本發(fā)明涉及變壓器設(shè)計及應(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，其在電網(wǎng)運行中應(yīng)用較為廣泛。隨著電力系統(tǒng)安全可靠性和經(jīng)濟環(huán)保性要求的不斷提高，人們對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油浸式變壓器的絕緣材料進行替換。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)絕緣材料的不同對油浸式變壓器結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化以降低制造成本，現(xiàn)有技術(shù)并沒有相關(guān)記載。技術(shù)實現(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變壓器結(jié)構(gòu)進行合理優(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)明解決上述問題主要通過以下技術(shù)方案實現(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、計算長期急救負(fù)載下常規(guī)絕緣系統(tǒng)油浸式變壓器允許過載倍數(shù)、以及均勻高溫絕緣系統(tǒng)油浸式變壓器允許過載倍數(shù)，并計算出均勻高溫絕緣系統(tǒng)油浸式變壓器允許過載倍數(shù)與常規(guī)絕緣系統(tǒng)油浸式變壓器允許過載倍數(shù)的比值；步驟二、將計算出的均勻高溫絕緣系統(tǒng)油浸式變壓器允許過載倍數(shù)與常規(guī)絕緣系統(tǒng)油浸式變壓器允許過載倍數(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)線半徑按計算出的繞組導(dǎo)線半徑縮小比例進行縮??；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算出的繞組導(dǎo)線半徑縮小比例進行縮小，將油浸式變壓器主體的繞組銅材用量按計算出的繞組導(dǎo)線半徑縮小比例的平方進行縮小。進一步的，所述步驟一中長期急救負(fù)載下油浸式變壓器的允許過載倍數(shù)是由過載時熱點溫度限值對應(yīng)的過載倍數(shù)確定的，其中，過載時熱點溫度的計算公式為：其中，θh(t)為熱點溫度，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)熱點對頂層油溫度差，Δθor為總損耗下頂層油溫升，為額定電流下熱點對頂層油溫度差，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間函數(shù)，f2(t)為反映熱點對頂層油溫度差變化的時間函數(shù)。進一步的，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，實用性強，為本發(fā)明所述變壓器的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了理論依據(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，具有重要的理論價值和現(xiàn)實意義。具體實施方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，下面結(jié)合實施例對本發(fā)明作進一步的詳細(xì)說明，本發(fā)明的示意性實施方式及其說明僅用于解釋本發(fā)明，并不作為對本發(fā)明的限定。實施例：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。基于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，包括以下步驟：步驟一、計算長期急救負(fù)載下常規(guī)絕緣系統(tǒng)油浸式變壓器允許過載倍數(shù)、以及均勻高溫絕緣系統(tǒng)油浸式變壓器允許過載倍數(shù)，并計算出均勻高溫絕緣系統(tǒng)油浸式變壓器允許過載倍數(shù)與常規(guī)絕緣系統(tǒng)油浸式變壓器允許過載倍數(shù)的比值；步驟二、將計算出的均勻高溫絕緣系統(tǒng)油浸式變壓器允許過載倍數(shù)與常規(guī)絕緣系統(tǒng)油浸式變壓器允許過載倍數(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)線半徑按計算出的繞組導(dǎo)線半徑縮小比例進行縮??；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算出的繞組導(dǎo)線半徑縮小比例進行縮小，將油浸式變壓器主體的繞組銅材用量按計算出的繞組導(dǎo)線半徑縮小比例的平方進行縮小。本實施例在具體實施時，步驟一中長期急救負(fù)載下油浸式變壓器的允許過載倍數(shù)是由過載時熱點溫度限值對應(yīng)的過載倍數(shù)確定的，其中，過載時熱點溫度的計算公式為：其中，θh(t)為熱點溫度，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)熱點對頂層油溫度差，Δθor為總損耗下頂層油溫升，為額定電流下熱點對頂層油溫度差，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間函數(shù)，f2(t)為反映熱點對頂層油溫度差變化的時間函數(shù)。本實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比。