本發(fā)明涉及變壓器設(shè)計(jì)及應(yīng)用
技術(shù)領(lǐng)域：
，具體是均勻高溫絕緣系統(tǒng)油浸式變壓器及其結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法。
背景技術(shù)：
：油浸式變壓器因具有散熱性能優(yōu)異、損耗小、制造成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，其在電網(wǎng)運(yùn)行中應(yīng)用較為廣泛。隨著電力系統(tǒng)安全可靠性和經(jīng)濟(jì)環(huán)保性要求的不斷提高，人們對(duì)油浸式變壓器的性能也提出了更高的要求。為了提升油浸式變壓器的性能，人們常常采用新型絕緣材料對(duì)油浸式變壓器的絕緣材料進(jìn)行替換。在油浸式變壓器絕緣材料改變的情況下，目前人們僅僅關(guān)注了油浸式變壓器散熱性能和絕緣性能的變化，如何根據(jù)絕緣材料的不同對(duì)油浸式變壓器結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化以降低制造成本，現(xiàn)有技術(shù)并沒(méi)有相關(guān)記載。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種便于降低制造成本的均勻高溫絕緣系統(tǒng)油浸式變壓器，本發(fā)明還公開(kāi)了上述均勻高溫絕緣系統(tǒng)油浸式變壓器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，其能在絕緣材料改變的情況下對(duì)變壓器結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理優(yōu)化，能降低油浸式變壓器的制造成本，使得均勻高溫絕緣系統(tǒng)油浸式變壓器更便于推廣使用。本發(fā)明解決上述問(wèn)題主要通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：均勻高溫絕緣系統(tǒng)油浸式變壓器，包括油浸式變壓器主體，所述油浸式變壓器主體內(nèi)的絕緣油采用FR3植物絕緣油，油浸式變壓器主體內(nèi)的絕緣紙采用DPE絕緣紙?；谏鲜鼍鶆蚋邷亟^緣系統(tǒng)油浸式變壓器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，包括以下步驟：步驟一、計(jì)算長(zhǎng)期急救負(fù)載下常規(guī)絕緣系統(tǒng)油浸式變壓器允許過(guò)載倍數(shù)、以及均勻高溫絕緣系統(tǒng)油浸式變壓器允許過(guò)載倍數(shù)，并計(jì)算出均勻高溫絕緣系統(tǒng)油浸式變壓器允許過(guò)載倍數(shù)與常規(guī)絕緣系統(tǒng)油浸式變壓器允許過(guò)載倍數(shù)的比值；步驟二、將計(jì)算出的均勻高溫絕緣系統(tǒng)油浸式變壓器允許過(guò)載倍數(shù)與常規(guī)絕緣系統(tǒng)油浸式變壓器允許過(guò)載倍數(shù)的比值等效為油浸式變壓器主體內(nèi)繞組電阻損耗比值，根據(jù)繞組電阻損耗比值計(jì)算出繞組導(dǎo)線半徑縮小比例，并將油浸式變壓器主體內(nèi)繞組導(dǎo)線半徑按計(jì)算出的繞組導(dǎo)線半徑縮小比例進(jìn)行縮小；步驟三、將油浸式變壓器主體的箱體體積、鐵心體積、絕緣油用量及絕緣紙用量按計(jì)算出的繞組導(dǎo)線半徑縮小比例進(jìn)行縮小，將油浸式變壓器主體的繞組銅材用量按計(jì)算出的繞組導(dǎo)線半徑縮小比例的平方進(jìn)行縮小。