1. 簡介
酯液成功地應(yīng)用于配電變壓器和牽引變壓器已有多年。然而，當(dāng)應(yīng)用于高電壓、大容量和尺寸較大的電力變壓器時，酯液還具有其他一些特性，需要仔細(xì)考慮。在電力變壓器中酯液的可靠設(shè)計和應(yīng)用中，在小型變壓器中可能不重要的問題變得極為重要。一些文獻(xiàn)確定了酯液在用于電力變壓器之前必須研究的幾個性能特性。下面幾節(jié)將考慮一些重要特征的影響。
在使用酯液設(shè)計大中型電力變壓器時，設(shè)計者需要考慮礦物油和酯液之間在性能、特性和材料參數(shù)方面的許多顯著差異。通過多年的運(yùn)行和試驗經(jīng)驗，對礦物油填充電力變壓器的介電性能和熱性能的設(shè)計計算和設(shè)計規(guī)則進(jìn)行了研究和不斷完善。因此，在理論、分析和實驗研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合多年來礦物油填充變壓器設(shè)計的經(jīng)驗，制定相應(yīng)的設(shè)計計算和設(shè)計規(guī)則，對設(shè)計可靠的酯液填充電力變壓器至關(guān)重要。本文的這一部分介紹了為開發(fā)酯液填充電力變壓器的設(shè)計指南和計算而進(jìn)行的調(diào)查的結(jié)果。本節(jié)還介紹了酯液的不同性質(zhì)和特性對變壓器的鐵芯和繞組的設(shè)計有何影響，以及在設(shè)計這些變壓器時應(yīng)如何考慮這種影響，以便達(dá)到與礦物油填充電力變壓器相同或更好的性能和可靠性水平。在選擇、設(shè)計和確定用于酯液填充電力變壓器的套管和分接開關(guān)的電壓和電流額定值時必須考慮的因素見第2.3節(jié)。
2.1 絕緣設(shè)計注意事項
在由液體和固體絕緣材料組成的絕緣系統(tǒng)中，固體和液體介質(zhì)之間的電應(yīng)力分布取決于液體和固體材料的介電常數(shù)的相對值。酯類絕緣液的介電常數(shù)通常高于礦物油的介電常數(shù)，接近紙板和絕緣紙的介電常數(shù)。由于酯液/隔板系統(tǒng)的介電常數(shù)匹配較好，固體和液體之間的應(yīng)力分布差異遠(yuǎn)小于礦物油/隔板系統(tǒng)。這樣做的一個結(jié)果是，在酯液填充的絕緣系統(tǒng)中，局部放電發(fā)生電壓要比礦物油絕緣系統(tǒng)略高。測試結(jié)果還表明，對于較小的絕緣距離，酯液在AC和LI應(yīng)力下的平均擊穿電壓是相似的。這些發(fā)現(xiàn)解釋了十多年來酯液在配電變壓器上的成功應(yīng)用，使用的介質(zhì)準(zhǔn)則與礦物油相同。
礦物油和酯類液體之間的介電性能差異表現(xiàn)在較長的絕緣間隙，也取決于電極結(jié)構(gòu)。變壓器中的閃絡(luò)是電極之間的流注放電沿整長工度移動的結(jié)果。閃絡(luò)現(xiàn)象在物理上可分為兩個過程：即起始和傳播，每個都有鮮明的特征。從已經(jīng)完成的研究來看，很明顯，起始過程始于高電場區(qū)域，而傳播則只需要低得多的局部電場。現(xiàn)在人們已經(jīng)很清楚，酯液和礦物油之間的放電起始是相似的。因此，評估主要是放電引發(fā)過程的測試方法不足以突出礦物油和酯液之間的介電差異。例如，在小間隙中均勻交流電場下的標(biāo)準(zhǔn)介電試驗需要更高的擊穿電場。由于電場強(qiáng)度高，傳播距離短，流注放電和閃絡(luò)幾乎同時發(fā)生。因此，酯液和礦物油之間的差異不容易辨別。此外，這種高的電場在實際變壓器幾何形狀中是不現(xiàn)實的，當(dāng)有顆粒存在時，通常會導(dǎo)致半均勻場和非均勻場。
