天然酯替代礦物油的配電變壓器設(shè)計(jì)與仿真

趙啟承，童 力，謝 成，郭鋒博，羅文龍，李 萌

（1.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014；2.中山卓原新材料研究院有限公司，廣東 中山 528458；3.杭州得誠(chéng)電力科技股份有限公司，杭州 311121； 4.陜西省電力公司，西安 710048）

0 引言

油浸式配電變壓器是電力系統(tǒng)配電網(wǎng)的主要設(shè)備之一，其運(yùn)行的可靠性至關(guān)重要。目前，油浸式配電變壓器廣泛采用礦物油作為絕緣油，是源于石油的液體絕緣介質(zhì)，其優(yōu)點(diǎn)是介電理化性能相對(duì)穩(wěn)定、成本低，缺點(diǎn)是燃點(diǎn)低、安全性差，尤其是生物降解度低，具有毒性，屬于環(huán)境不友好材料。配電變壓器數(shù)量龐大，使用廣泛，其生產(chǎn)、使用及回收處理對(duì)環(huán)境產(chǎn)生較大影響，制造方與使用方一直以來致力于尋找安全環(huán)保的替代用絕緣介質(zhì)。

天然酯絕緣油作為一種新型的綠色絕緣介質(zhì)，源于天然植物，燃點(diǎn)高、抗燃爆、安全性好，且生物降解度高，無毒，可降低碳排放量，具有天然的環(huán)境友好性。同時(shí)，采用天然酯的變壓器相比于普通油浸式變壓器具有更長(zhǎng)的壽命和更強(qiáng)的過負(fù)載能力，是礦物絕緣油的理想迭代產(chǎn)品。

天然酯植物絕緣油變壓器的研制始于20 世紀(jì)90 年代。美國(guó)于1996 年完成第一臺(tái)采用天然酯絕緣油225 kVA 美式箱變樣機(jī)，瑞典ABB 公司于1999 年生產(chǎn)出第一個(gè)商品名為“BIOTEMP”的植物絕緣油變壓器，2000 年美國(guó)庫柏公司開發(fā)了以大豆油為原料的FR3 油，并成功應(yīng)用于配電變壓器。2014 年，西門子公司在大型植物絕緣油電力變壓器取得突破，其研制的420 kV、300 MVA 植物油變壓器投入運(yùn)營(yíng)。

我國(guó)對(duì)植物絕緣油研究起步較晚。重慶大學(xué)于2000 年率先開始了植物絕緣油的研制工作，于2010 年開發(fā)出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的山茶籽絕緣油變壓器。河南省電力公司及國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院武漢南瑞有限責(zé)任公司分別在2014 年先后獲得了植物絕緣油量產(chǎn)能力并設(shè)計(jì)制造植物絕緣油配電變壓器，具有良好的防火安全特性及高過負(fù)載能力。

植物絕緣油變壓器在國(guó)外已有十多年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，全球應(yīng)用量已不少于100 萬臺(tái)。

目前，配電變壓器中采用自然油循環(huán)冷卻方式的占據(jù)了市場(chǎng)主流，國(guó)外學(xué)者統(tǒng)計(jì)研究了自然油循環(huán)配電變壓器中采用植物油絕緣油及礦物油后的溫升差異：

（1）由不同的變壓器制造商進(jìn)行的溫升試驗(yàn)中，對(duì)于小于5 MVA 的配電變壓器當(dāng)采用植物油絕緣油作為冷卻介質(zhì)時(shí)，其油平均溫升較礦物油變壓器高1～3 K。

（2）頂層油溫升大致高3～5 K，對(duì)于大型變壓器可能會(huì)更高。

（3）線圈熱點(diǎn)溫度可能將高數(shù)K，對(duì)于大型的變壓器甚至可能高20 K。

天然酯植物油絕緣油的粘度大于礦物油，在相同的冷卻結(jié)構(gòu)及熱量條件下該特性將加大變壓器散熱設(shè)備最頂層與最底層的溫度差。在天然酯變壓器設(shè)計(jì)中通過對(duì)繞組的油道結(jié)構(gòu)等進(jìn)行修正優(yōu)化，可以降低粘度高帶來的對(duì)繞組散熱的不利影響。另外，變壓器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮天然酯與多種固體絕緣材料之間的相容性及其對(duì)電氣、機(jī)械和熱穩(wěn)定性能的影響[1-5]。