進(jìn)一步的，所述步驟一中長(zhǎng)期急救負(fù)載下油浸式變壓器的允許過(guò)載倍數(shù)是由過(guò)載時(shí)熱點(diǎn)溫度限值對(duì)應(yīng)的過(guò)載倍數(shù)確定的，其中，過(guò)載時(shí)熱點(diǎn)溫度的計(jì)算公式為：其中，θh(t)為熱點(diǎn)溫度，θa為環(huán)境溫度，Δθoi為初始狀態(tài)頂層油溫升，為初始狀態(tài)熱點(diǎn)對(duì)頂層油溫度差，Δθor為總損耗下頂層油溫升，為額定電流下熱點(diǎn)對(duì)頂層油溫度差，R為負(fù)載損耗與空載損耗比值，K為負(fù)載系數(shù)，x為頂層油指數(shù)，y為繞組指數(shù)，函數(shù)f1(t)為反映頂層油溫升上升量的時(shí)間函數(shù)，f2(t)為反映熱點(diǎn)對(duì)頂層油溫度差變化的時(shí)間函數(shù)。進(jìn)一步的，所述繞組電阻與繞組導(dǎo)線半徑之間的關(guān)系如下：其中，R為繞組電阻，ρ為繞組導(dǎo)體材料電阻率，l為繞組導(dǎo)體長(zhǎng)度，S為繞組導(dǎo)體截面積，r為繞組導(dǎo)體半徑。本發(fā)明應(yīng)用時(shí)基于發(fā)熱等效原理推算變壓器繞組線徑減小比例，忽略變壓器空載損耗對(duì)于溫升的影響，認(rèn)為負(fù)載損耗是造成繞組溫度升高的主因，近似將繞組電阻損耗視為變壓器熱源，由本發(fā)明所述的變壓器與常規(guī)絕緣系統(tǒng)變壓器能夠承受的熱源大小對(duì)比，考慮繞組電阻與繞組導(dǎo)線半徑之間的關(guān)系，推算繞組線徑的減小比例。綜上所述，本發(fā)明具有以下有益效果：本發(fā)明基于新型固、液絕緣材料較傳統(tǒng)絕緣材料的性能差異，針對(duì)本發(fā)明所述的變壓器提出了減小繞組線徑、減小鐵芯體積、減小箱體體積、降低絕緣材料用量等結(jié)構(gòu)優(yōu)化建議，實(shí)用性強(qiáng)，為本發(fā)明所述變壓器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)，并降低了其制造成本，有利于本發(fā)明所述變壓器的推廣和使用，具有重要的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。具體實(shí)施方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明，本發(fā)明的示意性實(shí)施方式及其說(shuō)明僅用于解釋本發(fā)明，并不作為對(duì)本發(fā)明的限定。實(shí)施例：均勻高溫絕緣系統(tǒng)油浸式變壓器，包括油浸式變壓器主體，其中，油浸式變壓器主體內(nèi)的絕緣油采用FR3植物絕緣油，油浸式變壓器主體內(nèi)的絕緣紙采用DPE絕緣紙?；谏鲜鼍鶆蚋邷亟^緣系統(tǒng)油浸式變壓器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，包括以下步驟：步驟一、計(jì)算長(zhǎng)期急救負(fù)載下常規(guī)絕緣系統(tǒng)油浸式變壓器允許過(guò)載倍數(shù)、以及均勻高溫絕緣系統(tǒng)油浸式變壓器允許過(guò)載倍數(shù)，并計(jì)算出均勻高溫絕緣系統(tǒng)油浸式變壓器允許過(guò)載倍數(shù)與常規(guī)絕緣系統(tǒng)油浸