混合绝缘系统油浸式变压器的结构优化方法

摘要

混合绝缘系统油浸式变压器，包括油浸式变压器主体，其中，油浸式变压器主体内的绝缘油采用矿物绝缘油，油浸式变压器主体内的绝缘纸采用DPE绝缘纸。本发明还公开了上述混合绝缘系统油浸式变压器的结构优化方法。本发明在仅更换固体绝缘材料的情况下能提升油浸式变压器过载能力，不但能继续沿用针对矿物绝缘油的运行维护和故障检测标准，还能大幅度降低高过载能力变压器的研制成本，可靠性与经济性兼得，便于推广应用。

权利要求

1.混合绝缘系统油浸式变压器的结构优化方法，混合绝缘系统油浸式变压器，包括油浸式变压器主体，所述油浸式变压器主体内的绝缘油采用矿物绝缘油，油浸式变压器主体内的绝缘纸采用DPE绝缘纸，其特征在于，所述方法包括以下步骤：步骤一、计算长期急救负载下常规绝缘系统油浸式变压器允许过载倍数、以及混合绝缘系统油浸式变压器允许过载倍数，并计算出混合绝缘系统油浸式变压器允许过载倍数与常规绝缘系统油浸式变压器允许过载倍数的比值；

步骤二、将计算出的混合绝缘系统油浸式变压器允许过载倍数与常规绝缘系统油浸式变压器允许过载倍数的比值等效为油浸式变压器主体内绕组电阻损耗比值，根据绕组电阻损耗比值计算出绕组导线半径缩小比例，并将油浸式变压器主体内绕组导线半径按计算出的绕组导线半径缩小比例进行缩小；

步骤三、将油浸式变压器主体的箱体体积、铁心体积、绝缘油用量及绝缘纸用量按计算出的绕组导线半径缩小比例进行缩小，将油浸式变压器主体的绕组铜材用量按计算出的绕组导线半径缩小比例的平方进行缩小。

2.根据权利要求1所述的混合绝缘系统油浸式变压器的结构优化方法，其特征在于，所述步骤一中长期急救负载下油浸式变压器的允许过载倍数是由过载时热点温度限值对应的过载倍数确定的，其中，过载时热点温度的计算公式为：其中，θh(t)为热点温度，θa为环境温度，△θoi为初始状态顶层油温升，Hgi为初始状态热点对顶层油温度差，△θor为总损耗下顶层油温升，Hgr为额定电流下热点对顶层油温度差，R为负载损耗与空载损耗比值，K为负载系数，x为顶层油指数，y为绕组指数，函数f1(t)为反映顶层油温升上升量的时间函数，f2(t)为反映热点对顶层油温度差变化的时间函数，k11、k21、k22为常数；τo为油时间常数，τw为绕组时间常数。

3.根据权利要求1或2所述的混合绝缘系统油浸式变压器的结构优化方法，其特征在于，所述绕组电阻与绕组导线半径之间的关系如下：其中，R'为绕组电阻，ρ为绕组导体材料电阻率，l为绕组导体长度，S为绕组导体截面积，r为绕组导体半径。

说明书

混合绝缘系统油浸式变压器的结构优化方法

技术领域

[0001] 本发明涉及变压器设计及应用技术领域，具体是混合绝缘系统油浸式变压器的结构优化方法。

背景技术

[0002] 随着国民经济快速发展，电网负荷持续高速增长，而电网建设相对滞后，造成了电力变压器负荷率居高不下，甚至长时间过载运行。农网配电变压器由于其所处环境的特殊性，季节性过载状况尤为严重。为解决过载问题，高过载能力变压器的研制迫在眉睫。现有高过载变压器普遍采用新型高温液体和固体绝缘材料对传统变压器的绝缘材料进行替换，成本昂贵，且无法应用传统油浸式变压器的运行、维护标准。如何在不更换油浸式变压器液体绝缘材料的同时降低变压器的研制成本，这成为目前人们普遍关注的问题。然而，现今没有相应的设备，也未见相关的报道。

发明内容

[0003] 本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种能降低变压器研制成本的混合绝缘系统油浸式变压器。本发明还公开了上述混合绝缘系统油浸式变压器的结构优化方法，其能在绝缘材料改变的情况下对变压器结构进行合理优化，能进一步降低油浸式变压器的制造成本，使得油浸式变压器更便于推广应用。

[0004] 本发明解决上述问题主要通过以下技术方案实现：混合绝缘系统油浸式变压器，包括油浸式变压器主体，所述油浸式变压器主体内的绝缘油采用矿物绝缘油，油浸式变压器主体内的绝缘纸采用DPE绝缘纸。其中，本发明油浸式变压器主体内的绝缘纸采用DPE绝缘纸，其具有在矿物绝缘油中浸润速率快、干燥时间短、耐温等级高、机械性能好、价格低等优点。

