高功率密度变压器绝缘系统分析

众所周知，纤维素材料的耐温极限为105超过这一温度，这些材料将会加速老化，从而产生水和有害性气体如一氧化碳（CO）和二氧化碳（C2），这些产物终会降低矿物油的质量。这个过程对变压器有2个主要影响：①它会降低寿命和过早出现故障；②给定变压器的设计容量或功率密度受到绕组温度需保持在10555K或65K温升）以下的限制。

如果通过用篼温芳族聚酰胺纸替换匝绝缘用的牛皮纸可消除这一老化过程，那么系统寿命就可延长并可以提篼功率密度，这时矿物油的温度变成了新的耐温限制。文章将对这方面的多个例子进行评论，并将评论对矿物油和绝缘系统的其他部分的影响。

1固体绝缘分析目前，大多数常规变压器绕组的设计温升为55K或65K.如果我们采用IEC或ANSI/IEEE规则来确定这些系统的寿命，用40t作高环境温度，然后至少增加10~15<娜鹊阌肴谱槠骄露炔睢U庖馕蹲牛谌惹蛑校Fぶ皆谡8汉商跫拢一般需承受105~120t的温度。这样篼的温度已足以加速纤维素的老化。然而，许多电力公司将需要定期在应急情况或峰值负荷时给这些设备加载超过铭牌容量的10~25，甚至更高的短期负荷，这会使热点温度出现在140~150t的范围内，这些对纤维素的影响可能是破坏性的。与此相反，许多研究已表明，芳族聚酰胺和矿物油系统在极篼温度（绕组热点温度达到180丈）下仍然具有极长的寿命。这样便可以如标准中所概括的那样，设计出绕组平均温升为95K甚至在矿物油中达105K的电力变压器。在IEEE1276指南中提供了芳族聚酰胺材料在矿物油中的老化寿命曲线。除了在较篼温度下具有更长寿命外，当芳族聚酰胺聚合物开始老化时，不会分解为像水和气体那样的次要成分。由于聚合物具有极强的稳定性，因此它只是长分子链断裂为短分子链，从而减小了它的分子量，在达到高于700t的温度之前，不会逸出任何气体。因此，绕组热点的温升篼到180~190丈对绝缘系统几乎没有什么影响。在混合绝缘系统中，对绕组平均温升为95K并运行数年后的电力变压器，进行油气体分析时，显示溢出气体减少。混合系统采用芳族聚酰胺材料替换用做匝绝缘和绕组中油道的牛皮纸，变压器其余的和较冷的区域中的绝缘仍用牛皮纸材料设计而成的。这一系统的一般结构，见。混合绝缘线圈的固体绝缘2混合系统中的矿物油分析采用混合绝缘系统，绕组中固体芳族聚酰胺绝缘可以承受很高的温度，所以现在的设计限制就转移到矿物油上。因为它是变压器中的主体油的热部位，所以油温限值的正常指标就是对顶层油温的评估，混合绝缘系统设计仍需要遵守标准顶层油温升限值，IEC规定为60K，而IEEE则规定为65K.即使有这种限制，绕组中也允许显著地提高电流密度而升篼温度。因此，顶层油温升和绕组平均温升之间的三角形变化将会增大。IEEE1276-1998的图表概括了这些差别并复制在表1中。表1绝缘系统的离度限值绝缘系统温度65K温升系统篼温升混合系统环境温度下的线平均温升/K环境温度下的线圈热点温升/K环境温度（大值）/线圈热点温度/在环境温度下油顶层温升/K环境温度下顶层油温度/T纤维素纸热点温升/K纤维素纸热点温度/因为绕组温度较篼，对于这种系统常见问题是绕组热区域中矿物油的温度。几项研究已表明，通过导线周围的绝缘能比较显著地降低导线至位于纸表面附近的矿物油的温度。中概括了这个温降的采样。~180丈的范围内导体热点可以降低10~20K.绝缘表面旁边的油会受到油道中的主体油的影响。由瑞士的H威德曼开发的有限元素分析程序所获得的数据表明，在油道中的较短距离内，油温会进一步降低约20~30K.这表明，热的绕组的热油道中的油温，将降至实际导体温度下的30~50：。因此，对于一个热点温度为170：的混合体系而言，热的油温范围将在120~140：之内。然而，这部分油与变压器中大量的主体油相比显得极少。从导线通过绝缘到矿物油的温度降矿物油的燃点是150当然，要使矿物油燃烧，需要具备3种条件：温度、火源和供燃烧用的适当氧气。因为绕组内部没有大量的氧气源，而且也没有任何火源，所以这并不是需要考虑的问题。