緊湊型非晶合金油浸式變壓器主絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法分析

劉建萍

摘 要：非晶合金變壓器是一種節(jié)能型的變壓器，具有使用損耗低、用電效率高的基本特征，在電力企業(yè)中的應(yīng)用已經(jīng)非常普遍。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷完善，科學(xué)家研制出了一種能夠使非晶合金配電變壓器更加緊湊、更加經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)——緊湊型非晶合金油浸式變壓器主絕緣結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)型主絕緣結(jié)構(gòu)相比，其端部的電場(chǎng)強(qiáng)度分布更加均勻，最大電場(chǎng)強(qiáng)度小于油隙的最大電場(chǎng)強(qiáng)度值，在使用過(guò)程中是非常可靠的。本文通過(guò)對(duì)比緊湊型非晶合金油浸式變壓器主絕緣結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)型主絕緣結(jié)構(gòu)之間的差異，了解緊湊型非晶合金油浸式變壓器主絕緣結(jié)構(gòu)的實(shí)用性。

關(guān)鍵詞：緊湊型非晶合金油浸式變壓器；主絕緣結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；方法分析

中圖分類號(hào)：TM402 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2017）06-0149-02

隨著工業(yè)化進(jìn)程的逐漸加快，各種有害物質(zhì)的排放給全球環(huán)境造成了嚴(yán)重的壓力，保護(hù)環(huán)境、節(jié)約資源已經(jīng)成為全世界都在探討的主要話題。我國(guó)作為世界上能源消耗增長(zhǎng)最快的國(guó)家，二氧化碳的排放量位居世界第二，更應(yīng)該深刻的認(rèn)識(shí)到環(huán)境保護(hù)的重要性。非晶合金油浸式變壓器具有損耗低、節(jié)能效果高等優(yōu)勢(shì)，在電力領(lǐng)域中的應(yīng)用非常廣泛。但是，傳統(tǒng)型非晶合金油浸式變壓器在設(shè)計(jì)過(guò)程中主絕緣結(jié)構(gòu)的距離過(guò)大，大大提高了變壓器的制造成本，不利于變壓器產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，還需要不斷進(jìn)行完善。

1 非晶合金變壓器的基本介紹

非晶合金變壓器最早由美國(guó)研發(fā)，是一種節(jié)能型的變壓器，在電力企業(yè)中的應(yīng)用非常廣泛。尤其是在倡導(dǎo)“節(jié)能減排”的大環(huán)境下，非晶合金變壓器更是受到了市場(chǎng)的高度關(guān)注。但是，從目前非晶合金變壓器在市場(chǎng)中的銷售情況來(lái)看，其產(chǎn)業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r卻不是非常樂(lè)觀，而造成這種情況的主要原因就是非晶合金變壓器的價(jià)格普遍較高，很多企業(yè)都因?yàn)闊o(wú)法負(fù)擔(dān)昂貴的成本而選擇了放棄。面對(duì)傳統(tǒng)型非晶合金變壓器行業(yè)產(chǎn)能過(guò)剩的困境，國(guó)家開(kāi)始鼓勵(lì)發(fā)展節(jié)能型、智能化、經(jīng)濟(jì)化的非晶合金變壓器，對(duì)非晶合金變壓器主絕緣結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)作出進(jìn)一步的改進(jìn)，并且制定的一系列的優(yōu)惠政策和激勵(lì)制度促進(jìn)變壓器產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，滿足電力企業(yè)對(duì)變壓器的各種需求，從而提高產(chǎn)品的附加值和企業(yè)的經(jīng)濟(jì)利潤(rùn)，為企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供基本保障[1]。

2 傳統(tǒng)型非晶合金油浸式變壓器存在的問(wèn)題

近幾年來(lái)，傳統(tǒng)型非晶合金油浸式變壓器在電力企業(yè)中的應(yīng)用越來(lái)越普遍，在保護(hù)環(huán)境、節(jié)約能源方面的效果都比較顯著。但是，傳統(tǒng)型非晶合金油浸式變壓器在實(shí)際使用的過(guò)程中，也存在著各種各樣的問(wèn)題需要進(jìn)行深層次的探索與完善。傳統(tǒng)型非晶合金油浸式變壓器相對(duì)于普通的配電變壓器來(lái)說(shuō)，其節(jié)能效果有了很大程度的提升。