式變壓器允許過(guò)載倍數(shù)的比值；步驟二、將計(jì)算出的均勻高溫絕緣系統(tǒng)油浸式變壓器允許過(guò)載倍數(shù)與常規(guī)絕緣系統(tǒng)油浸式變壓器允許過(guò)載倍數(shù)的比值等效為油浸式變壓器主體內(nèi)繞組電阻損耗比值，根據(jù)繞組電阻損耗比值計(jì)算出繞組導(dǎo)線半徑縮小比例，并將油浸式變壓器主體內(nèi)繞組導(dǎo)線半徑按計(jì)算出的繞組導(dǎo)線半徑縮小比例進(jìn)行縮小；步驟三、將油浸式變壓器主體的箱體體積、鐵心體積、絕緣油用量及絕緣紙用量按計(jì)算出的繞組導(dǎo)線半徑縮小比例進(jìn)行縮小，將油浸式變壓器主體的繞組銅材用量按計(jì)算出的繞組導(dǎo)線半徑縮小比例的平方進(jìn)行縮小。本實(shí)施例在具體實(shí)施時(shí)，步驟一中長(zhǎng)期急救負(fù)載下油浸式變壓器的允許過(guò)載倍數(shù)是由過(guò)載時(shí)熱點(diǎn)溫度限值對(duì)應(yīng)的過(guò)載倍數(shù)確定的，其中，過(guò)載時(shí)熱點(diǎn)溫度的計(jì)算公式為：其中，θh(t)為熱點(diǎn)溫度，θa為環(huán)境溫度，Δθoi為初始狀態(tài)頂層油溫升，為初始狀態(tài)熱點(diǎn)對(duì)頂層油溫度差，Δθor為總損耗下頂層油溫升，為額定電流下熱點(diǎn)對(duì)頂層油溫度差，R為負(fù)載損耗與空載損耗比值，K為負(fù)載系數(shù)，x為頂層油指數(shù)，y為繞組指數(shù)，函數(shù)f1(t)為反映頂層油溫升上升量的時(shí)間函數(shù)，f2(t)為反映熱點(diǎn)對(duì)頂層油溫度差變化的時(shí)間函數(shù)。本實(shí)施例中繞組電阻與繞組導(dǎo)線半徑之間的關(guān)系如下：其中，R為繞組電阻，ρ為繞組導(dǎo)體材料電阻率，l為繞組導(dǎo)體長(zhǎng)度，S為繞組導(dǎo)體截面積，r為繞組導(dǎo)體半徑。常規(guī)絕緣系統(tǒng)絕緣材料普遍采用礦物絕緣油和纖維素絕緣紙，本發(fā)明的液體絕緣材料采用FR3植物絕緣油，絕緣紙采用DPE絕緣紙。其中，液體絕緣材料的性能對(duì)油浸式變壓器散熱性能具有決定性作用，表1所示為礦物絕緣油與FR3植物絕緣油的性能對(duì)比。表1礦物絕緣油與FR3植物絕緣油性能對(duì)比FR3植物絕緣油礦物絕緣油密度(20℃)/kg.dm-30.920.88熱傳導(dǎo)率/(W/(m.K))0.170.13熱膨脹系數(shù)/K-10.00070.0007比熱容/(J/(kg.K))1880.01838.5運(yùn)動(dòng)粘度(40℃)/mm2.s-1369.2運(yùn)動(dòng)粘度(100℃)/mm2.s-1102.3含水量/(mg/kg)56.525油浸式變壓器散熱方式有三種：熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射。油浸式變壓器運(yùn)行中的產(chǎn)熱主要由絕緣液體以熱對(duì)流方式散發(fā)到周?chē)h(huán)境中，且更換絕緣材料導(dǎo)致的散熱性能差異主要是更換絕緣油導(dǎo)致的熱對(duì)流性能差異，故針對(duì)不同絕緣系統(tǒng)變壓器主要比較其對(duì)流散熱能力。熱對(duì)流散熱方式用牛頓冷卻方程可描述如式(5)：Q＝hAΔt(5)其中，h為對(duì)流換熱系數(shù)，A為不同傳熱體間的接觸面積，Δt為不同傳熱體間的溫度差。