本文以應(yīng)用某R 型天然酯絕緣油為例，進(jìn)行10 kV 配電變壓器絕緣結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)該變壓器的溫度場(chǎng)進(jìn)行了仿真計(jì)算，并制造一臺(tái)天然酯絕緣油變壓器樣機(jī)，通過溫升試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，驗(yàn)證設(shè)計(jì)仿真結(jié)果，供工程設(shè)計(jì)及制造參考。

1 溫度場(chǎng)模型及參數(shù)條件

以SW13-M-630/10 配電變壓器為設(shè)計(jì)原型，聯(lián)結(jié)組別為Dyn11，鐵心為三相三柱式，工頻耐壓35 kV（1 min），絕緣耐熱等級(jí)為A 級(jí)，常規(guī)固體材料和傳統(tǒng)油紙隔板結(jié)構(gòu)，自然油循環(huán)冷卻，采用R 型天然酯絕緣油；低壓繞組，額定電壓0.4 kV，層式線圈繞組， 共2 層， 內(nèi)半徑為168 mm，外半徑為234 mm，線圈高度410 mm，層間油道寬度為3 mm；高壓繞組，額定電壓10 kV，繞組共12 層，內(nèi)半徑為246 mm，外半徑為319 mm，線圈高度406 mm，層間油道寬度為3 mm；空載損耗計(jì)算值548 W，負(fù)載損耗計(jì)算值6 053 W。

使用ANSYS FLUENT 14.0 軟件進(jìn)行有限元仿真計(jì)算，為減少計(jì)算量未采用3D 模型，且主要關(guān)注繞組內(nèi)部的溫度場(chǎng)分布，采用2D 模型對(duì)其中一相進(jìn)行仿真計(jì)算，計(jì)算區(qū)域以該項(xiàng)鐵心中心為對(duì)稱軸，取其對(duì)稱區(qū)域的一半，模型如圖1所示。

圖1 繞組物理模型示意

對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，為了進(jìn)行邊緣處的細(xì)化計(jì)算，網(wǎng)格數(shù)共計(jì)38 990 個(gè)。作如下假設(shè)以簡(jiǎn)化變壓器模型[6]：

（1）液浸式變壓器高壓繞組采用銅線繞制，內(nèi)部可認(rèn)為無絕緣油流動(dòng)，故將銅線及其絕緣部分當(dāng)做整體處理，低壓繞組采用相同的方法進(jìn)行處理。由于鐵心部分損耗量值較小，且鐵心與繞組之間有絕緣隔板，可認(rèn)為鐵心和繞組內(nèi)部絕熱。

（2）溫度場(chǎng)分布沿變壓器線圈的圓周方向沒有梯度變化（內(nèi)部以鐵心為軸對(duì)稱中心，而外部以相間中心線為準(zhǔn)，體現(xiàn)線圈中溫度最高的區(qū)域）。

（3）不考慮結(jié)構(gòu)件對(duì)繞組溫度的影響。

（4）變壓器繞組沿圓周方向完全呈幾何對(duì)稱分布。

（5）固體材料的密度、比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)、油的黏度都為常數(shù)。

（6）絕緣油的溫度基準(zhǔn)值為300 K。

天然酯絕緣油和礦物油典型參數(shù)如表1 所示。

表1 天然酯絕緣油與礦物油物理性質(zhì)參數(shù)

2 仿真計(jì)算結(jié)果對(duì)比與分析

2.1 流體工況仿真計(jì)算

采用有限元容積法對(duì)結(jié)構(gòu)相同，絕緣介質(zhì)分別為礦物絕緣油和R 型天然酯絕緣油的2 種變壓器的流體工況進(jìn)行仿真計(jì)算。