酯液與礦物油介電性能的主要區(qū)別在于流注放電在非均勻場中的傳播，特別是在長間隙中。在非均勻場下，隨著間隙長度的增加，在LI和AC應(yīng)力作用下酯液中的擊穿電壓低于礦物油中的擊穿電壓。此外，加速電壓(表示流注放電從“慢”事件轉(zhuǎn)變?yōu)椤翱臁笔录碾妷?在酯液中顯著低于礦物油中。快速流注放電通常更危險，因為它們在短時間間隔內(nèi)在液體中傳播的距離更長，從而增加了變壓器完全電擊穿和可能故障的風(fēng)險。此外，在酯液中，從慢到快的流注放電的轉(zhuǎn)變只發(fā)生在略高于平均擊穿電壓的電壓下，而在礦物油中，平均擊穿電壓和加速電壓之間存在較大的電壓差異(圖1)。在LI電壓下，正極性流注放電比負(fù)極性流注放電的差異更明顯。在LI電壓下，隔板的存在對礦物油中的加速電壓有顯著影響，但對酯液中的加速電壓沒有影響。
圖1 針-板模型中帶和不帶紙板的正極性流注放電速度(Va =加速電壓，Vb =平均擊穿電壓)
礦物油和酯液的介電特性的差異并不限制酯液在高壓電力變壓器中的使用。然而，制造商必須理解這些差異和相似之處在變壓器設(shè)計上的含義，并且必須用適當(dāng)?shù)某叽缫?guī)則來處理它們。如果不這樣做，則會增加酯液填充電力變壓器在試驗時或在運(yùn)行中發(fā)生絕緣故障的風(fēng)險。
由于酯液的粘度明顯高于礦物油，酯液通過繞組、鐵心和冷卻設(shè)備的流量低于礦物油，導(dǎo)致頂層油、繞組和鐵心溫度相對更高。與礦物油相比，酯液具有更高的導(dǎo)熱系數(shù)和略高的熱容。然而，這些較好的熱性能只是稍微補(bǔ)償酯液較高粘度對大中型電力變壓器的負(fù)面影響。其中熱傳遞主要由對流控制。因此，有必要：
(1) 優(yōu)化繞組、鐵心和冷卻系統(tǒng)的設(shè)計，以改善變壓器中酯液的熱動力。
這只有通過對繞組、鐵心和冷卻設(shè)備中酯液的熱動力學(xué)進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕２拍軐崿F(xiàn)。本文的這一部分介紹了一些熱設(shè)計考慮因素，以實現(xiàn)降低酯液對鐵心和繞組溫度的不利影響。
酯液對電力變壓器鐵心熱點和表面熱點溫度的影響有以下幾點:
1. 冷卻管道中流體的有效傳熱系數(shù)是冷卻管道的幾何形狀以及流體的導(dǎo)熱率和粘度決定的。
2. 以酯液作為各層疊片之間的傳導(dǎo)介質(zhì)，可使疊片層間的導(dǎo)熱率提高。
3. 酯液對油箱頂部和底部油溫度的影響以及對繞組頂部油溫度的影響
為了準(zhǔn)確預(yù)測酯液對鐵心溫度的影響，我們進(jìn)行了嚴(yán)格的熱模擬來評估上述影響。下表1將某50MVA變壓器空載110%過勵磁測試時計算得到的鐵心熱點和表面熱點(高于周圍流體溫度)的溫度梯度與實測值進(jìn)行了比較。表中顯示了測量值和計算值之間的一致性良好。表2將酯液對鐵心溫度梯度影響的計算值與空載時的實測值進(jìn)行了比較。
表1 – 在空載下計算與測量的鐵心溫度梯度,oC
表2 -空載時酯液對鐵心溫度影響的計算值與測量值，oC
采用相同的建模技術(shù)，計算了在變壓器滿負(fù)荷運(yùn)行時，不同直徑、不同材料、不同磁通密度和不同冷卻油道數(shù)量的鐵心，酯液對鐵心熱點和鐵心表面熱點梯度的影響。下面表3給出了具有3個冷卻油道的疊片的計算結(jié)果示例。正如預(yù)期的那樣，最大的影響是在油道之間的鐵心部分的內(nèi)部。
表3 -酯液對三個油道鐵心溫度梯度的計算影響，oC
由此可見，對于酯液填充的變壓器，需要進(jìn)行鐵心熱點和鐵心表面熱點梯度的精確計算。此外，在設(shè)計這些變壓器的鐵心時，應(yīng)該考慮降低這些溫度的方法(在需要時)，使用已開發(fā)的計算和優(yōu)化影響鐵心溫度的鐵心和冷卻設(shè)計參數(shù)。
酯液對電力變壓器繞組平均溫度和熱點溫度的影響主要由繞組內(nèi)流體的速度、繞組油道的尺寸以及酯液對油箱中油溫差的影響決定。為了準(zhǔn)確預(yù)測酯液對繞組溫度的影響，采用嚴(yán)格的熱模擬方法來對上述影響進(jìn)行了評價。