但是，傳統(tǒng)型非晶合金油浸式變壓器磁性材料的飽和磁通密度和疊片系數(shù)比普通的配電變壓器要低，因此傳統(tǒng)型非晶合金油浸式變壓器一般都比普通的配電變壓器要大，在安裝和使用上都不是非常的便捷。而且，傳統(tǒng)型非晶合金油浸式變壓器的體積過(guò)大，就會(huì)導(dǎo)致其主絕緣結(jié)構(gòu)之間的距離過(guò)大，大大的提高了傳統(tǒng)型非晶合金油浸式變壓器的制作成本，其經(jīng)濟(jì)性和過(guò)載能力都受到了一定程度的影響，無(wú)法在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)當(dāng)中占據(jù)穩(wěn)定的地位。

另外，傳統(tǒng)型非晶合金油浸式變壓器在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，其主絕緣結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)也不是非常的合理，很容易造成傳統(tǒng)型非晶合金油浸式變壓器局部絕緣的損壞，嚴(yán)重影響了傳統(tǒng)型非晶合金油浸式變壓器在電力系統(tǒng)中效果的發(fā)揮。主絕緣結(jié)構(gòu)是傳統(tǒng)型非晶合金油浸式變壓器中非常重要的組成部分，能夠影響傳統(tǒng)型非晶合金油浸式變壓器運(yùn)行的可靠性和使用壽命。由此可見(jiàn)，對(duì)傳統(tǒng)型非晶合金油浸式變壓器主絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究是非常必要的，設(shè)計(jì)人員在不影響傳統(tǒng)型非晶合金油浸式變壓器使用效果的前提下，選擇成本比較低的原材料，從根本上降低傳統(tǒng)型非晶合金油浸式變壓器設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)成本，真正達(dá)到節(jié)能降耗的目的[2]。

3 緊湊型非晶合金油浸式變壓器的優(yōu)勢(shì)

3.1 具有節(jié)能減排的效果

近幾年來(lái)，環(huán)境問(wèn)題、資源問(wèn)題造成的影響越來(lái)越嚴(yán)重，全世界都加強(qiáng)了對(duì)于節(jié)能減排計(jì)劃的重視，各個(gè)領(lǐng)域都積極的將“節(jié)能減排”的計(jì)劃貫穿于企業(yè)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的全過(guò)程中。尤其是在工業(yè)化進(jìn)程飛速發(fā)展的今天，保護(hù)環(huán)境、節(jié)約資源的基本國(guó)策更是要進(jìn)行充分的落實(shí)。與傳統(tǒng)型配電變壓器相比，緊湊型非晶合金油浸式變壓器具有空載損耗低、節(jié)省能源的基本特征，在實(shí)際使用過(guò)程中其節(jié)能減排的效果更好。非晶金屬材料本身就是一種節(jié)能效果比較好的材料，能夠節(jié)省實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中的電力消耗，從而減少電廠的發(fā)電量，二氧化碳、二氧化硫等有害物質(zhì)的排放自然也就減少了，對(duì)于降低環(huán)境污染、溫室效應(yīng)有著積極的影響[3]。

3.2 變壓器運(yùn)行效率高

緊湊型非晶合金油浸式變壓器具有高超載能力和高機(jī)械強(qiáng)度，當(dāng)非晶鐵心在通過(guò)較高頻率磁通時(shí)，仍具有低鐵損及低激磁電流的特性，不會(huì)產(chǎn)生鐵心飽和的問(wèn)題，其耐諧波能力也比較強(qiáng)[4]。由此可見(jiàn)，緊湊型非晶合金油浸式變壓器在正常運(yùn)行的過(guò)程中，很少會(huì)受到外界因素的影響，只要緊湊型非晶合金油浸式變壓器的質(zhì)量不存在任何問(wèn)題，它就能夠始終保持著高速運(yùn)轉(zhuǎn)的效果，與傳統(tǒng)型配電變壓器相比，緊湊型非晶合金油浸式變壓器的運(yùn)行效率非常高。