由式(5)可得，在不改變油浸式變壓器結(jié)構(gòu)的情況下，兩種絕緣油的油接觸面積A相等，變壓器帶相同負(fù)載，則鐵心和線圈發(fā)熱情況相同，即對(duì)流換熱發(fā)生的初始時(shí)刻溫差Δt相等。故不同絕緣液體通過(guò)熱對(duì)流方式帶走的熱量Q與對(duì)流換熱系數(shù)h成正比。對(duì)流換熱系數(shù)h可采用公式(6)計(jì)算：在油浸式變壓器熱對(duì)流過(guò)程中，對(duì)流換熱系數(shù)公式里的各物理量含義如下：C為常數(shù)；L為油對(duì)流散熱面的特性尺度(長(zhǎng)、寬、直徑等)；g為變壓器所在地的重力加速度；cp為絕緣油比熱容；k為絕緣油熱導(dǎo)率；ρ為絕緣油密度；β為絕緣油熱膨脹系數(shù)；Δθ為絕緣油與變壓器發(fā)熱體間的溫度差；μ為絕緣油運(yùn)動(dòng)黏度；n為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，與變壓器冷卻方式和油流循環(huán)方式有關(guān)。由式(6)可得，在不改變油浸式變壓器結(jié)構(gòu)及變壓器所在地的情況下，變壓器帶相同負(fù)載，則鐵心和線圈發(fā)熱情況相同，即對(duì)流換熱發(fā)生的初始時(shí)刻溫差Δθ相等。故對(duì)流換熱系數(shù)h的影響因子如式(7)所示：針對(duì)ONAN冷卻方式的油浸式變壓器，無(wú)額外冷卻措施，式(7)中的n取0.25。將表1中的特性參數(shù)代入式(7)，可得礦物絕緣油對(duì)流換熱系數(shù)和FR3植物絕緣油對(duì)流換熱系數(shù)的比值如式(8)所示：由式(8)可知，計(jì)及絕緣液體熱容和運(yùn)動(dòng)黏度的雙重影響時(shí)，采用FR3植物絕緣油的均勻高溫絕緣系統(tǒng)變壓器散熱能力弱于采用礦物絕緣油的常規(guī)絕緣系統(tǒng)變壓器，相同結(jié)構(gòu)下僅能達(dá)到常規(guī)絕緣系統(tǒng)變壓器散熱能力的80.2％。采用不同絕緣系統(tǒng)的油浸式變壓器運(yùn)行中所承受的溫度限值不同，依據(jù)過(guò)載溫度限值，可確定采用不同絕緣系統(tǒng)的變壓器長(zhǎng)期急救負(fù)載下的允許過(guò)載倍數(shù)，本實(shí)施例由允許過(guò)載倍數(shù)來(lái)表征油浸式變壓器耐熱能力。GB1094.7-2008《油浸式電力變壓器負(fù)載導(dǎo)則》中規(guī)定：采用常規(guī)絕緣系統(tǒng)的油浸式變壓器長(zhǎng)期急救負(fù)載下過(guò)載溫度限值為140℃。GB1094.14-2011《采用高溫絕緣材料的液浸式變壓器設(shè)計(jì)和應(yīng)用導(dǎo)則》中對(duì)采用植物絕緣油作為液體絕緣材料的均勻高溫絕緣系統(tǒng)過(guò)載溫度限值進(jìn)行了規(guī)定，具體值如表2所示。本實(shí)施例取最低高溫固體絕緣材料耐熱等級(jí)130℃時(shí)對(duì)應(yīng)的熱點(diǎn)溫度限值170℃來(lái)評(píng)估均勻高溫絕緣系統(tǒng)長(zhǎng)期急救負(fù)載下的過(guò)載溫度限值。表2均勻高溫絕緣系統(tǒng)過(guò)載溫度限值本實(shí)施例采用式(1)來(lái)計(jì)算熱點(diǎn)溫度，其中，式(1)中的參數(shù)取值多使用推薦值。表3所示為常規(guī)絕緣系統(tǒng)油浸式變壓器熱特性參數(shù)推薦值。