下面的圖2 (a)給出了在滿負(fù)載情況下，在填充礦物油和填充酯液時，中型電力變壓器低壓餅式繞組水平油道中的油流速度計算結(jié)果。圖中顯示了酯液速度的大幅降低，以及在油導(dǎo)向分區(qū)之間的單個繞組段內(nèi)流體速度的顯著下降。如圖2 (b)所示，這將轉(zhuǎn)化為更高的繞組溫度，以及頂部和底部繞組溫度之間更大的溫差。導(dǎo)致酯液填充電力變壓器的繞組熱點顯著升高。
(a)水平油道中的油流速度
(b)繞組線餅的溫度
圖2 電力變壓器餅式繞組中油流速度和溫度的計算結(jié)果
由此可見，我們需要對填充酯液變壓器的冷卻系統(tǒng)、油箱的油和繞組的整個熱回路進(jìn)行精確的建模，并使用這樣的模型來優(yōu)化變壓器的繞組設(shè)計，以降低油和繞組的溫度，以滿足保證的水平。
2.3 套管和分接開關(guān)的設(shè)計注意事項
在酯液應(yīng)用中，很容易忽略檢測變壓器附件的必要性。這是由于通常只關(guān)注變壓器本身，無論安裝是新的還是對現(xiàn)有設(shè)備的改造。所有附件，特別是套管和分接開關(guān)(有載和無勵磁)，都需要進(jìn)行測試和驗證，以確保在酯液應(yīng)用中具有正確的尺寸和功能。
分接開關(guān)中的液體不僅具有冷卻和絕緣的作用，還可以熄滅電弧和潤滑機(jī)械運(yùn)動部件。根據(jù)分接開關(guān)的類型，它所受到的應(yīng)力的嚴(yán)重程度和大小不同。如果分接開關(guān)是油中拉弧型，則分接開關(guān)應(yīng)配備濾油裝置。在切換過程中，電弧在拉弧過程中會分解油。這個過程的殘留物是油煙和殘留在油中的水分。與礦物油相比，酯類油的油煙沉降時間更長，吸濕性更高。如果使用油中拉弧型分接開關(guān)，重要的是不要讓氧氣和水分進(jìn)入分接開關(guān)室，而要讓電弧氣體逸出。如果使用真空技術(shù)的分接開關(guān)，則可能不需要此要求。當(dāng)使用酯液時，套管在閃絡(luò)距離方面相當(dāng)關(guān)鍵。由于流注速度、結(jié)束長度等性能與套管周圍電場的不同，有必要更改配電電壓水平以上套管的設(shè)計準(zhǔn)則。
此外，酯液的粘度通常高于礦物油。但是，它在低溫下粘度非常高，在運(yùn)行溫度下顯著下降。因此，有必要全面了解酯液填充的高壓套管在整個液體溫度范圍內(nèi)的介電性能和熱性能。在此背景下，值得注意的是，不僅酯液和礦物油不僅雷電沖擊特性不同，而且在傳輸電壓下，酯液與礦物油的AC特性也不同。
3. 酯液填充電力變壓器制造的注意事項
用酯液制造電力變壓器需要不同的工藝和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。為了確保運(yùn)行中油的質(zhì)量良好，必須確保與油接觸的所有材料都是兼容的；例如，這些材料不會將離子污染物滲透到油中，也不會與油發(fā)生某種方式的反應(yīng)。變壓器中最常用的材料(銅、鋼、鋁、纖維素等)都與酯液相容。某些橡膠可能與某些酯液兼容，也可能不兼容，這取決于橡膠中所使用的填充材料的成分。因此，使用ASTM方法D3455檢查可能與油接觸的橡膠樣品是很重要的，但是要在氮氣環(huán)境中進(jìn)行老化。這包括墊圈、膠囊、輸油管和組件。如果對某種材料有疑問，建議檢查其兼容性。
由于酯液對水分有較高的親和力，因此有必要在生產(chǎn)過程和運(yùn)行過程中避免油暴露在大氣中。此外，一些酯液表現(xiàn)出較差的氧化穩(wěn)定性。由于這些原因，酯液填充電力變壓器通常采用氮氣密封或帶膠囊的恒壓油系統(tǒng)(密封的COPS)。