3.3 降低電網(wǎng)線損情況

從現(xiàn)階段我國(guó)配電網(wǎng)損耗的情況下來(lái)看，其中由于配電變壓器損耗而導(dǎo)致的電網(wǎng)損耗占30%到70%，是造成配電網(wǎng)損耗的主要原因。在配電變壓器損耗當(dāng)中，占主要部分的是配電變壓器空載造成的損耗。由此可見(jiàn)，要想降低電網(wǎng)線損的情況，必須要改善配電變壓器空載造成的損耗。另外，從緊湊型非晶合金油浸式變壓器自身性質(zhì)的角度來(lái)看，緊湊型非晶合金油浸式變壓器在實(shí)際運(yùn)行的過(guò)程中，其運(yùn)轉(zhuǎn)溫度比較低，主絕緣結(jié)構(gòu)老化的現(xiàn)象非常緩慢，從而增加了緊湊型非晶合金油浸式變壓器的使用壽命，對(duì)于降低電網(wǎng)線損有很大的幫助[5]。

4 緊湊型非晶合金油浸式變壓器主絕緣結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

4.1 主絕緣距離的選取和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前，電力企業(yè)和配電變壓器制造業(yè)最關(guān)心的就是緊湊型非晶合金油浸式變壓器的經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題，本文選擇了2605SA1和2605HB1兩種非晶合金帶材進(jìn)行分析，其飽和磁通密度分別是1.57T和1.64T，疊片系數(shù)為0.84。根據(jù)研究結(jié)構(gòu)對(duì)非晶合金油浸式變壓器主絕緣結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，使非晶合金油浸式變壓器的主絕緣結(jié)構(gòu)更加緊湊，從根本上降低非晶合金油浸式變壓器的制作成本。在選擇主絕緣結(jié)構(gòu)距離的時(shí)候，一般以油隙耐電強(qiáng)度為參考依據(jù)。從放電機(jī)理的角度進(jìn)行分析，只有油中出現(xiàn)局部放電的情況，才可能會(huì)產(chǎn)生閃絡(luò)放電的現(xiàn)象，因此其油隙耐電強(qiáng)度也就是爬電最開(kāi)始的場(chǎng)強(qiáng)。

由此可見(jiàn)，如果是10kV等級(jí)的非晶合金油浸式變壓器，其主絕緣結(jié)構(gòu)之間距離的最小值為3.6mm。如果是35kV等級(jí)的非晶合金油浸式變壓器，其主絕緣結(jié)構(gòu)之間距離的最小值為18mm。在非晶合金油浸式變壓器主絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，為了改善端部的電場(chǎng)分布情況，需要將鐵圈到鐵軛距離按1.5到4倍的主空道距離考慮，最大限度的減小非晶合金油浸式變壓器主絕緣結(jié)構(gòu)之間的距離，使非晶合金油浸式變壓器主絕緣結(jié)構(gòu)的距離更加的緊湊。傳統(tǒng)型與緊湊型主絕緣距離結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)圖1所示。

4.2 緊湊型非晶合金油浸式變壓器主絕緣結(jié)構(gòu)電場(chǎng)計(jì)算

在主絕緣距離的選取和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工序完成之后，還需要確定緊湊型非晶合金油浸式變壓器主絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理，因此要對(duì)主絕緣結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算驗(yàn)證。為了能夠更加直觀的了解到緊湊型非晶合金油浸式變壓器主絕緣結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，本文將緊湊型與傳統(tǒng)型的非晶合金油浸式變壓器主絕緣結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比。傳統(tǒng)型與緊湊型的非晶合金油浸式變壓器主絕緣結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型如圖2、圖3所示。

本文采用有限元分析軟件對(duì)傳統(tǒng)型與緊湊型非晶合金油浸式變壓器主絕緣結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型進(jìn)行分析，需要進(jìn)行計(jì)算的區(qū)域有兩種，一種是變壓器油，另一種是充分吸油的絕緣板。經(jīng)過(guò)分析得出，變壓器油的相對(duì)介電常數(shù)為2.2，而充分吸油的絕緣板的相對(duì)介電常數(shù)為3.6。傳統(tǒng)型與緊湊型非晶合金油浸式變壓器主絕緣結(jié)構(gòu)電場(chǎng)強(qiáng)度在不同的介質(zhì)中其分布也會(huì)發(fā)生一定的變化，而變壓器油的相對(duì)介電常數(shù)比充分吸油的絕緣板的相對(duì)介電常數(shù)要低，所以變壓器油所承受的電場(chǎng)強(qiáng)度相對(duì)較高。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度從充分吸油的絕緣板進(jìn)入到油隙后，其電場(chǎng)強(qiáng)度立即升高；當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度從油隙災(zāi)進(jìn)入到充分吸油的絕緣板中，其電場(chǎng)強(qiáng)度立即降低。