表1礦物絕緣油與FR3植物絕緣油性能對比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運動粘度(40℃)/mm2.s-1369.2運動粘度(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)、熱對流和熱輻射。油浸式變壓器運行中的產(chǎn)熱主要由絕緣液體以熱對流方式散發(fā)到周圍環(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)致的熱對流性能差異，故針對不同絕緣系統(tǒng)變壓器主要比較其對流散熱能力。熱對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，即對流換熱發(fā)生的初始時刻溫差Δt相等。故不同絕緣液體通過熱對流方式帶走的熱量Q與對流換熱系數(shù)h成正比。對流換熱系數(shù)h可采用公式(6)計算：在油浸式變壓器熱對流過程中，對流換熱系數(shù)公式里的各物理量含義如下：C為常數(shù)；L為油對流散熱面的特性尺度(長、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為絕緣油運動黏度；n為經(jīng)驗常數(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，即對流換熱發(fā)生的初始時刻溫差Δθ相等。故對流換熱系數(shù)h的影響因子如式(7)所示：針對ONAN冷卻方式的油浸式變壓器，無額外冷卻措施，式(7)中的n取0.25。將表1中的特性參數(shù)代入式(7)，可得礦物絕緣油對流換熱系數(shù)和FR3植物絕緣油對流換熱系數(shù)的比值如式(8)所示：由式(8)可知，計及絕緣液體熱容和運動黏度的雙重影響時，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)的油浸式變壓器運行中所承受的溫度限值不同，依據(jù)過載溫度限值，可確定采用不同絕緣系統(tǒng)的變壓器長期急救負(fù)載下的允許過載倍數(shù)，本實施例由允許過載倍數(shù)來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)的油浸式變壓器長期急救負(fù)載下過載溫度限值為140℃。GB1094.14-2011《采用高溫絕緣材料的液浸式變壓器設(shè)計和應(yīng)用導(dǎo)則》中對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)過載溫度限值進行了規(guī)定，具體值如表2所示。本實施例取最低高溫固體絕緣材料耐熱等級130℃時對應(yīng)的熱點溫度限值170℃來評估均勻高溫絕緣系統(tǒng)長期急救負(fù)載下的過載溫度限值。表2均勻高溫絕緣系統(tǒng)過載溫度限值本實施例采用式(1)來計算熱點溫度，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油時間常數(shù)τo180繞組時間常數(shù)τw4常數(shù)k111.0常數(shù)k211.0常數(shù)k222.0損耗比R5熱點系數(shù)H1.1總損耗下頂層油溫升Δθor55額定電流下熱點對頂層油溫度梯度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油時間常數(shù)τo170繞組時間常數(shù)τw4常數(shù)k111.0常數(shù)k211.0常數(shù)k222.0損耗比R5熱點系數(shù)H1.1總損耗下頂層油溫升Δθor53額定電流下熱點對頂層油溫度梯度Hgr23計算得：長期急救負(fù)載下常規(guī)絕緣系統(tǒng)油浸式變壓器允許過載倍數(shù)為1.34倍，本實施例所述的油浸式變壓器允許過載倍數(shù)為1.59倍，即本實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。在油浸式變壓器運行中，忽略空載損耗對于溫升的影響，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。相同過載倍數(shù)下，本實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，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)線電阻擴大為原來的1.19倍時，繞組導(dǎo)線半徑可縮小為原來的0.92倍。忽略繞組線徑減小引起的繞組銅線總長度與箱體水平方向尺寸的減小，鐵心體積可縮小為原來的0.92倍，變壓器箱體體積可縮小為原來的0.92倍，絕緣油用量可縮小為原來的0.92倍，絕緣紙用量可縮小為原來的0.92倍，繞組銅材用量可減小為原來的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，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，使得本實施例應(yīng)用時能減小繞組線徑、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。以上所述的具體實施方式，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施方式而已，并不用于限定本發(fā)明的保護范圍，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、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。當(dāng)前第1頁1 2 3