I. 簡(jiǎn)介

天然酯絕緣液經(jīng)過(guò)這些年僅限于低電壓等級(jí)配電變壓器的應(yīng)用，在2000年初開(kāi)始考慮用于電力變壓器。隨著電壓等級(jí)的提高，對(duì)絕緣系統(tǒng)精確設(shè)計(jì)的要求越來(lái)越高。介電系數(shù)是電場(chǎng)分布的一個(gè)重要參數(shù)。

在交流和沖擊電壓下，液體和固體絕緣材料的電場(chǎng)分布與介電系數(shù)成反比。由于天然酯（EN）的介電系數(shù)高于礦物油(MO)，更接近浸漬紙和絕緣紙板，故液體絕緣中的場(chǎng)強(qiáng)降低，而固體材料中的場(chǎng)強(qiáng)增加。

在許多情況下，液體中的場(chǎng)強(qiáng)是制約主空道(低壓和高壓繞組之間的絕緣)尺寸的主要因素。如圖1所示，液體中的場(chǎng)強(qiáng)可以顯著降低

簡(jiǎn)化模型由兩個(gè)油隙和中間的高密度紙隔板組成，均為3mm厚。紅色曲線(礦物油)和綠色曲線(天然酯絕緣液)的對(duì)比表明，油隙中的場(chǎng)強(qiáng)減小，固體絕緣中場(chǎng)強(qiáng)增加。

由于材料的特性可能會(huì)根據(jù)制造商的不同而發(fā)生變化，作者認(rèn)為必須明確所用材料的品牌名稱(chēng)。考慮的介質(zhì)液體是礦物油，其中介電系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)值已被定義，而天然酯液體，從測(cè)量的FR3得到的值已被使用。固體絕緣采用三種不同的材料：牛皮紙、低密度紙板(T3)和高密度紙板(T4)。

圖1 在50kV額定電壓下，由兩個(gè)油隙組成的9mm電極均勻場(chǎng)的仿真模型和沿A— B線的電場(chǎng)強(qiáng)度

表一仿真參數(shù):介電系數(shù)

II.  絕緣設(shè)計(jì)

絕緣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基本上必須考慮三個(gè)不同的方面:

? 所有位置的最大可接受的電場(chǎng)強(qiáng)度;

? 線圈、出頭和引線的機(jī)械支撐;

?用于介電液體在整個(gè)產(chǎn)熱區(qū)域循環(huán)的油道。

一般情況下，電場(chǎng)評(píng)價(jià)需要液體和固體絕緣中的場(chǎng)強(qiáng)分析，以及沿界面(爬電)的場(chǎng)強(qiáng)分析。電場(chǎng)由電壓、幾何形狀和材料的介電系數(shù)定義，在材料中產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)力，在固體絕緣表面產(chǎn)生切向應(yīng)力。本文主要研究了這兩種絕緣材料的應(yīng)力。

簡(jiǎn)單的幾何圖形，如同心圓柱體的主空道(HV/LV)可以數(shù)學(xué)公式計(jì)算。但是對(duì)于稍微復(fù)雜一些的結(jié)構(gòu)，解析解幾乎是不可能的，要使用數(shù)值計(jì)算，通常應(yīng)用有限元方法。對(duì)于目前的研究，用于模擬的參數(shù)列在表I中:

III.  “主空道”設(shè)計(jì)的比較

所謂“主空道”，即低壓繞組(LV)和高壓繞組(HV)之間的圓柱形區(qū)域，在幾個(gè)不同的方面受到介電系數(shù)差異的影響。為說(shuō)明這一點(diǎn)而準(zhǔn)備的模型來(lái)自一個(gè)在低壓和鐵芯之間有一個(gè)第三繞組的變壓器，低壓被模擬為一個(gè)單層繞組，高壓繞組被表示為一個(gè)餅式結(jié)構(gòu)，每個(gè)線餅離散化。模型如圖2所示。從A到B繞組之間的電力線在后面的圖中計(jì)算。

圖2 “繞組端部距離”仿真模型

圖3 額定電壓460kV時(shí)，圖2中沿A到B的電力線的場(chǎng)強(qiáng)

圖4 以礦物油為絕緣的“繞組端部距離”模型場(chǎng)圖

圖5 以天然酯為絕緣的“繞組端部距離”模型場(chǎng)圖

圖6 定義了用于評(píng)估場(chǎng)強(qiáng)的場(chǎng)線路徑

圖7 當(dāng)額定電壓為460kV時(shí)，沿電力線從A到B的電場(chǎng)應(yīng)力。(注:由于介電系數(shù)的不同，MO和NE始于A處的電場(chǎng)線并不相同;但是，對(duì)比圖4和圖5，差異太小，看不出來(lái))

場(chǎng)強(qiáng)沿A-B路徑的分布情況如圖7所示。因此，當(dāng)在圖表中沿直線表示這些值時(shí)，出現(xiàn)了圖1中提到的相同行為:液體間隙中的應(yīng)力減小，而固體絕緣的應(yīng)力增加。