再次，由于酯液的粘度比礦物油高，纖維素結(jié)構(gòu)的浸漬速度較慢。纖維素浸漬不充分時會在固體絕緣中留下氣泡，這可能會在絕緣測試中產(chǎn)生局部放電甚至絕緣擊穿。因此，在變壓器接受任何絕緣強(qiáng)度測試之前，必須進(jìn)行模擬和測試以便找到足夠的浸漬時間。
在酯液中加入少量礦物油可以降低酯液的閃點和燃點。另一方面，礦物油中加入少量酯液，增加了礦物油的帶電趨勢，使其超過了可接受的限度。因此，如果礦物油和酯液使用同一處理設(shè)備注入到變壓器，確保油的交叉污染盡
量少是很重要的。
4. 對變壓器運(yùn)行的考慮
出于多種原因，從環(huán)境效益到降低保險費(fèi)，酯液已被用于已在運(yùn)行的變壓器的換油。
電力變壓器的換油需要經(jīng)過合格的工程評估，因為可能需要在設(shè)計上考慮到礦物油和其他液體之間的差異。
當(dāng)來自O(shè)EM的變壓器設(shè)計詳細(xì)信息可用時，人們可以應(yīng)用知識、工具和規(guī)則來設(shè)計新的酯液填充的變壓器，以準(zhǔn)確地預(yù)測用新液體填充的變壓器的性能。
然而，設(shè)計信息通常是保密的，不容易獲得。
在這種情況下，必須做出工程判斷來評估充入酯液時變壓器的性能。
例如，一種可能是使用工廠測試的數(shù)據(jù)來估計繞組間內(nèi)部熱流分布和預(yù)測繞組中不同的液體特性和液體溫度的影響。
在換油前，確認(rèn)變壓器的狀況以及之前安裝的部件的可靠性也是很重要的。
為此需要進(jìn)行油樣分析和額外的現(xiàn)場測試，并為變壓器今后的監(jiān)測和維護(hù)提供新的基礎(chǔ)。
換油過程需要很好的控制，以盡量減少變壓器中殘存的礦物油量。
雖然礦物油和酯液完全可以混溶，但過多的礦物油殘留會降低酯液的防火性能。
在維護(hù)和診斷方面，酯液和礦物油對被測變壓器或在其使用壽命期間的滿意性能的要求是相同的。而對礦物油在變壓器中的性能有直接影響的一些參數(shù)對酯液的影響不大。例如，礦物油功率因數(shù)的增加與介電擊穿強(qiáng)度的降低有直接關(guān)系，而酯液則不存在這種關(guān)系。酸值也是如此。類似地，界面張力被用來確定礦物油中極性污染物的存在。由于酯液是由極性分子組成的，界面張力的效果變得不那么顯著。因此，對于用戶來說，了解哪些參數(shù)直接影響酯液的熱性能和介電性能并監(jiān)測這些參數(shù)是很重要的。對于酯液，最重要的參數(shù)是直接影響擊穿強(qiáng)度的相對濕度和直接影響變壓器熱性能的粘度。如果測量其他參數(shù)，應(yīng)注意其診斷閾值將與礦物油的閾值顯著不同。
酯液的電導(dǎo)率(電阻率的倒數(shù))比礦物油的電導(dǎo)率大約高兩個數(shù)量級。因此，浸漬在酯液中的干燥纖維素的抗氧化性能自然低于浸漬在礦物油中的干燥纖維素。因此，為礦物油系統(tǒng)建立的典型的最小絕緣電阻值和溫度修正系數(shù)都不適用于酯浸漬系統(tǒng)。對于充滿酯液的變壓器，需要采用一套不同的絕緣電阻測量診斷規(guī)則。
另一方面，擊穿電壓是一個重要的特征監(jiān)測。油的介電擊穿強(qiáng)度決定了它在測試期間以及在其使用壽命內(nèi)各種操作和故障條件下承受施加在其上的電應(yīng)力的能力。特別重要的是水分、微粒和使用壽命對油的介電擊穿強(qiáng)度的影響。關(guān)于水分，已經(jīng)證明，擊穿強(qiáng)度的惡化最好用水分的相對飽和來表示，而不是用絕對含水量來表示。測量了高油酸天然酯液體，以檢查水分和顆粒污染對擊穿電壓的影響。圖3顯示了在無污染和高污染水平下(100毫升中5μm尺寸銅顆粒的最大數(shù)量= 130000和20μm尺寸的最大數(shù)量= 16000)的水分和污染的影響。其他研究人員對其他酯類液體[11]也取得了類似的結(jié)果。結(jié)果表明，用酯液替代礦物油對擊穿強(qiáng)度沒有不利影響，已為礦物油設(shè)定的擊穿限值也適用于酯液。
