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【技术解析】紧凑型非晶合金油浸式变压器主绝缘结构设计的方法分析

旺材变压器2018-11-07 16:29:59

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来源|变压器技术杂志



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摘 要:非晶合金变压器是一种节能型的变压器, 具有使用损耗低、用电效率高的基本特征, 在电力企业中的应用已经非常普遍。随着科学技术的不断完善,科学家研制出了一种能够使非晶合金配电变压器更加紧凑、更加经济的结构—紧凑型非晶合金油浸式变压器主绝缘结构。这种结构与传统型主绝缘结构相比, 其端部的电场强度分布更加均匀, 最大电场强度小于油隙的最大电场强度值, 在使用过程中是非常可靠的。本文通过对比紧凑型非晶合金油浸式变压器主绝缘结构与传统型主绝缘结构之间的差异, 了解紧凑型非晶合金油浸式变压器主绝缘结构的实用性。

       关键词:紧凑型非晶合金油浸式变压器;主绝缘结构;结构设计;方法分析


随着工业化进程的逐渐加快, 各种有害物质的排放给全球环境造成了严重的压力,保护环境、节约资源已经成为全世界都在探讨的主要话题。我国作为世界上能源消耗增长最快的国家,二氧化碳的排放量位居世界第二,更应该深刻的认识到环境保护的重要性。非晶合金油浸式变压器具有损耗低、节能效果高等优势,在电力领域中的应用非常广泛。但是,传统型非晶合金油浸式变压器在设计过程中主绝缘结构的距离过大,大大提高了变压器的制造成本,不利于变压器产业的经济发展,还需要不断进行完善。


 1 非晶合金变压器的基本介绍


非晶合金变压器最早由美国研发,是一种节能型的变压器,在电力企业中的应用非常广泛。尤其是在倡导“节能减排”的大环境下,非晶合金变压器更是受到了市场的高度关注。但是,从目前非晶合金变压器在市场中的销售情况来看,其产业的发展状况却不是非常乐观,而造成这种情况的主要原因就是非晶合金变压器的价格普遍较高,很多企业都因为无法负担昂贵的成本而选择了放弃。面对传统型非晶合金变压器行业产能过剩的困境,国家开始鼓励发展节能型、智能化、经济化的非晶合金变压器,对非晶合金变压器主绝缘结构的设计作出进一步的改进,并且制定的一系列的优惠政策和激励制度促进变压器产业的发展,满足电力企业对变压器的各种需求,从而提高产品的附加值和企业的经济利润, 为企业的可持续发展提供基本保障[ 1 ] 。


2 传统型非晶合金油浸式变压器存在的问题


近几年来,传统型非晶合金油浸式变压器在电力企业中的应用越来越普遍,在保护环境、节约能源方面的效果都比较显著。但是,传统型非晶合金油浸式变压器在实际使用的过程中,也存在着各种各样的问题需要进行深层次的探索与完善。传统型非晶合金油浸式变压器相对于普通的配电变压器来说,其节能效果有了很大程度的提升。但是,传统型非晶合金油浸式变压器磁性材料的饱和磁通密度和叠片系数比普通的配电变压器要低,因此传统型非晶合金油浸式变压器一般都比普通的配电变压器要大,在安装和使用上都不是非常的便捷。而且,传统型非晶合金油浸式变压器的体积过大,就会导致其主绝缘结构之间的距离过大,大大的提高了传统型非晶合金油浸式变压器的制作成本,其经济性和过载能力都受到了一定程度的影响,无法在激烈的市场竞争当中占据稳定的地位。


另外,传统型非晶合金油浸式变压器在设计的过程中,其主绝缘结构的设计也不是非常的合理, 很容易造成传统型非晶合金油浸式变压器局部绝缘的损坏,严重影响了传统型非晶合金油浸式变压器在电力系统中效果的发挥。主绝缘结构是传统型非晶合金油浸式变压器中非常重要的组成部分,能够影响传统型非晶合金油浸式变压器运行的可靠性和使用寿命。由此可见,对传统型非晶合金油浸式变压器主绝缘结构设计的研究是非常必要的, 设计人员在不影响传统型非晶合金油浸式变压器使用效果的前提下,选择成本比较低的原材料,从根本上降低传统型非晶合金油浸式变压器设计的经济成本,真正达到节能降耗的目的[ 2 ] 。


3 紧凑型非晶合金油浸式变压器的优势

3.1 具有节能减排的效果

       