油道寬度為3 mm 時(shí)，礦物絕緣油和天然酯絕緣油在1.0 倍和1.1 倍額定電流下的最大流速仿真計(jì)算結(jié)果表明，天然酯絕緣油的最大流速均低于礦物絕緣油，這是由于同樣條件下天然酯絕緣油的運(yùn)動(dòng)粘度較大，熱對(duì)流性差。如圖2—5 及表2 所示。

圖2 油道寬度3 mm，額定電流下礦物油流速分布云圖

圖3 油道寬度3 mm，額定電流下天然酯流速分布云圖

圖4 油道寬度3 mm，1.1 倍額定電流下礦物油流速分布云圖

圖5 油道寬度3 mm，1.1 倍額定電流下天然酯流速分布云圖

表2 油道為3 mm 時(shí)，礦物油與天然酯絕緣油變壓器的最大流速計(jì)算值cm·s-1

2.2 溫度場(chǎng)仿真計(jì)算

使用Ansys Fluent 對(duì)使用天然酯和礦物油的變壓器溫度場(chǎng)進(jìn)行仿真計(jì)算。

油道寬度為3 mm 時(shí)，在1.0 倍和1.1 倍額定電流下天然酯和礦物絕緣油溫度場(chǎng)分布仿真計(jì)算表明，礦物油變壓器與R 型天然酯絕緣油變壓器溫度分布趨勢(shì)基本一致，高溫升區(qū)域主要分布在線圈端部，如圖6—9 所示；高、低壓線圈表面相對(duì)絕緣油表面的平均溫升和熱點(diǎn)溫升如表3 和表4 所示。

圖6 油道寬度3 mm，額定電流下礦物油溫度分布云圖

圖7 油道寬度3 mm，額定電流下天然酯溫度分布云圖

圖8 油道寬度3 mm，1.1 倍額定電流下礦物油溫度分布云圖

圖9 油道寬度3 mm，1.1 倍額定電流下天然酯溫度分布云圖

表3 油道為3 mm 時(shí)，線圈平均溫升K

表4 油道為3 mm 時(shí)，線圈熱點(diǎn)溫升K

本次產(chǎn)品設(shè)計(jì)高低壓線圈為多層層式線圈，基于礦物油配電變壓器設(shè)計(jì)原則，層間油道均為3 mm，根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果，天然酯絕緣油比礦物油的線圈溫升高3 K 左右。

天然酯的運(yùn)動(dòng)粘度大于礦物油，流動(dòng)性相對(duì)礦物絕緣油較差，會(huì)影響變壓器散熱效果，仿真結(jié)果也驗(yàn)證了此結(jié)論。

變壓器絕緣材料在長(zhǎng)期運(yùn)行的溫度影響下，會(huì)逐漸失去原有的機(jī)械性能，即絕緣老化。溫度越高，絕緣老化就會(huì)加速，絕緣材料就會(huì)變脆而破裂，從而使線圈失去絕緣層的保護(hù)作用。另外，即使絕緣還沒有損壞，但是溫度愈高，絕緣材料的絕緣性能就會(huì)下降，容易被高電壓擊穿發(fā)生故障，所以變壓器在正常運(yùn)行時(shí)，不允許超過絕緣材料所容許的溫度[7-10]。因此，天然酯配電變壓器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須給予優(yōu)化，使變壓器的平均溫升和熱點(diǎn)溫升滿足GB 1094.2-2013《電力變壓器 第2 部分：液浸式變壓器溫升》的要求。

高、低壓繞組均為層式線圈，損耗以熱的形式通過層間油道散熱，由于天然酯較礦物油運(yùn)動(dòng)粘度大，擬通過加大散熱油道以降低繞組溫升，原油道設(shè)計(jì)為3 mm，更改為4 mm 和6 mm 2 種結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真計(jì)算，因篇幅原因，以下只列出4 mm 油道時(shí)繞組溫升的計(jì)算結(jié)果，如圖10—13 和表5—9 所示。