a) 有銅顆粒污染
b) 沒有銅顆粒污染
圖3 -水分和顆粒對交流電壓擊穿的影響(ASTM D1816 - 2mm間隙)
油體老化引起的粘度變化也需要監(jiān)測，因為它會影響冷卻系統(tǒng)的性能，特別是電力變壓器。天然酯液的脂肪酸組成決定了它們對熱、氧和光照的長期穩(wěn)定性。酯液降解的標(biāo)志之一是粘度的增加和低溫下產(chǎn)生的氣體(通常是氫氣和乙烷)。根據(jù)應(yīng)用的不同，可能需要考慮熱、氧或光(紫外線和紅外線)對所選酯液粘度的影響。
在相同的故障條件下，酯液與礦物油產(chǎn)生相同類型的氣體，但濃度不同。解釋礦物油變壓器中溶解氣體的分析方法同樣適用于填充酯液的變壓器。然而，這些方法中使用的故障氣體的濃度和比例的限制必須適用于所選的酯液。如果所選的酯液容易析氣，則在解釋規(guī)則中應(yīng)考慮這一事實。
在酯液中紙張壽命可延長的優(yōu)點促使一些研究人員對其原因進(jìn)行量化和調(diào)查，并評估其在電力變壓器設(shè)計和制造中的潛力。另一種量化這種優(yōu)點的方法是用同等壽命下的溫升。最近的測量表明，天然酯浸漬的纖維素絕緣的溫度優(yōu)勢至少為20°C。根據(jù)該數(shù)據(jù)，可以選擇以下表4所示的天然酯填充電力變壓器的溫升限值:
頂層油溫升(K) 90
繞組平均溫升(K) 80
在這種情況下，填充天然酯的變壓器可以設(shè)計得更緊湊，以便在更高的溫度下連續(xù)運(yùn)行，或者填充酯液的變壓器運(yùn)行在傳統(tǒng)溫度下，增加了超銘牌運(yùn)行時的靈活性。
6. 結(jié)論
本文介紹了作者的調(diào)查、計算和測量結(jié)果，確定了在設(shè)計制造酯液填充電力變壓器以及舊的礦物油變壓器用酯液換油填充時需要考慮的因素。
1. 礦物油和酯液介電性能的差異體現(xiàn)在非均勻場和大的絕緣間隙中。主要的區(qū)別在于流注放電的傳播行為，在較低的電壓下，酯液中比在礦物油中，瞬態(tài)行為發(fā)生的速度更快。在設(shè)計高電壓的酯液填充變壓器時，這些差異的含義必須用適當(dāng)?shù)某叽缫?guī)則來解決。
2. 在典型的工作溫度范圍內(nèi)，酯液的粘度通常比礦物油高。這對較小的變壓器的熱特性沒有顯著影響，但對較大的變壓器是有顯著影響的。這種高粘度的影響是增加了鐵心的熱點和表面溫度，降低了油在繞組中的流速，繞組頂部和底部的溫差更大，繞組頂部油溫度更高，以及繞組熱點溫度顯著升高。因此，在設(shè)計這類變壓器時，需要對變壓器的整個熱流回路進(jìn)行精確的建模，以便對鐵芯和繞組的設(shè)計參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪x擇，以確保所有的溫度都滿足保證的水平。
3. 由于酯液和礦物油之間介電常數(shù)和熱特性的差異，有必要對所有附件，特別是分接開關(guān)(包括有載和無勵磁開關(guān))和套管進(jìn)行測試和驗證，以確保在酯液應(yīng)用中具有相匹配的尺寸和功能。
4. 在制造過程中，應(yīng)遵守適當(dāng)?shù)奶幚沓绦颍员苊怩ヒ哼^度暴露于大氣和接觸污染物。確保變壓器中所有固體絕緣結(jié)構(gòu)的充分浸漬也是重要的。
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5. 當(dāng)舊礦物油填充的電力變壓器重新填充酯液時，應(yīng)進(jìn)行合格的工程評估，以發(fā)揮酯液的優(yōu)點，但不影響變壓器的性能和可靠性。
在運(yùn)行過程中，一些油質(zhì)參數(shù)(如功率因數(shù)、酸值、界面張力)與酯液條件的相關(guān)性不同。此外，一些根據(jù)礦物油填充電力變壓器絕緣狀況的診斷參數(shù)需要根據(jù)酯液的特殊特性加以不同的考慮。