[0005] 基于上述混合绝缘系统油浸式变压器的结构优化方法，包括以下步骤：

[0006] 步骤一、计算长期急救负载下常规绝缘系统油浸式变压器允许过载倍数、以及混合绝缘系统油浸式变压器允许过载倍数，并计算出混合绝缘系统油浸式变压器允许过载倍数与常规绝缘系统油浸式变压器允许过载倍数的比值；

[0007] 步骤二、将计算出的混合绝缘系统油浸式变压器允许过载倍数与常规绝缘系统油浸式变压器允许过载倍数的比值等效为油浸式变压器主体内绕组电阻损耗比值，根据绕组电阻损耗比值计算出绕组导线半径缩小比例，并将油浸式变压器主体内绕组导线半径按计算出的绕组导线半径缩小比例进行缩小；

[0008] 步骤三、将油浸式变压器主体的箱体体积、铁心体积、绝缘油用量及绝缘纸用量按计算出的绕组导线半径缩小比例进行缩小，将油浸式变压器主体的绕组铜材用量按计算出的绕组导线半径缩小比例的平方进行缩小。

[0009] 进一步的，所述步骤一中长期急救负载下油浸式变压器的允许过载倍数是由过载时热点温度限值对应的过载倍数确定的，其中，过载时热点温度的计算公式为：

[0010]

[0011]

[0012]

[0013] 其中，θh(t)为热点温度，θa为环境温度，△θoi为初始状态顶层油温升， 为初始状态热点对顶层油温度差，△θor为总损耗下顶层油温升， 为额定电流下热点对顶层油温度差，R为负载损耗与空载损耗比值，K为负载系数，x为顶层油指数，y为绕组指数，函数f1(t)为反映顶层油温升上升量的时间函数，f2(t)为反映热点对顶层油温度差变化的时间函数。

[0014] 本发明与常规绝缘系统采用的固体绝缘材料不同，但冷却介质均采用矿物绝缘油，故在相同发热情况下，二者温度分布相同，所达到的热点温度也相同，故可以采用相同的热点温度计算公式。

[0015] 进一步的，所述绕组电阻与绕组导线半径之间的关系如下：

[0016]

[0017] 其中，R'为绕组电阻，ρ为绕组导体材料电阻率，l为绕组导体长度，S为绕组导体截面积，r为绕组导体半径。本发明应用时基于发热等效原理推算绕组线径减小比例，忽略变压器空载损耗对于温升的影响，认为负载损耗是造成绕组温度升高的主因，近似将绕组电阻损耗视为变压器热源，由本发明所述变压器与常规绝缘系统变压器的过载能力评估，考虑绕组电阻与绕组导线半径之间的关系，推算绕组线径的减小比例。

[0018] 综上所述，本发明具有以下有益效果：(1)本发明在仅更换固体绝缘材料的情况下能提升油浸式变压器过载能力，不但能继续沿用针对矿物绝缘油的运行维护和故障检测标准，还能大幅度降低高过载能力变压器的研制成本，可靠性与经济性兼得。

[0019] (2)本发明基于新型固体绝缘材料和传统固体绝缘材料的性能差异，比较了本发明所述变压器与传统变压器的过载能力，针对本发明所述的变压器提出了减小绕组线径、减小铁芯体积、减小箱体体积、降低绝缘材料用量等结构优化建议，实用性强，为混合绝缘系统变压器的结构设计提供了理论依据，并降低了其制造成本，有利用混合绝缘系统变压器的推广和使用，具有重要的理论价值和现实意义。

具体实施方式

[0020] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

[0021] 实施例：

[0022] 混合绝缘系统油浸式变压器，包括油浸式变压器主体，其中，油浸式变压器主体内的绝缘油采用矿物绝缘油，油浸式变压器主体内的绝缘纸采用DPE绝缘纸。

[0023] 魏德曼公司依据IEEE C57.100-2011导则，针对DPE绝缘纸进行了为期2年的热老化试验，试验结果如表1所示。由表1可见：DPE绝缘纸与矿物绝缘油组成的混合绝缘系统耐热等级为130℃，即采用DPE绝缘纸的混合绝缘系统绝缘等级为B级，变压器绝缘损坏率未超过允许范围时的热点温度限值为165℃。

[0024] 由于各类矿物绝缘油的闪点处于100℃～170℃区间内，因此选择特定种类的矿物绝缘油可满足闪点高于165℃的要求，则矿物绝缘油的性能不会成为混合绝缘系统变压器过载能力的限制因素。

[0025] 表1 DPE绝缘系统热老化试验结果总结

[0026]

