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基于MIDELeN天然酯绝缘油的低噪声变压器设计分析

1.引言
随着国内外对于环境保护的重视，采用天然酯绝缘油、低噪声、低损耗、采用环保型油漆等多种节能、环保、可降解等诸多优点的环境友好型变压器越来越受到电力用户的欢迎。市场的需要也刺激了广大电力设备制造企业的研发。英国MIDEL作为一家知名的合成酯绝缘油的生产厂家，其同时生产油菜籽基Midel eN 1204和大豆基Midel eN 1215天然酯绝缘油，并作为电力设备的绝缘用油得到广泛应用。其中MIDEL eN 1204牌号的油菜籽基天然酯绝缘油，在使用研究过程中，有数据表明，其能够有效降低电力变压器的空载和负载噪声，降噪幅度在1-2dB(A)左右。
在国外，采用天然酯绝缘油的研究起步相对较早，有着较为丰富的设计、使用经验。目前在美国、德国、巴西、墨西哥等地已有部分超高压变压器采用天然酯绝缘油，并已运行多年。在拉美的亚马逊雨林地区也有较大的使用需求。
在国内，由于天然酯绝缘油的提炼技术逐步成熟，在35kV及以下电压等级的配电变压器中使用天然酯绝缘油技术也已逐步展开。现有资料显示，由正泰电气率先研发成功了220kV天然酯绝缘油变压器为国内最高电压等级天然酯绝缘油变压器，并有一些大型的国企、合资企业也在着手研发220kV级的天然酯绝缘油变压器，整个行业的研发、市场推广迎来了近些年少有的井喷的势头。
2.MIDEL eN天然酯绝缘油性能
目前国内外各个天然酯绝缘油生产厂家的生产原材料，工艺方法均有差异，原材料的来源主要有大豆油、棕榈油、椰子油、菜籽油、山茶油等。国外的生产天然酯绝缘油的厂家主要集中在美国、英国、日本、德国等主要发达国家。基于其原材料及加工方法、添加剂等的不同，导致不同天然酯绝缘油之间的性能参数存在较大差异。表1重点节选其主要差异数据进行对比。
由表1可知，天然酯绝缘油在击穿电压、闪点上较常规矿物油高出许多，而在运动粘度、含水量、介电常数、体积电阻率等方面则与矿物油有较大差异，因此在产品设计时应综合考虑电磁场、绝缘电阻、温升、密封性等要求。
2.1 环境友好
液浸式变压器在运行中可能会出现渗漏油及换油等工况，在此过程中，绝缘油可能会泄露至自然环境中，从而对环境造成一定污染和危害。而天然酯变压器应用了天然酯绝缘油作为其液体电介质，即使泄露，也对环境不造成危害。天然酯绝缘油是目前唯一源于天然作物、可循环再生，且对环境最为友好的绝缘油，其28天生物降解度超过97%，对陆生及水生动植物均无危害。
此外，采用高温升设计的天然酯变压器，相对于普通矿物油变压器，其使用的原材料更少，可减少铜、硅钢片、钢材、固体绝缘等材料的使用，并能取消或减少油池及相关消防设备的使用配置，减小占地面积，降低资源消耗。根据本研究显示，同一台变压器，灌注天然酯绝缘油及矿物绝缘油后，两者的噪声差异约为2分贝。
2.2 优异的防火性能
天然酯绝缘油属于K级高燃点绝缘油，或称不易燃绝缘油，燃点超过350℃，远高于矿物绝缘油的燃点（低于160℃），且其引燃时间、烟气产生率、扩散速度等指标均优于矿物绝缘油。美国UL340标准将其火灾风险性列为4～5级，低于石蜡基矿物绝缘油（10～20级），远低于煤油（30～40级）。天然酯相对矿物油更难以被引燃，且引燃后具备一定的自熄灭特性，可有效防止变压器过负荷、短路等故障发生的着火事故，减少损失。由于其难燃及自熄灭的特性，能够在变压器事故初期抑制事故的扩大化，为消防设备及人员的投入灭火减灾带来了一点的时间差，能够有效防止变压器的起火、爆炸概率。
2.3 绝缘延寿
天然酯绝缘油的分子极性较矿物油大，亲水性较矿物绝缘油强，从而可更多的吸收绝缘纸中的水份，降低绝缘纸中的水含量，且其可水解消耗一定量的水，使绝缘纸在老化过程中的水含量基本不变；此外，天然酯可在绝缘纸表面发生酯交换反应，形成保护膜，保护绝缘纸不受水分侵蚀。加之水分是变压器中影响绝缘纸寿命的最重要因素，从而天然酯与绝缘纸配合时，降低了绝缘纸中的水份，延长了绝缘纸的寿命。
