路阻抗以减少电动力。1、耐受短路的能力高温绝缘系统的变压器与传统结构的变压器其绝缘特性是不同的，由此引起的改变，应在设计阶段进行全面的分析。在设计中应保证当变压器运行在宽广的温度范围时，其绝缘特性不会改变。2、绝缘强度五、在设计中需要考虑的几个问题温升计算及其验证对这类变压器的设计特别重要，尤其时热点位置的确定，除了应当有准确的数值计算之外，还需要依靠试验来验证。对于复合绝缘系统，很可能有几个不同的热点。通常导体对冷却液体的温度梯度是幅向固体绝缘的温度梯度与边界上薄层的温度梯度之和。在高温绝缘系统中，通常边界薄层的温度梯度较之传统的油变要高。这就意味着在很多情况下，绕组的表面温度是由绝缘液体的散热能力所决定的。3、温升五、在设计中需要考虑的几个问题lA－导体lB－固体绝缘材料薄层lC－液体边界薄层lD－绕组表面温度lE－冷却沟道内的液体温度lgr－在额定电流下绕组对液体的平均温度梯度lH－热点系数lP－与高温绝缘材料相接触的热点温度lΔθ1－在高温绝缘材料内侧的温度梯度lΔθb－在液体绝缘边界层的温度梯度lλ－固体绝缘材料的导热率lX－导体的辐向尺寸lY－轴向温度图5导体对液体的温度梯度l图5a单一绝缘材料图5b两种绝缘材料根据设计值与绝缘系统的热特性，较之传统变压器而言，显然这类变压器的过载能力是不同的。对它的过载能力的一般分析原则与公式则与IEC60067－7（油浸变的过载能力）中所介绍的是相同的。但具体的过载水平、温度和时间常数值则并不一样。对其具体的过载问题应结合设计时的取值一道考虑。4、过载能力五、在设计中需要考虑的几个问题具有谐波电流时将使涡流损耗与杂散损耗增大，这样将使平均温升与热点温度增大。涡流损耗将沿着绕组的高度而变化，在绕组的中部，由于漏磁通几乎全部与导体薄层平等，所以损耗较低；相反，在端部则漏磁通基本上与导体相垂直，因而漏流损耗将增大。由于谐波电流所引起的附加损耗的增大，将使绕组的平均温升与热点温度之间的差值增大。尤其是对多相整流变压器，对此必须特别予以注意。5、谐波电流的影响五、在设计中需要考虑的几个问题由于这类变压器的运行温度将高于传统油浸式变压器，所以对其套管、分接开关、密封件、冷却器、储油柜、套管式电流互感器、温度计、气体继电器等配套组件，都必须重新审查它们是否可以在高温下运行，如不满足要求，则应与供货厂商协更换以确保运行安全。6、配套组件五、在设计中需要考虑的几个问题（1）采用高温固体绝缘材料的液浸式变压器，可以缩小变压器尺寸，满足高电流密度与高温升情况下运行的需要，并能满足制造高温难燃变压器的要求。他可以用于移动式变压器、牵引变压器、电炉变压器和整流变压器等。由于这种变压器不仅原材料价格贵、增加生产成本，而且损耗高、对节能不利，因而可以认为它的应用范围是有限的。（2）国外有用高温绝缘材料浸以难燃液体制作小型配电变压器的例子，近年来国内也有类似报导。据称，由于这类小型液浸式配电变压器不易燃烧，因此可放置于户内，其成本甚至比干式变压器还低等。但这些介绍忽略了一点，即这种配电变压器仍属于油浸式变压器的一种，因此，油浸式变压器的一些固有缺点（如渗漏油、维护工作量大等）依然存在，而且其损耗较高，对节能不利。尽管