近几年来,环境问题、资源问题造成的影响越来越严重,全世界都加强了对于节能减排计划的重视, 各个领域都积极的将“节能减排”的计划贯穿于企业经济建设的全过程中。尤其是在工业化进程飞速发展的今天,保护环境、节约资源的基本国策更是要进行充分的落实。与传统型配电变压器相比,紧凑型非晶合金油浸式变压器具有空载损耗低、节省能源的基本特征,在实际使用过程中其节能减排的效果更好。非晶金属材料本身就是一种节能效果比较好的材料,能够节省实际运行过程中的电力消耗,从而减少电厂的发电量,二氧化碳、二氧化硫等有害物质的排放自然也就减少了,对于降低环境污染、温室效应有着积极的影响[ 3 ] 。


3.2 变压器运行效率高

       

紧凑型非晶合金油浸式变压器具有高超载能力和高机械强度,当非晶铁心在通过较高频率磁通时, 仍具有低铁损及低激磁电流的特性, 不会产生铁心饱和的问题,其耐谐波能力也比较强[ 4 ]。由此可见,紧凑型非晶合金油浸式变压器在正常运行的过程中,很少会受到外界因素的影响,只要紧凑型非晶合金油浸式变压器的质量不存在任何问题,它就能够始终保持着高速运转的效果,与传统型配电变压器相比,紧凑型非晶合金油浸式变压器的运行效率非常高。


3.3 降低电网线损情况

       

从现阶段我国配电网损耗的情况下来看, 其中由于配电变压器损耗而导致的电网损耗占3 0 % 到7 0 %,是造成配电网损耗的主要原因。在配电变压器损耗当中, 占主要部分的是配电变压器空载造成的损耗。由此可见, 要想降低电网线损的情况,必须要改善配电变压器空载造成的损耗。另外,从紧凑型非晶合金油浸式变压器自身性质的角度来看,紧凑型非晶合金油浸式变压器在实际运行的过程中,其运转温度比较低,主绝缘结构老化的现象非常缓慢,从而增加了紧凑型非晶合金油浸式变压器的使用寿命,对于降低电网线损有很大的帮助[ 5 ] 。


4 紧凑型非晶合金油浸式变压器主绝缘结构的设计

4.1 主绝缘距离的选取和结构设计

       

目前, 电力企业和配电变压器制造业最关心的就是紧凑型非晶合金油浸式变压器的经济性问题,本文选择了2605SA1 和2605HB1 两种非晶合金带材进行分析,其饱和磁通密度分别是1.57T 和1.64T,叠片系数为0 .84。根据研究结构对非晶合金油浸式变压器主绝缘结构的设计进行优化,使非晶合金油浸式变压器的主绝缘结构更加紧凑,从根本上降低非晶合金油浸式变压器的制作成本。在选择主绝缘结构距离的时候,一般以油隙耐电强度为参考依据。从放电机理的角度进行分析,只有油中出现局部放电的情况,才可能会产生闪络放电的现象,因此其油隙耐电强度也就是爬电最开始的场强。

     

由此可见,如果是10kV 等级的非晶合金油浸式变压器, 其主绝缘结构之间距离的最小值为3.6mm。如果是35kV 等级的非晶合金油浸式变压器,其主绝缘结构之间距离的最小值为18mm。在非晶合金油浸式变压器主绝缘结构设计的过程中,为了改善端部的电场分布情况,需要将铁圈到铁轭距离按1.5 到4 倍的主空道距离考虑,最大限度的减小非晶合金油浸式变压器主绝缘结构之间的距离,使非晶合金油浸式变压器主绝缘结构的距离更加的紧凑。传统型与紧凑型主绝缘距离结构的设计图1 所示。


图1 传统型与紧凑型主绝缘距离结构的设计

       

4.2 紧凑型非晶合金油浸式变压器主绝缘结构电场计算

       

在主绝缘距离的选取和结构设计工序完成之后, 还需要确定紧凑型非晶合金油浸式变压器主绝缘结构设计是否合理, 因此要对主绝缘结构进行计算验证。为了能够更加直观的了解到紧凑型非晶合金油浸式变压器主绝缘结构的优势, 本文将紧凑型与传统型的非晶合金油浸式变压器主绝缘结构进行对比。传统型与紧凑型的非晶合金油浸式变压器主绝缘结构的计算模型如图2 、图3所示。


图2 10kV 紧凑型非晶合金油浸式变压器主绝缘结构计算模型


图3 紧凑型非晶合金油浸式变压器主绝缘结构计算模型

       