表3常規(guī)絕緣系統(tǒng)油浸式變壓器熱特性參數(shù)推薦值熱特性參數(shù)推薦值油指數(shù)x0.8繞組指數(shù)y1.6油時(shí)間常數(shù)τo180繞組時(shí)間常數(shù)τw4常數(shù)k111.0常數(shù)k211.0常數(shù)k222.0損耗比R5熱點(diǎn)系數(shù)H1.1總損耗下頂層油溫升Δθor55額定電流下熱點(diǎn)對(duì)頂層油溫度梯度Hgr23均勻高溫絕緣系統(tǒng)油浸式變壓器熱特性參數(shù)推薦值如表4所示。表4均勻高溫絕緣系統(tǒng)油浸式變壓器熱特性參數(shù)推薦值熱特性參數(shù)推薦值油指數(shù)x0.8繞組指數(shù)y1.6油時(shí)間常數(shù)τo170繞組時(shí)間常數(shù)τw4常數(shù)k111.0常數(shù)k211.0常數(shù)k222.0損耗比R5熱點(diǎn)系數(shù)H1.1總損耗下頂層油溫升Δθor53額定電流下熱點(diǎn)對(duì)頂層油溫度梯度Hgr23計(jì)算得：長(zhǎng)期急救負(fù)載下常規(guī)絕緣系統(tǒng)油浸式變壓器允許過(guò)載倍數(shù)為1.34倍，本實(shí)施例所述的油浸式變壓器允許過(guò)載倍數(shù)為1.59倍，即本實(shí)施例所述變壓器耐熱能力是常規(guī)絕緣系統(tǒng)變壓器耐熱能力的1.19倍。在油浸式變壓器運(yùn)行中，忽略空載損耗對(duì)于溫升的影響，認(rèn)為負(fù)載損耗是造成繞組溫度升高的主因，且繞組電阻損耗在負(fù)載損耗中所占比例超過(guò)95％，則可近似將繞組電阻損耗視為油浸式變壓器發(fā)熱的熱源。相同過(guò)載倍數(shù)下，本實(shí)施例所述變壓器能夠承受的熱源大小可達(dá)到常規(guī)絕緣系統(tǒng)變壓器的1.19倍。變壓器所帶負(fù)載不變時(shí)，繞組電阻損耗與繞組電阻成正比，采用式(4)可得，當(dāng)繞組導(dǎo)線電阻擴(kuò)大為原來(lái)的1.19倍時(shí)，繞組導(dǎo)線半徑可縮小為原來(lái)的0.92倍。忽略繞組線徑減小引起的繞組銅線總長(zhǎng)度與箱體水平方向尺寸的減小，鐵心體積可縮小為原來(lái)的0.92倍，變壓器箱體體積可縮小為原來(lái)的0.92倍，絕緣油用量可縮小為原來(lái)的0.92倍，絕緣紙用量可縮小為原來(lái)的0.92倍，繞組銅材用量可減小為原來(lái)的0.84倍。如此，縮小繞組線徑可在一定程度上減小變壓器制造成本。目前油浸式變壓器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)多只考慮所采用FR3植物絕緣油存在粘度大、散熱性差等缺點(diǎn)，并未充分發(fā)揮FR3植物絕緣油及DPE絕緣紙的優(yōu)良耐熱性能。本實(shí)施例綜合考慮采用FR3植物絕緣油和DPE絕緣紙的均勻高溫絕緣系統(tǒng)油浸式變壓器的散熱能力和耐熱能力，提出油浸式變壓器主體內(nèi)的絕緣油采用FR3植物絕緣油，油浸式變壓器主體內(nèi)的絕緣紙采用DPE絕緣紙，使得本實(shí)施例應(yīng)用時(shí)能減小繞組線徑、鐵芯體積、箱體體積及絕緣材料用量，降低了均勻高溫絕緣系統(tǒng)變壓器的生產(chǎn)成本，有利于其推廣和使用。以上所述的具體實(shí)施方式，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施方式而已，并不用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3