均勻高溫絕緣系統油浸式變壓器及其結構優化方法與流程

2023-09-20 10:35:10 1

本發明涉及變壓器設計及應用
技術領域：
，具體是均勻高溫絕緣系統油浸式變壓器及其結構優化方法。
背景技術：
：油浸式變壓器因具有散熱性能優異、損耗小、製造成本低廉等優點，其在電網運行中應用較為廣泛。隨著電力系統安全可靠性和經濟環保性要求的不斷提高，人們對油浸式變壓器的性能也提出了更高的要求。為了提升油浸式變壓器的性能，人們常常採用新型絕緣材料對油浸式變壓器的絕緣材料進行替換。在油浸式變壓器絕緣材料改變的情況下，目前人們僅僅關注了油浸式變壓器散熱性能和絕緣性能的變化，如何根據絕緣材料的不同對油浸式變壓器結構進行優化以降低製造成本，現有技術並沒有相關記載。技術實現要素：本發明的目的在於克服現有技術的不足，提供了一種便於降低製造成本的均勻高溫絕緣系統油浸式變壓器，本發明還公開了上述均勻高溫絕緣系統油浸式變壓器的結構優化方法，其能在絕緣材料改變的情況下對變壓器結構進行合理優化，能降低油浸式變壓器的製造成本，使得均勻高溫絕緣系統油浸式變壓器更便於推廣使用。本發明解決上述問題主要通過以下技術方案實現：均勻高溫絕緣系統油浸式變壓器，包括油浸式變壓器主體，所述油浸式變壓器主體內的絕緣油採用FR3植物絕緣油，油浸式變壓器主體內的絕緣紙採用DPE絕緣紙。基於上述均勻高溫絕緣系統油浸式變壓器的結構優化方法，包括以下步驟：步驟一、計算長期急救負載下常規絕緣系統油浸式變壓器允許過載倍數、以及均勻高溫絕緣系統油浸式變壓器允許過載倍數，並計算出均勻高溫絕緣系統油浸式變壓器允許過載倍數與常規絕緣系統油浸式變壓器允許過載倍數的比值；步驟二、將計算出的均勻高溫絕緣系統油浸式變壓器允許過載倍數與常規絕緣系統油浸式變壓器允許過載倍數的比值等效為油浸式變壓器主體內繞組電阻損耗比值，根據繞組電阻損耗比值計算出繞組導線半徑縮小比例，並將油浸式變壓器主體內繞組導線半徑按計算出的繞組導線半徑縮小比例進行縮小；步驟三、將油浸式變壓器主體的箱體體積、鐵心體積、絕緣油用量及絕緣紙用量按計算出的繞組導線半徑縮小比例進行縮小，將油浸式變壓器主體的繞組銅材用量按計算出的繞組導線半徑縮小比例的平方進行縮小。進一步的，所述步驟一中長期急救負載下油浸式變壓器的允許過載倍數是由過載時熱點溫度限值對應的過載倍數確定的，其中，過載時熱點溫度的計算公式為：其中，θh(t)為熱點溫度，θa為環境溫度，Δθoi為初始狀態頂層油溫升，為初始狀態熱點對頂層油溫度差，Δθor為總損耗下頂層油溫升，為額定電流下熱點對頂層油溫度差，R為負載損耗與空載損耗比值，K為負載係數，x為頂層油指數，y為繞組指數，函數f1(t)為反映頂層油溫升上升量的時間函數，f2(t)為反映熱點對頂層油溫度差變化的時間函數。進一步的，所述繞組電阻與繞組導線半徑之間的關係如下：其中，R為繞組電阻，ρ為繞組導體材料電阻率，l為繞組導體長度，S為繞組導體截面積，r為繞組導體半徑。本發明應用時基於發熱等效原理推算變壓器繞組線徑減小比例，忽略變壓器空載損耗對於溫升的影響，認為負載損耗是造成繞組溫度升高的主因，近似將繞組電阻損耗視為變壓器熱源，由本發明所述的變壓器與常規絕緣系統變壓器能夠承受的熱源大小對比，考慮繞組電阻與繞組導線半徑之間的關係，推算繞組線徑的減小比例。綜上所述，本發明具有以下有益效果：本發明基於新型固、液絕緣材料較傳統絕緣材料的性能差異，針對本發明所述的變壓器提出了減小繞組線徑、減小鐵芯體積、減小箱體體積、降低絕緣材料用量等結構優化建議，實用性強，為本發明所述變壓器的結構設計提供了理論依據，並降低了其製造成本，有利於本發明所述變壓器的推廣和使用，具有重要的理論價值和現實意義。具體實施方式為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，下面結合實施例對本發明作進一步的詳細說明，本發明的示意性實施方式及其說明僅用於解釋本發明，並不作為對本發明的限定。