[0027] 基于上述混合绝缘系统油浸式变压器的结构优化方法，包括以下步骤：步骤一、计算长期急救负载下常规绝缘系统油浸式变压器允许过载倍数、以及混合绝缘系统油浸式变压器允许过载倍数，并计算出混合绝缘系统油浸式变压器允许过载倍数与常规绝缘系统油浸式变压器允许过载倍数的比值；步骤二、将计算出的混合绝缘系统油浸式变压器允许过载倍数与常规绝缘系统油浸式变压器允许过载倍数的比值等效为油浸式变压器主体内绕组电阻损耗比值，根据绕组电阻损耗比值计算出绕组导线半径缩小比例，并将油浸式变压器主体内绕组导线半径按计算出的绕组导线半径缩小比例进行缩小；步骤三、将油浸式变压器主体的箱体体积、铁心体积、绝缘油用量及绝缘纸用量按计算出的绕组导线半径缩小比例进行缩小，将油浸式变压器主体的绕组铜材用量按计算出的绕组导线半径缩小比例的平方进行缩小。

[0028] 本实施例在具体实施时，步骤一中长期急救负载下油浸式变压器的允许过载倍数是由过载时热点温度限值对应的过载倍数确定的，其中，过载时热点温度的计算公式为：

[0029]

[0030]

[0031]

[0032] 其中，θh(t)为热点温度，θa为环境温度，△θoi为初始状态顶层油温升， 为初始状态热点对顶层油温度差，△θor为总损耗下顶层油温升， 为额定电流下热点对顶层油温度差，R为负载损耗与空载损耗比值，K为负载系数，x为顶层油指数，y为绕组指数，函数f1(t)为反映顶层油温升上升量的时间函数，f2(t)为反映热点对顶层油温度差变化的时间函数。

[0033] 本实施例在具体实施时，绕组电阻与绕组导线半径之间的关系如下：

[0034]

[0035] 其中，R'为绕组电阻，ρ为绕组导体材料电阻率，l为绕组导体长度，S为绕组导体截面积，r为绕组导体半径。

[0036] 常规绝缘系统的液体绝缘材料普遍采用矿物绝缘油，固定绝缘材料普遍采用纤维素绝缘纸，本发明的液体绝缘材料采用矿物绝缘油，固定绝缘材料采用DPE绝缘纸。

[0037] 本实施例采用式(1)来计算热点温度，其中，式(1)中的参数取值多使用推荐值。表2所示为绝缘系统中冷却介质采用矿物绝缘油时油浸式变压器热特性参数推荐值。

[0038] 表2油浸式变压器热特性参数推荐值

[0039]热特性参数 推荐值
油指数x 0.8
绕组指数y 1.6
油时间常数τo 180
绕组时间常数τw 4
常数k11 1.0
常数k21 1.0
常数k22 2.0
损耗比R 5
热点系数H 1.1
总损耗下顶层油温升Δθor 55
额定电流下热点对顶层油温度梯度Hgr 23

[0040] 计算可得：常规绝缘系统油浸式配电变压器长期急救负载下的允许过载倍数为1.34倍，本实施例所述变压器长期急救负载下的允许过载倍数为1.53倍，即采用耐高温的普通纤维素纸更换DPE绝缘纸，可将油浸式配电变压器的过载能力由1.34倍提升至1.53倍，足以满足农网过载需求。

[0041] 在油浸式配电变压器运行中，忽略空载损耗对于温升的影响，认为负载损耗是造成绕组温度升高的主因。且绕组电阻损耗在负载损耗中所占比例超过95％，则可近似将绕组电阻损耗视为油浸式变压器发热的热源。

[0042] 相同过载倍数下，本实施例所述变压器能够承受的热源大小可达到常规绝缘系统变压器的1.14倍。变压器所带负载不变时，绕组电阻损耗与绕组电阻成正比，采用式(4)可得，当绕组导线半径缩小为原来的0.94倍，忽略绕组线径减小引起的绕组铜线总长度与箱体水平方向尺寸的减小，铁心体积可缩小为原来的0.94倍，变压器箱体体积可缩小为原来的0.94倍，绝缘油用量可缩小为原来的0.94倍，绝缘纸用量可缩小为原来的0.94倍，绕组铜材用量可减小为原来的0.88倍。如此，缩小绕组线径可在一定程度上减小变压器制造成本，且经过线径调整之后的混合绝缘系统变压器过载能力与常规绝缘系统变压器相当，故该结构调整方案仅适用于过载较轻的地区，可降低混合绝缘系统油浸式变压器材料成本。

[0043] 采用DPE绝缘纸和矿物绝缘油的混合绝缘系统油浸式变压器耐热能力较采用普通纤维素纸和矿物绝缘油的常规绝缘系统油浸式变压器高出约15％，则相较常规绝缘系统油浸式变压器，混合绝缘系统油浸式变压器绕组间的散热油道、进、出口油径可缩小约10％，如采用波纹散热器，则波纹散热器的波翅数也可相应减少。该结构调整方案可在提升过载能力的同时降低混合绝缘系统油浸式变压器材料成本，具有极大实用性。

[0044] 以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。