天然酯油对交流220kV电力变压器绝缘结构设计的影响

引言

经过20多年的商业运营,天然酯油（也称高燃点植物油）作为最成功的矿物油替换油,已经被广泛应用于变压器领域。全球范围内目前超过120万台变压器使用天然酯油在网运行,其中电压等级最高至420kV,容量最大至375MVA的电力变压器已成功投运。

从变压器设计角度看,由于物理、化学性质不同,导致天然酯油和矿物油的黏度、水饱和度（亲水性）、介电常数、tan6等参数差别较大,必将影响变压器设计。本文以220kV交流芯式电力变压器为对象,通过主绝缘电场的仿真计算,分析了天然酯油对变压器绝缘结构造成的影响,其中天然酯油是指大豆油。

1天然酯油、矿物油及其浸渍纸板件的绝缘性能对比

1.1天然酯油和矿物油的绝缘性能对比

文献分别对天然酯油在工频均匀电场、雷电冲击非均匀电场及爬电等不同条件下的击穿性能进行了试验分析,并与相同试验情况下的矿物油进行了对比,得出以下结论:除了针板电极这种极不均匀场,天然酯油和矿物油的击穿性能在工频和雷电冲击（正负极性）、均匀和稍不均匀场、油隙间和表面爬电等情况下几乎相同。

1.2天然酯油、矿物油浸绝缘材料的绝缘性能对比

对于油浸纸板,在纸板孔隙中的油由于放电距离小而具有相对较高的击穿强度,然而它仍是混合介质较弱的部分。由于天然酯油与矿物油本身击穿性能相近,可以认为天然酯油、矿物油浸绝缘材料的击穿性能相近。

1.3相对介电常数

相对介电常数反映了绝缘材料束缚电荷的特性,是交流变压器绝缘结构设计的基础。天然酯油及其浸渍绝缘材料的相对介电常数分别为3.2、4.1（匝绝缘）和4.7（绝缘纸板）。

综上,用于矿物油变压器的绝缘设计许用值或设计曲线同样可应用到天然酯油变压器。墨西哥某台230kV、33.33MVA的壳式自耦变压器在2011年更换天然酯油后通过了出厂试验,这也从实际产品角度证实了以上观点。

2不同油浸变压器绝缘结构计算对比分析

本文以sFsZ-240000/220大阻抗变压器为研究对象进行绝缘计算分析。线圈排列从铁芯到油箱依次为高压、中压、调压、低压。本文对原产品绝缘结构分别浸渍矿物油（已通过出厂绝缘试验）和天然酯油,缩小主距尺寸浸渍天然酯油3套方案进行计算。其中缩小主距方案是结合天然酯油特点,保证线圈内外表面第一道油隙尺寸不变,同时满足阻抗和温升等整体调整结果,并非单纯减少主距。

2.1主绝缘计算结果

本文采用全域扫描法对主绝缘进行考核,许用场强考虑非均匀电场击穿场强分散性影响,选择场强较大区域:铁芯与高压主空道（上端部）和高压与中压主空道（上端部）两部分的最大场强及安全裕度计算结果如表1、表2所示。表中LI、sI、LTAC分别表示雷电冲击、操作冲击和工频耐压。

在绝缘结构不变的前提下,采用天然酯油时,油中最大场强降低,同时安全裕度增加。绝缘材料中最大场强虽有所增加,但仍小于局放起始场强。

2.2爬电计算结果

本文主要对典型爬电区域进行计算,安全裕度计算结果如表3所示。

天然酯油浸渍结构在缩小主距的情况下,其典型爬电区域的安全裕度最低值与矿物油相当。

3结语

当矿物油变压器的绝缘设计许用值或设计曲线用于天然酯油变压器中一样安全可靠的前提下,线圈间主空道尺寸由变压器油和绝缘材料的相对介电常数比例决定。对于天然酯油,其与绝缘材料介电常数比例比矿物油与绝缘材料的介电常数比例小,场强在变压器油和绝缘材料两种介质中相对平均,理论上可以缩小主距。对于240000kVA大阻抗变压器,铁芯到高压线圈的主距可缩小7%,高压到中压线圈的主距在此基础上再缩小6%。在缩小主距后,爬电区域仍可满足绝缘要求。