天然酯绝缘液的变压器绝缘结构

I. 简介

天然酯绝缘液经过这些年仅限于低电压等级配电变压器的应用，在2000年初开始考虑用于电力变压器。随着电压等级的提高，对绝缘系统精确设计的要求越来越高。介电系数是电场分布的一个重要参数。

在交流和冲击电压下，液体和固体绝缘材料的电场分布与介电系数成反比。由于天然酯（EN）的介电系数高于矿物油(MO)，更接近浸渍纸和绝缘纸板，故液体绝缘中的场强降低，而固体材料中的场强增加。

在许多情况下，液体中的场强是制约主空道(低压和高压绕组之间的绝缘)尺寸的主要因素。如图1所示，液体中的场强可以显著降低

简化模型由两个油隙和中间的高密度纸隔板组成，均为3mm厚。红色曲线(矿物油)和绿色曲线(天然酯绝缘液)的对比表明，油隙中的场强减小，固体绝缘中场强增加。

由于材料的特性可能会根据制造商的不同而发生变化，作者认为必须明确所用材料的品牌名称。考虑的介质液体是矿物油，其中介电系数的标准值已被定义，而天然酯液体，从测量的FR3得到的值已被使用。固体绝缘采用三种不同的材料：牛皮纸、低密度纸板(T3)和高密度纸板(T4)。

图1 在50kV额定电压下，由两个油隙组成的9mm电极均匀场的仿真模型和沿A— B线的电场强度

表一仿真参数:介电系数

II.  绝缘设计

绝缘系统的设计基本上必须考虑三个不同的方面:

• 所有位置的最大可接受的电场强度;

• 线圈、出头和引线的机械支撑;

•用于介电液体在整个产热区域循环的油道。

一般情况下，电场评价需要液体和固体绝缘中的场强分析，以及沿界面(爬电)的场强分析。电场由电压、几何形状和材料的介电系数定义，在材料中产生相应的应力，在固体绝缘表面产生切向应力。本文主要研究了这两种绝缘材料的应力。

简单的几何图形，如同心圆柱体的主空道(HV/LV)可以数学公式计算。但是对于稍微复杂一些的结构，解析解几乎是不可能的，要使用数值计算，通常应用有限元方法。对于目前的研究，用于模拟的参数列在表I中:

III.  “主空道”设计的比较

所谓“主空道”，即低压绕组(LV)和高压绕组(HV)之间的圆柱形区域，在几个不同的方面受到介电系数差异的影响。为说明这一点而准备的模型来自一个在低压和铁芯之间有一个第三绕组的变压器，低压被模拟为一个单层绕组，高压绕组被表示为一个饼式结构，每个线饼离散化。模型如图2所示。从A到B绕组之间的电力线在后面的图中计算。

图2 “绕组端部距离”仿真模型

图3 额定电压460kV时，图2中沿A到B的电力线的场强

图4 以矿物油为绝缘的“绕组端部距离”模型场图

图5 以天然酯为绝缘的“绕组端部距离”模型场图

图6 定义了用于评估场强的场线路径

图7 当额定电压为460kV时，沿电力线从A到B的电场应力。(注:由于介电系数的不同，MO和NE始于A处的电场线并不相同;但是，对比图4和图5，差异太小，看不出来)

场强沿A-B路径的分布情况如图7所示。因此，当在图表中沿直线表示这些值时，出现了图1中提到的相同行为:液体间隙中的应力减小，而固体绝缘的应力增加。

与预期的一样，用MO和NE模拟相同的几何形状，发现NE的液体应力降低了约5%。假定两种液体的介电强度都与假定的相似，则可以获得更高的安全裕度。然而，在优化绝缘结构之前，例如通过减少主空道和或减少屏障的数量，建议在考虑许多可变参数的情况下，确保所有操作条件和应力下的介电强度相似:工频、脉冲、快速瞬变、温度、水分、油流、颗粒等。此外，需要特别注意尖角、引线和边缘附近的高度分化的区域。反转效应将在后面详细介绍。

图8  高压绕组顶部的应力放大

  

图9 当额定电压为460 kV，左侧为MO，右侧为NE时，场强沿A – B的分布

场图的比较需要注意细节。图5中沿路径A-B的绿s色调较图4略浅，证实了所呈现的油隙中的场强降低。但最相关的方面是HV最后一个线饼边缘的小细节，在点B处。由于该模型包括了导体周围的纸绝缘，因此也可以识别出液体中应力的减少和固体中应力的增加。在MO中，可以看到更大的橙s色调区域和边缘的颜色变化，覆盖了略大的区域。用NE法计算时，导体纸绝缘层内的应力增加，呈深红色集中区域，并快速降至黄色；电场梯度的增加正是我们关注的重点。特别是对于更高的电压等级，在最后一个线饼上可能需要额外的边缘保护，或者在可以避免使用矿物油的情况下使用潜静电环。通过图9中两幅图的对比可以清楚地看到这种详细的效果。

IV.  绕组端部距离的比较

采用图2所示的仿真模型，定义了另一条路径进行低压静电环到高压静电环的场强比较，如图6所示。沿此路径的场强如图7所示，对于NE情况，在B点的场强变化导致液体中与本文中几乎相同的应力。图8中标注的蓝色区域进行了详细说明。

由于NE的介电系数与纸的介电系数非常接近，屏蔽环纸上应力的增加对该区域的影响比较明显。完美的工艺是这些精致的绝缘片的关键。

V.  引线/内部连接设计的比较

高介电系数的影响往往会在引线上产生临界点，而不是在绕组上。主要原因是采用了标准化的绝缘厚度表，这是根据MO的介电系数建立的，当使用NE时，导体绝缘中的应力会增加。

为了评估这种行为，建立了一个平行于平面地电位的导线的简单模型(见图10)。图11给出了沿A-B线的场强，正好显示了所描述的效果。对于矿物油计算，红色曲线，固体绝缘内部表面的应力约为5.5 kV/mm，而对于NE，应力约为7.4kV/mm。

图10  在箱壁附近的绝缘引线对平面

图11  当额定电压为460kV时，从A到B的电场应力

 

图12 左为MO绝缘液，右为NE绝缘液的仿真模型“绝缘引线”的场图

这对于大多数低于36kV电压等级的配电变压器来说可能是至关重要的，在这种情况下，导线布线通常比较松散，没有连接到支架上。大多数情况下，电缆之间的一个小的液体间隙就足以防止任何问题。对于更高的电压等级，这是一个标准的做法，有引线结构非常稳定。

从图12颜色的比例，高介电系数液体对引线的影响是非常清楚的。这是设计师需要特别注意的一点。

VI.  结论

天然酯类液体的应用可以看作是一个日益增长的趋势。尽管与矿物油在功能上有很大的相似之处，但对于一个成功的变压器设计来说，有一些差异是必须考虑的。对于绝缘设计，主要是考虑介电系数。绝缘设计人员必须意识到这一差别，在计算和校核绝缘纸中应力和拐角中液体应力时，必须使用适当的值。