事实上，在对190丈的温度下矿物油的长期研究表明，只要无氧气存在，就不会产生任何有害影响。绝缘系统的另一个常见问题是在高温下油起泡。另一项研究已经表明，热变压器中起泡的主要原因是绝缘材料中含有水。在芳族聚酰胺老化过程中没有水生成，即可消除此问题的源头。3变压器负荷常规系统的标准负载导则提供了负荷对变压器寿命的影响指标。对于混合绝缘设计而言，可从IEEE指南1276-1997中到这一数据。该指南的提供了矿物油中的芳族聚酰胺材料的老化速率曲线，以及常规55K和65K系统的标准曲线。文章的中复制的就是这些老化曲线。在这些系统之间可以进行直接比较以确定在什么条件下系统具有相等的寿命。举一个例子，我们假定一台温升为65K的常规变压器在铭牌容量下运行，则其产生的热点温度为110丈。从曲线上我们可以确定此系统的预期寿命将为约18500011（21.2年）。对于绕组采用芳族聚酰胺绝缘的变压器，在相等绝缘寿命时，从曲线上推断的热点温度约为174这就是说，这一热点温度可以获得相同的预期寿命。然而，对于温升为95K的混合系统而言，预算的热点温度可能比170丈低得多。对一台37.5/47MVA，ONAN/ONAF条件下，温升95K的变压器进行了工厂热试验。结果表明，在额定负荷时，平均绕组温升高于环境温度94K，热点温升约为112K.在40SC的篼环境温度时，热点温度等于152t.如果我们返回中看一下预期寿命，会发现其相对应的寿命超过112年。显而易见，可能有其他因素会影响变压器的寿命，但是纯从绝缘系统观点看，变压器能获得很长的寿命。我们还可以使用这些曲线来确定所谓的倍增“。通过度量温度差，来确定系统寿命成倍的变化。根据老化曲线的斜率，芳族聚酰胺/矿物油绝缘绝缘系统的预期寿命曲线系统的倍增温度约为9.8丈。因此，上述热点为152t的系统运行时会使其热点降至142系统寿命将延长一倍。相反，如果在162的热点温度上运行，则系统寿命将会缩短一半，约为56年。如在约172的热点上运行，则系统寿命将再降低一半，约为28年。4应用实例这种混合绝缘技术的商业应用实例有许多。过去18年里常见的产品一直是轻型、高容量移动式变压器，它比相同尺寸和重量的变压器平均多出50~70的容量。这样移动式变压器就能够满足公路运输的要求，可以在紧急情况下，扩大电网。其中，突出的应用是使用混合技术对出事故和到寿命的变压器进行维修和增容。平均增容率一般为50，其范围大致在20~100之间，视老化和设计方式而定w.通过减少油道，同时提高绕组温升，可在铁心窗口中增加铜量。这些维修过的设备可供用户在原来的负荷上选择运行方式，损耗降低20；或者在新额定容量下运行，获得其电网的额外功率容量；或者可在二者之间运行，用比原来的设备中的相等负荷稍微高一些的负荷来降低损耗，同时可额外获得更多的备用容量。近已证明，采用这种技术的铁路系统用站用牵引变已显现出新的优势，这些轨道旁的变压器必须满足电网的短期负荷的需要，80或更多时间都在很低的负荷上运行，可能仅使用了50或更少额定容量。通过采用这一技术可将站用牵引变按照平均负荷（而不是接近大负荷）所需要的规格制作。利用芳族聚徼胺系统可使每天的短期大负荷篼达200运行几分钟，而不会引起绝缘的显著老化。在中国的南方某铁路局采用这种方法后，已为其节省了可观的商业费用。此外，利用这一技术优势还可以给变压器提供一个“双额定值”系统。变压器可具有65K/95K的额定值。平常在65K温升下运行以降低损耗，而对持续紧急情况或大负荷期间如娱乐场所的暑假篼峰时间段使用95K的温升。5结论本文对混合绝缘型变压器的绝缘系统提供了比较详细的论述，对绝缘和油的分析提供了指导，并给出了几个确定极端情况的例子。这些变压器可以制造成具有更好的寿命特性，并减少对油处理的维修和气体分析的测量。为了好地满足电力公司不断变化的需要，可以用各种方法设定额定值和加载。当发生紧急情况时，可低或消除短期重负荷带来的寿命减少，实践证明，在全世界这种变压器将会得到越来越广泛的应用。