圖10 油道寬度4 mm，額定電流下礦物油溫度分布云圖

圖11 油道寬度4 mm，額定電流下天然酯溫度分布云圖

圖12 油道寬度4 mm，1.1 倍額定電流下礦物油溫度分布云圖

圖13 油道寬度4 mm，1.1 倍額定電流下天然酯溫度分布云圖

表5 油道為4 mm 時(shí)，線圈平均溫升K

表6 油道為4 mm 時(shí)，線圈熱點(diǎn)溫升K

表7 油道為6 mm 時(shí)，線圈平均溫升K

對(duì)比分析以上仿真計(jì)算結(jié)果，隨著散熱油道的加大，絕緣油流速增大，變壓器繞組溫升下降。分析對(duì)比線圈的最熱點(diǎn)溫升，表4 中礦物油在2 種工況下的高壓線圈溫升分別為26.1 K 和28.5 K，低壓線圈溫升分別為26.7 K 和27.8 K，表6 中天然酯絕緣油在2 種工況下的高壓線24.6 K 和27.8 K，低壓線圈溫升分別為26.3 K 和27.5 K，可以發(fā)現(xiàn)，天然酯配電變壓器線圈層間油道4 mm 時(shí)，與礦物油配電變壓器線圈層間油道3 mm 時(shí)的熱點(diǎn)溫升近似相等。

表8 油道為6 mm 時(shí)，線圈熱點(diǎn)溫升K

表9 絕緣油的最大流速計(jì)算值cm·s-1

2.3 不同油道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的變壓器成本對(duì)比

天然酯價(jià)格是礦物油2～3 倍，因此，變壓器采用天然酯絕緣油且線圈油道加大后，產(chǎn)品的制造成本會(huì)增加。根據(jù)表10 估算，采用4 mm 油道的天然酯變壓器成本比常規(guī)礦物油變壓器成本增加約8%，采用6 mm 油道天然酯變壓器成本比常規(guī)礦物油增加約10%。

表10 2 種絕緣油在不同結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)的重量kg

3 產(chǎn)品樣機(jī)溫升試驗(yàn)

根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果，采用4 mm 油道設(shè)計(jì)制造SW13-M-630/10 型天然酯變壓器，樣機(jī)進(jìn)行溫升試驗(yàn)，取得油頂層溫升及高低壓線圈平均溫升等數(shù)據(jù)。天然酯變壓器產(chǎn)品試驗(yàn)結(jié)果和電磁計(jì)算結(jié)果如表11 所示。

表11 SW13-M-630/10 型天然酯變壓器產(chǎn)品試驗(yàn)及電磁計(jì)算結(jié)果對(duì)比

分析試驗(yàn)結(jié)果，采用加大油道（4 mm）后的天然酯變壓器性能參數(shù)均滿足技術(shù)協(xié)議、GB 1094.2 和GB/T 6451 的標(biāo)準(zhǔn)限值[11-12]，驗(yàn)證了天然酯替代礦物油的可行性。

從表11 中發(fā)現(xiàn)，油平均溫升等計(jì)算值和試驗(yàn)值差異較大，究其原因，變壓器溫升計(jì)算方法采用了基于礦物油的經(jīng)驗(yàn)公式，由于天然酯的性能參數(shù)較礦物油有較大差異，尤其是運(yùn)動(dòng)粘度，因此，工程設(shè)計(jì)的計(jì)算公式必須修正。

4 天然酯變壓器溫升計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)探討

油浸式變壓器的發(fā)熱和冷卻機(jī)理方面的研究已比較成熟，散熱過程主要是依靠熱傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射來實(shí)現(xiàn)的，本文不做過多闡述，僅從工程計(jì)算公式方面分析[13-15]。

繞組溫升由繞組表面對(duì)油的平均溫升和油對(duì)空氣的平均溫升兩部分組成。

如表12 所示，繞組表面對(duì)油平均溫升的試驗(yàn)實(shí)測(cè)值與仿真值（4 mm 油道）和按礦物油經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算值相比較，低壓繞組基本一致，高壓繞組偏差4 K。