4.3 主絕緣電場(chǎng)計(jì)算結(jié)構(gòu)

為了驗(yàn)證緊湊型非晶合金油浸式變壓器主絕緣結(jié)構(gòu)距離設(shè)計(jì)的可靠性，對(duì)各種不同主空道與線圈到鐵軛距離組合的主絕緣結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析計(jì)算，經(jīng)過(guò)計(jì)算最終得出結(jié)論：10kV和35kV絕緣距離組合分別為（3.6mm，12.5mm）和（18mm，40mm）是可靠的和緊湊的。

4.4 緊湊型非晶合金油浸式變壓器主絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

通過(guò)緊湊型非晶合金油浸式變壓器主絕緣結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)型配電變壓器的相互比較，我們發(fā)現(xiàn)緊湊型非晶合金油浸式變壓器主絕緣結(jié)構(gòu)在實(shí)際應(yīng)用中具有很多的好處，不僅能夠降低非晶合金油浸式變壓器的制造成本，還能夠提高非晶合金油浸式變壓器的運(yùn)行效率，實(shí)現(xiàn)“節(jié)能減排”的基本目標(biāo)。在緊湊型非晶合金油浸式變壓器主絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，如果是10kV的緊湊型非晶合金油浸式變壓器主絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主絕緣結(jié)構(gòu)之間的距離應(yīng)該從7mm縮小至3.6mm；如果是35kV的緊湊型非晶合金油浸式變壓器主絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主絕緣結(jié)構(gòu)之間的距離應(yīng)該從23mm縮小至18mm[6]。緊湊型非晶合金油浸式變壓器主絕緣結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)的時(shí)候，會(huì)在端部設(shè)置角環(huán)，這樣做的主要目的就是為了提高油隙的耐電強(qiáng)度，同時(shí)提高了油隙與充分吸油的絕緣板之間的閃絡(luò)電壓。由此可見(jiàn)，實(shí)現(xiàn)非晶合金油浸式變壓器主絕緣結(jié)構(gòu)的緊湊設(shè)計(jì)是可行的。

5 緊湊型非晶合金油浸式變壓器主絕緣系統(tǒng)模型與擊穿電壓測(cè)試

為了能夠更加詳細(xì)的了解緊湊型非晶合金油浸式變壓器主絕緣結(jié)構(gòu)的實(shí)際效果，還需要對(duì)緊湊型非晶合金油浸式變壓器主絕緣系統(tǒng)模型進(jìn)行分析，對(duì)緊湊型非晶合金油浸式變壓器進(jìn)行擊穿電壓測(cè)試。根據(jù)圖1、圖2來(lái)制作緊湊型非晶合金油浸式變壓器主絕緣系統(tǒng)模型，并且將模型保存在真空干燥箱中，當(dāng)模型完全干燥之后，就可以開(kāi)始對(duì)10kV和35kV的模型進(jìn)行工頻耐壓試驗(yàn)和雷電沖擊試驗(yàn)。在試驗(yàn)中我們發(fā)現(xiàn)，擊穿是從局部放電開(kāi)始的，對(duì)這外部施加電壓的增加，局部放電的現(xiàn)象越來(lái)越顯著，直到擊穿模型為止。

6 結(jié)語(yǔ)

綜上分析可知，非晶合金油浸式變壓器的應(yīng)用能夠帶給電力企業(yè)很多便利，但是由于其造價(jià)比較昂貴，所以在實(shí)際工作中的應(yīng)用并不是非常普遍。要想降低非晶合金油浸式變壓器的生產(chǎn)成本，又不會(huì)影響非晶合金油浸式變壓器的使用效果，就應(yīng)該采用低介電常數(shù)、耐高溫和高導(dǎo)熱的固體絕緣材料，或者通過(guò)提高變壓器油的相對(duì)介電常數(shù)的方式來(lái)縮小非晶合金油浸式變壓器的尺寸，從而獲得更加穩(wěn)定、可靠、緊湊的非晶合金油浸式變壓器主絕緣結(jié)構(gòu)。

參考文獻(xiàn)

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