與預(yù)期的一樣，用MO和NE模擬相同的幾何形狀，發(fā)現(xiàn)NE的液體應(yīng)力降低了約5%。假定兩種液體的介電強(qiáng)度都與假定的相似，則可以獲得更高的安全裕度。然而，在優(yōu)化絕緣結(jié)構(gòu)之前，例如通過(guò)減少主空道和或減少屏障的數(shù)量，建議在考慮許多可變參數(shù)的情況下，確保所有操作條件和應(yīng)力下的介電強(qiáng)度相似:工頻、脈沖、快速瞬變、溫度、水分、油流、顆粒等。此外，需要特別注意尖角、引線和邊緣附近的高度分化的區(qū)域。反轉(zhuǎn)效應(yīng)將在后面詳細(xì)介紹。

圖8  高壓繞組頂部的應(yīng)力放大

  

圖9 當(dāng)額定電壓為460 kV，左側(cè)為MO，右側(cè)為NE時(shí)，場(chǎng)強(qiáng)沿A – B的分布

場(chǎng)圖的比較需要注意細(xì)節(jié)。圖5中沿路徑A-B的綠s色調(diào)較圖4略淺，證實(shí)了所呈現(xiàn)的油隙中的場(chǎng)強(qiáng)降低。但最相關(guān)的方面是HV最后一個(gè)線餅邊緣的小細(xì)節(jié)，在點(diǎn)B處。由于該模型包括了導(dǎo)體周?chē)募埥^緣，因此也可以識(shí)別出液體中應(yīng)力的減少和固體中應(yīng)力的增加。在MO中，可以看到更大的橙s色調(diào)區(qū)域和邊緣的顏色變化，覆蓋了略大的區(qū)域。用NE法計(jì)算時(shí)，導(dǎo)體紙絕緣層內(nèi)的應(yīng)力增加，呈深紅色集中區(qū)域，并快速降至黃色；電場(chǎng)梯度的增加正是我們關(guān)注的重點(diǎn)。特別是對(duì)于更高的電壓等級(jí)，在最后一個(gè)線餅上可能需要額外的邊緣保護(hù)，或者在可以避免使用礦物油的情況下使用潛靜電環(huán)。通過(guò)圖9中兩幅圖的對(duì)比可以清楚地看到這種詳細(xì)的效果。

IV.  繞組端部距離的比較

采用圖2所示的仿真模型，定義了另一條路徑進(jìn)行低壓靜電環(huán)到高壓靜電環(huán)的場(chǎng)強(qiáng)比較，如圖6所示。沿此路徑的場(chǎng)強(qiáng)如圖7所示，對(duì)于NE情況，在B點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)變化導(dǎo)致液體中與本文中幾乎相同的應(yīng)力。圖8中標(biāo)注的藍(lán)色區(qū)域進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明。

由于NE的介電系數(shù)與紙的介電系數(shù)非常接近，屏蔽環(huán)紙上應(yīng)力的增加對(duì)該區(qū)域的影響比較明顯。完美的工藝是這些精致的絕緣片的關(guān)鍵。

V.  引線/內(nèi)部連接設(shè)計(jì)的比較

高介電系數(shù)的影響往往會(huì)在引線上產(chǎn)生臨界點(diǎn)，而不是在繞組上。主要原因是采用了標(biāo)準(zhǔn)化的絕緣厚度表，這是根據(jù)MO的介電系數(shù)建立的，當(dāng)使用NE時(shí)，導(dǎo)體絕緣中的應(yīng)力會(huì)增加。

為了評(píng)估這種行為，建立了一個(gè)平行于平面地電位的導(dǎo)線的簡(jiǎn)單模型(見(jiàn)圖10)。圖11給出了沿A-B線的場(chǎng)強(qiáng)，正好顯示了所描述的效果。對(duì)于礦物油計(jì)算，紅色曲線，固體絕緣內(nèi)部表面的應(yīng)力約為5.5 kV/mm，而對(duì)于NE，應(yīng)力約為7.4kV/mm。

圖10  在箱壁附近的絕緣引線對(duì)平面

圖11  當(dāng)額定電壓為460kV時(shí)，從A到B的電場(chǎng)應(yīng)力

 

圖12 左為MO絕緣液，右為NE絕緣液的仿真模型“絕緣引線”的場(chǎng)圖

這對(duì)于大多數(shù)低于36kV電壓等級(jí)的配電變壓器來(lái)說(shuō)可能是至關(guān)重要的，在這種情況下，導(dǎo)線布線通常比較松散，沒(méi)有連接到支架上。大多數(shù)情況下，電纜之間的一個(gè)小的液體間隙就足以防止任何問(wèn)題。對(duì)于更高的電壓等級(jí)，這是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的做法，有引線結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定。

從圖12顏色的比例，高介電系數(shù)液體對(duì)引線的影響是非常清楚的。這是設(shè)計(jì)師需要特別注意的一點(diǎn)。

VI.  結(jié)論

天然酯類(lèi)液體的應(yīng)用可以看作是一個(gè)日益增長(zhǎng)的趨勢(shì)。盡管與礦物油在功能上有很大的相似之處，但對(duì)于一個(gè)成功的變壓器設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，有一些差異是必須考慮的。對(duì)于絕緣設(shè)計(jì)，主要是考慮介電系數(shù)。絕緣設(shè)計(jì)人員必須意識(shí)到這一差別，在計(jì)算和校核絕緣紙中應(yīng)力和拐角中液體應(yīng)力時(shí)，必須使用適當(dāng)?shù)闹怠?/span>