引言

經(jīng)過20多年的商業(yè)運營,天然酯油（也稱高燃點植物油）作為最成功的礦物油替換油,已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于變壓器領(lǐng)域。全球范圍內(nèi)目前超過120萬臺變壓器使用天然酯油在網(wǎng)運行,其中電壓等級最高至420kV,容量最大至375MVA的電力變壓器已成功投運。

從變壓器設(shè)計角度看,由于物理、化學(xué)性質(zhì)不同,導(dǎo)致天然酯油和礦物油的黏度、水飽和度（親水性）、介電常數(shù)、tan6等參數(shù)差別較大,必將影響變壓器設(shè)計。本文以220kV交流芯式電力變壓器為對象,通過主絕緣電場的仿真計算,分析了天然酯油對變壓器絕緣結(jié)構(gòu)造成的影響,其中天然酯油是指大豆油。

1天然酯油、礦物油及其浸漬紙板件的絕緣性能對比

1.1天然酯油和礦物油的絕緣性能對比

文獻(xiàn)分別對天然酯油在工頻均勻電場、雷電沖擊非均勻電場及爬電等不同條件下的擊穿性能進(jìn)行了試驗分析,并與相同試驗情況下的礦物油進(jìn)行了對比,得出以下結(jié)論:除了針板電極這種極不均勻場,天然酯油和礦物油的擊穿性能在工頻和雷電沖擊（正負(fù)極性）、均勻和稍不均勻場、油隙間和表面爬電等情況下幾乎相同。

1.2天然酯油、礦物油浸絕緣材料的絕緣性能對比

對于油浸紙板,在紙板孔隙中的油由于放電距離小而具有相對較高的擊穿強(qiáng)度,然而它仍是混合介質(zhì)較弱的部分。由于天然酯油與礦物油本身擊穿性能相近,可以認(rèn)為天然酯油、礦物油浸絕緣材料的擊穿性能相近。

1.3相對介電常數(shù)

相對介電常數(shù)反映了絕緣材料束縛電荷的特性,是交流變壓器絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)。天然酯油及其浸漬絕緣材料的相對介電常數(shù)分別為3.2、4.1（匝絕緣）和4.7（絕緣紙板）。

綜上,用于礦物油變壓器的絕緣設(shè)計許用值或設(shè)計曲線同樣可應(yīng)用到天然酯油變壓器。墨西哥某臺230kV、33.33MVA的殼式自耦變壓器在2011年更換天然酯油后通過了出廠試驗,這也從實際產(chǎn)品角度證實了以上觀點。

2不同油浸變壓器絕緣結(jié)構(gòu)計算對比分析

本文以sFsZ-240000/220大阻抗變壓器為研究對象進(jìn)行絕緣計算分析。線圈排列從鐵芯到油箱依次為高壓、中壓、調(diào)壓、低壓。本文對原產(chǎn)品絕緣結(jié)構(gòu)分別浸漬礦物油（已通過出廠絕緣試驗）和天然酯油,縮小主距尺寸浸漬天然酯油3套方案進(jìn)行計算。其中縮小主距方案是結(jié)合天然酯油特點,保證線圈內(nèi)外表面第一道油隙尺寸不變,同時滿足阻抗和溫升等整體調(diào)整結(jié)果,并非單純減少主距。

2.1主絕緣計算結(jié)果

本文采用全域掃描法對主絕緣進(jìn)行考核,許用場強(qiáng)考慮非均勻電場擊穿場強(qiáng)分散性影響,選擇場強(qiáng)較大區(qū)域:鐵芯與高壓主空道（上端部）和高壓與中壓主空道（上端部）兩部分的最大場強(qiáng)及安全裕度計算結(jié)果如表1、表2所示。表中LI、sI、LTAC分別表示雷電沖擊、操作沖擊和工頻耐壓。

在絕緣結(jié)構(gòu)不變的前提下,采用天然酯油時,油中最大場強(qiáng)降低,同時安全裕度增加。絕緣材料中最大場強(qiáng)雖有所增加,但仍小于局放起始場強(qiáng)。

2.2爬電計算結(jié)果

本文主要對典型爬電區(qū)域進(jìn)行計算,安全裕度計算結(jié)果如表3所示。

天然酯油浸漬結(jié)構(gòu)在縮小主距的情況下,其典型爬電區(qū)域的安全裕度最低值與礦物油相當(dāng)。

3結(jié)語

當(dāng)?shù)V物油變壓器的絕緣設(shè)計許用值或設(shè)計曲線用于天然酯油變壓器中一樣安全可靠的前提下,線圈間主空道尺寸由變壓器油和絕緣材料的相對介電常數(shù)比例決定。對于天然酯油,其與絕緣材料介電常數(shù)比例比礦物油與絕緣材料的介電常數(shù)比例小,場強(qiáng)在變壓器油和絕緣材料兩種介質(zhì)中相對平均,理論上可以縮小主距。對于240000kVA大阻抗變壓器,鐵芯到高壓線圈的主距可縮小7%,高壓到中壓線圈的主距在此基礎(chǔ)上再縮小6%。在縮小主距后,爬電區(qū)域仍可滿足絕緣要求。