本文采用有限元分析软件对传统型与紧凑型非晶合金油浸式变压器主绝缘结构的计算模型进行分析,需要进行计算的区域有两种,一种是变压器油,另一种是充分吸油的绝缘板。经过分析得出,变压器油的相对介电常数为2.2 , 而充分吸油的绝缘板的相对介电常数为3.6。传统型与紧凑型非晶合金油浸式变压器主绝缘结构电场强度在不同的介质中其分布也会发生一定的变化,而变压器油的相对介电常数比充分吸油的绝缘板的相对介电常数要低,所以变压器油所承受的电场强度相对较高。当电场强度从充分吸油的绝缘板进入到油隙后, 其电场强度立即升高; 当电场强度从油隙灾进入到充分吸油的绝缘板中, 其电场强度立即降低。

      

 4.3 主绝缘电场计算结构

    

 为了验证紧凑型非晶合金油浸式变压器主绝缘结构距离设计的可靠性,对各种不同主空道与线圈到铁轭距离组合的主绝缘结构进行有限元分析计算,经过计算最终得出结论:10kV 和35kV 绝缘距离组合分别为(3.6mm,12.5mm)和(18mm,4 0mm)是可靠的和紧凑的。


4.4 紧凑型非晶合金油浸式变压器主绝缘结构设计特点

       

通过紧凑型非晶合金油浸式变压器主绝缘结构与传统型配电变压器的相互比较,我们发现紧凑型非晶合金油浸式变压器主绝缘结构在实际应用中具有很多的好处,不仅能够降低非晶合金油浸式变压器的制造成本,还能够提高非晶合金油浸式变压器的运行效率, 实现“节能减排”的基本目标。在紧凑型非晶合金油浸式变压器主绝缘结构设计过程中,如果是10kV 的紧凑型非晶合金油浸式变压器主绝缘结构设计, 主绝缘结构之间的距离应该从7mm 缩小至3.6mm; 如果是35kV 的紧凑型非晶合金油浸式变压器主绝缘结构设计,主绝缘结构之间的距离应该从23mm 缩小至18mm [ 6 ]。紧凑型非晶合金油浸式变压器主绝缘结构在设计的时候,会在端部设置角环, 这样做的主要目的就是为了提高油隙的耐电强度,同时提高了油隙与充分吸油的绝缘板之间的闪络电压。由此可见,实现非晶合金油浸式变压器主绝缘结构的紧凑设计是可行的。

       

5 紧凑型非晶合金油浸式变压器主绝缘系统模型与击穿电压

       

测试为了能够更加详细的了解紧凑型非晶合金油浸式变压器主绝缘结构的实际效果, 还需要对紧凑型非晶合金油浸式变压器主绝缘系统模型进行分析,对紧凑型非晶合金油浸式变压器进行击穿电压测试。根据图1 、图2 来制作紧凑型非晶合金油浸式变压器主绝缘系统模型,并且将模型保存在真空干燥箱中,当模型完全干燥之后,就可以开始对10kV 和35kV 的模型进行工频耐压试验和雷电冲击试验。在试验中我们发现, 击穿是从局部放电开始的,对这外部施加电压的增加, 局部放电的现象越来越显著,直到击穿模型为止。

       

6 结语

       

综上分析可知, 非晶合金油浸式变压器的应用能够带给电力企业很多便利, 但是由于其造价比较昂贵,所以在实际工作中的应用并不是非常普遍。要想降低非晶合金油浸式变压器的生产成本,又不会影响非晶合金油浸式变压器的使用效果,就应该采用低介电常数、耐高温和高导热的固体绝缘材料, 或者通过提高变压器油的相对介电常数的方式来缩小非晶合金油浸式变压器的尺寸,从而获得更加稳定、可靠、紧凑的非晶合金油浸式变压器主绝缘结构。


参考文献

    [1] 刘道生, 杜伯学, 肖萌. 紧凑型非晶合金油浸式变压器主绝缘结构设计[J]. 高电压技术,2014(10):3199-3206.

    [2] 胡贤德.10kV 配电变压器和箱式变电站升压改造至20kV 电压等级的研究[D]. 浙江大学,2013.

    [3] 齐府定. 新型油浸式节能配电变压器的研发[D]. 浙江工业大学,2014.

    [4] 郭英. 非晶合金铁心配电节能变压器优化设计研究[D]. 浙江工业大学,2014.

    [5] 李寅. 非晶合金变压器节能性的研究与应用[D]. 华南理工大学,2015.

    [6] 马果. 牵引变压器绝缘故障及状态监测技术的研究[D]. 西南交通大学,2010.





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