實施例：均勻高溫絕緣系統油浸式變壓器，包括油浸式變壓器主體，其中，油浸式變壓器主體內的絕緣油採用FR3植物絕緣油，油浸式變壓器主體內的絕緣紙採用DPE絕緣紙。基於上述均勻高溫絕緣系統油浸式變壓器的結構優化方法，包括以下步驟：步驟一、計算長期急救負載下常規絕緣系統油浸式變壓器允許過載倍數、以及均勻高溫絕緣系統油浸式變壓器允許過載倍數，並計算出均勻高溫絕緣系統油浸式變壓器允許過載倍數與常規絕緣系統油浸式變壓器允許過載倍數的比值；步驟二、將計算出的均勻高溫絕緣系統油浸式變壓器允許過載倍數與常規絕緣系統油浸式變壓器允許過載倍數的比值等效為油浸式變壓器主體內繞組電阻損耗比值，根據繞組電阻損耗比值計算出繞組導線半徑縮小比例，並將油浸式變壓器主體內繞組導線半徑按計算出的繞組導線半徑縮小比例進行縮小；步驟三、將油浸式變壓器主體的箱體體積、鐵心體積、絕緣油用量及絕緣紙用量按計算出的繞組導線半徑縮小比例進行縮小，將油浸式變壓器主體的繞組銅材用量按計算出的繞組導線半徑縮小比例的平方進行縮小。本實施例在具體實施時，步驟一中長期急救負載下油浸式變壓器的允許過載倍數是由過載時熱點溫度限值對應的過載倍數確定的，其中，過載時熱點溫度的計算公式為：其中，θh(t)為熱點溫度，θa為環境溫度，Δθoi為初始狀態頂層油溫升，為初始狀態熱點對頂層油溫度差，Δθor為總損耗下頂層油溫升，為額定電流下熱點對頂層油溫度差，R為負載損耗與空載損耗比值，K為負載係數，x為頂層油指數，y為繞組指數，函數f1(t)為反映頂層油溫升上升量的時間函數，f2(t)為反映熱點對頂層油溫度差變化的時間函數。本實施例中繞組電阻與繞組導線半徑之間的關係如下：其中，R為繞組電阻，ρ為繞組導體材料電阻率，l為繞組導體長度，S為繞組導體截面積，r為繞組導體半徑。常規絕緣系統絕緣材料普遍採用礦物絕緣油和纖維素絕緣紙，本發明的液體絕緣材料採用FR3植物絕緣油，絕緣紙採用DPE絕緣紙。其中，液體絕緣材料的性能對油浸式變壓器散熱性能具有決定性作用，表1所示為礦物絕緣油與FR3植物絕緣油的性能對比。表1礦物絕緣油與FR3植物絕緣油性能對比FR3植物絕緣油礦物絕緣油密度(20℃)/kg.dm-30.920.88熱傳導率/(W/(m.K))0.170.13熱膨脹係數/K-10.00070.0007比熱容/(J/(kg.K))1880.01838.5運動粘度(40℃)/mm2.s-1369.2運動粘度(100℃)/mm2.s-1102.3含水量/(mg/kg)56.525油浸式變壓器散熱方式有三種：熱傳導、熱對流和熱輻射。油浸式變壓器運行中的產熱主要由絕緣液體以熱對流方式散發到周圍環境中，且更換絕緣材料導致的散熱性能差異主要是更換絕緣油導致的熱對流性能差異，故針對不同絕緣系統變壓器主要比較其對流散熱能力。熱對流散熱方式用牛頓冷卻方程可描述如式(5)：Q＝hAΔt(5)其中，h為對流換熱係數，A為不同傳熱體間的接觸面積，Δt為不同傳熱體間的溫度差。由式(5)可得，在不改變油浸式變壓器結構的情況下，兩種絕緣油的油接觸面積A相等，變壓器帶相同負載，則鐵心和線圈發熱情況相同，即對流換熱發生的初始時刻溫差Δt相等。故不同絕緣液體通過熱對流方式帶走的熱量Q與對流換熱係數h成正比。對流換熱係數h可採用公式(6)計算：在油浸式變壓器熱對流過程中，對流換熱係數公式裡的各物理量含義如下：C為常數；L為油對流散熱面的特性尺度(長、寬、直徑等)；g為變壓器所在地的重力加速度；cp為絕緣油比熱容；k為絕緣油熱導率；ρ為絕緣油密度；β為絕緣油熱膨脹係數；Δθ為絕緣油與變壓器發熱體間的溫度差；μ為絕緣油運動黏度；n為經驗常數，與變壓器冷卻方式和油流循環方式有關。由式(6)可得，在不改變油浸式變壓器結構及變壓器所在地的情況下，變壓器帶相同負載，則鐵心和線圈發熱情況相同，即對流換熱發生的初始時刻溫差Δθ相等。故對流換熱係數h的影響因子如式(7)所示：針對ONAN冷卻方式的油浸式變壓器，無額外冷卻措施，式(7)中的n取0.25。