表12 繞組表面對(duì)油平均溫升計(jì)算對(duì)比

繞組溫升的試驗(yàn)實(shí)測(cè)值除了受結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)影響外，還與制造工藝、試驗(yàn)方法等因素有關(guān)，對(duì)比低壓繞組的溫升數(shù)據(jù)，高壓繞組對(duì)油溫升偏差可能由制造工藝或試驗(yàn)方法的不確定差異引起。

油對(duì)空氣的平均溫升計(jì)算公式為：

式中：τy為油對(duì)空氣的平均溫升；K 為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，自冷時(shí)K=0.262；q 為油箱表面的單位熱負(fù)荷。

本次設(shè)計(jì)中q 值為491.63，所以：

表11 中，油對(duì)空氣平均溫升計(jì)算值與試驗(yàn)實(shí)測(cè)值相差約6 K，油頂層溫升和繞組溫升試驗(yàn)值均比計(jì)算值高約5 K，可以確定油平均溫升計(jì)算值偏低，油平均溫升中的K 系數(shù)0.262 若校正到0.302，油平均溫升計(jì)算值為：

頂層油對(duì)空氣的平均溫升計(jì)算公式為：

式中：τy為油箱對(duì)空氣的平均溫升；τc為散熱器安裝高度的溫度校正值，本臺(tái)產(chǎn)品為6 K。

所以，修正后頂層油溫升為：

由于溫升計(jì)算中的有關(guān)公式和系數(shù)都是建立在傳熱試驗(yàn)基礎(chǔ)上的，對(duì)于本臺(tái)產(chǎn)品樣機(jī)，通過對(duì)溫升試驗(yàn)值和計(jì)算值的分析，調(diào)整修改經(jīng)驗(yàn)系數(shù)K 為0.302，使得天然酯變壓器的溫升計(jì)算值更接近于試驗(yàn)值，如表13 所示。傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)公式是由多年的制造、運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)并不斷修正的結(jié)果，本文僅對(duì)一臺(tái)產(chǎn)品樣機(jī)進(jìn)行分析后所修正的系數(shù)，不具有廣泛代表性，但對(duì)于天然酯變壓器散熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)積累，具有一定的參考價(jià)值。

表13 修正后的溫升計(jì)算值與試驗(yàn)值對(duì)比

5 結(jié)論

本文基于有限元容積法對(duì)10 kV 等級(jí)630 kVA自然油循環(huán)變壓器溫度場(chǎng)建模仿真，對(duì)比分析計(jì)算天然酯變壓器與傳統(tǒng)礦物油變壓器的熱特性，并按設(shè)計(jì)優(yōu)化結(jié)果制造天然酯變壓器樣機(jī)進(jìn)行溫升試驗(yàn)，驗(yàn)證配電變壓器中R 型天然酯絕緣油替代礦物油設(shè)計(jì)方法的可操作性。得出結(jié)論如下：

（1）R 型天然酯運(yùn)動(dòng)粘度大于礦物絕緣油，最大流速低于礦物緣油，其散熱能力低于礦物油，通過優(yōu)化變壓器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，經(jīng)仿真計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證，證明加寬散熱油道后天然酯變壓器的溫升值可達(dá)到與礦物油變壓器相同的溫升值，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，但會(huì)增加一定的變壓器制造成本。

（2）傳統(tǒng)的變壓器繞組溫升計(jì)算公式中的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)K 是基于礦物油經(jīng)多年積累得出的，不適用于天然酯的溫升計(jì)算。近年來逐漸應(yīng)用的天然酯是一種新材料，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范和設(shè)計(jì)原則還未完善，本文僅通過一臺(tái)產(chǎn)品通過試驗(yàn)結(jié)果修正經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，雖不具代表性，但可供工程設(shè)計(jì)參考，有助于積累天然酯變壓器設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。