將表1中的特性參數代入式(7)，可得礦物絕緣油對流換熱係數和FR3植物絕緣油對流換熱係數的比值如式(8)所示：由式(8)可知，計及絕緣液體熱容和運動黏度的雙重影響時，採用FR3植物絕緣油的均勻高溫絕緣系統變壓器散熱能力弱於採用礦物絕緣油的常規絕緣系統變壓器，相同結構下僅能達到常規絕緣系統變壓器散熱能力的80.2％。採用不同絕緣系統的油浸式變壓器運行中所承受的溫度限值不同，依據過載溫度限值，可確定採用不同絕緣系統的變壓器長期急救負載下的允許過載倍數，本實施例由允許過載倍數來表徵油浸式變壓器耐熱能力。GB1094.7-2008《油浸式電力變壓器負載導則》中規定：採用常規絕緣系統的油浸式變壓器長期急救負載下過載溫度限值為140℃。GB1094.14-2011《採用高溫絕緣材料的液浸式變壓器設計和應用導則》中對採用植物絕緣油作為液體絕緣材料的均勻高溫絕緣系統過載溫度限值進行了規定，具體值如表2所示。本實施例取最低高溫固體絕緣材料耐熱等級130℃時對應的熱點溫度限值170℃來評估均勻高溫絕緣系統長期急救負載下的過載溫度限值。表2均勻高溫絕緣系統過載溫度限值本實施例採用式(1)來計算熱點溫度，其中，式(1)中的參數取值多使用推薦值。表3所示為常規絕緣系統油浸式變壓器熱特性參數推薦值。表3常規絕緣系統油浸式變壓器熱特性參數推薦值熱特性參數推薦值油指數x0.8繞組指數y1.6油時間常數τo180繞組時間常數τw4常數k111.0常數k211.0常數k222.0損耗比R5熱點係數H1.1總損耗下頂層油溫升Δθor55額定電流下熱點對頂層油溫度梯度Hgr23均勻高溫絕緣系統油浸式變壓器熱特性參數推薦值如表4所示。表4均勻高溫絕緣系統油浸式變壓器熱特性參數推薦值熱特性參數推薦值油指數x0.8繞組指數y1.6油時間常數τo170繞組時間常數τw4常數k111.0常數k211.0常數k222.0損耗比R5熱點係數H1.1總損耗下頂層油溫升Δθor53額定電流下熱點對頂層油溫度梯度Hgr23計算得：長期急救負載下常規絕緣系統油浸式變壓器允許過載倍數為1.34倍，本實施例所述的油浸式變壓器允許過載倍數為1.59倍，即本實施例所述變壓器耐熱能力是常規絕緣系統變壓器耐熱能力的1.19倍。在油浸式變壓器運行中，忽略空載損耗對於溫升的影響，認為負載損耗是造成繞組溫度升高的主因，且繞組電阻損耗在負載損耗中所佔比例超過95％，則可近似將繞組電阻損耗視為油浸式變壓器發熱的熱源。相同過載倍數下，本實施例所述變壓器能夠承受的熱源大小可達到常規絕緣系統變壓器的1.19倍。變壓器所帶負載不變時，繞組電阻損耗與繞組電阻成正比，採用式(4)可得，當繞組導線電阻擴大為原來的1.19倍時，繞組導線半徑可縮小為原來的0.92倍。忽略繞組線徑減小引起的繞組銅線總長度與箱體水平方向尺寸的減小，鐵心體積可縮小為原來的0.92倍，變壓器箱體體積可縮小為原來的0.92倍，絕緣油用量可縮小為原來的0.92倍，絕緣紙用量可縮小為原來的0.92倍，繞組銅材用量可減小為原來的0.84倍。如此，縮小繞組線徑可在一定程度上減小變壓器製造成本。目前油浸式變壓器的結構設計多隻考慮所採用FR3植物絕緣油存在粘度大、散熱性差等缺點，並未充分發揮FR3植物絕緣油及DPE絕緣紙的優良耐熱性能。本實施例綜合考慮採用FR3植物絕緣油和DPE絕緣紙的均勻高溫絕緣系統油浸式變壓器的散熱能力和耐熱能力，提出油浸式變壓器主體內的絕緣油採用FR3植物絕緣油，油浸式變壓器主體內的絕緣紙採用DPE絕緣紙，使得本實施例應用時能減小繞組線徑、鐵芯體積、箱體體積及絕緣材料用量，降低了均勻高溫絕緣系統變壓器的生產成本，有利於其推廣和使用。以上所述的具體實施方式，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施方式而已，並不用於限定本發明的保護範圍，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。當前第1頁1&nbsp2&nbsp3&nbsp