2.4 耐热等级高、负载能力强
天然酯绝缘油属于B级耐热等级（130℃）的绝缘介质，可长期在130℃的温度条件下运行，高于A级耐热等级（105℃）的矿物绝缘油，如采用高耐热等级固体绝缘材料与天然酯绝缘油配合，可提高天然酯变压器的温升限值，降低变压器的重量和体积，或提高变压器的过载能力。
2.5 密封（氧化）性能
天然酯绝缘油因其分子中存在不饱和键，抗氧化能力较矿物绝缘油差，常规天然酯旋转氧弹试验的诱导时间一般小于40min，而矿物油一般为300。通过天然酯绝缘油原料选型、抗氧化剂添加等措施等可显著提高天然酯绝缘油的抗氧化能力，但目前依然无法达到矿物绝缘油水平。从而目前天然酯变压器均采用全密封结构，以防止天然酯绝缘油与氧气接触，保证天然酯变压器的稳定运行。
2.6 温升特性
如天然酯变压器与矿物油变压器结构完全相同，对容量小于5MVA的配电变压器，其油平均温升较矿物油变压器高1-3K，顶层油温升大致高3-5K。对于小容量变压器应注意其线圈的结构形式，而对于高电压等级的大型电力变压器，则由于其绝缘需要，一般饼间油道厚度多为3-5mm，因此其相对于小容量、低电压变压器矿物油绕组温升增加幅度反而更小，产品设计时应予以注意，合理控制设计裕度，以便降低生产制造成本。 3.采用天然酯的低噪声变压器设计与分析
该变压器高压侧额定电压为132kV，有载调压，其绝缘水平LI650AC275kV，高于常规的110kV级变压器，因此设计难度也相应有所增大。该变压器为长轴方向侧散热器水平分体式结构，对于粘度本身就较大的天然酯绝缘油变压器来说，对于温升的设计、计算要求更高。
3.1电磁场仿真与验证
基于天然酯绝缘油的耐受电压性能而言，其绝缘效果是不差于矿物绝缘油的，但是基于国内外的实际使用经验来看，采用天然酯绝缘油的变压器还是要经过仔细的电场仿真、绝缘设计、工艺处理，才能保证其试验的合格。尤其注意其介电常数与矿物油不同，配合不同的绝缘材料和结构，能够极大影响变压器的电场设计。
图2中的上图为采用矿物油时的电场仿真云图，可见高压绕组首端第一段表面，场强最大值为7.7 kV/mm，中压绕组首端第一段表面，场强最大值为6.6 kV/mm，裕度满足绝缘设计要求。基于MIDEL eN 1204天然酯绝缘油时，其电场分布图为图2中的下侧云图。其变压器端部各位置场强如下：高压绕组首端第一段表面，场强最大值为7.1 kV/mm，中压绕组首端第一段表面，场强最大值为6.0 kV/mm，调压绕组表面，场强最大值为3.8 kV/mm，各处电场强度的裕度均满足设计要求。可见基于MIDEL eN 1204天然酯绝缘油的变压器电场仿真，其场强最大值均略小于矿物油。
3.2 温升计算
现有的对于常规矿物油的油面温升和绕组温升的计算方法很多，殊途同归，最终的计算温升数值差异不大，各有优劣。但其系数和经验数据都是基于大量的矿物油变压器的温升试验获得，不能完全适用于天然酯绝缘油变压器的温升设计，而必须考虑其运动粘度、比热容、体积热膨胀系数、密度等数值的差异。
由现有的温升计算公式可知，运动粘度的增大，会导致变压器温升的增加，密度、比热容、体积膨胀系数等值的加大则有助于温升的降低。
带入相关的天然酯绝缘油的数据及变压器的设计数据后可知采用MIDEL eN1204天然酯绝缘油变压器后的设计温升Ts=42.2K。采用天然酯绝缘油的变压器温升较常规矿物油高出许多，本研究变压器显示试验值差异为5.6K，与天然酯绝缘油的生产厂家MIDEL提供的的数据，基于变压器电压与容量的不同，差值在3～7K，基本吻合。
3.3 与橡胶等材料的相容性
材料相容性是变压器中设计及工艺中非常重要的一环，目前在用的变压器固体绝缘材料绝大部分与天然酯相容，但有个别材料可能会与天然酯产生化学反应、性能下降的现象，在变压器材料选择中应提前加以验证，其中应格外注意的材料包括丁腈橡胶、变压器内壁漆、胶等有机材料。 原有的相容性试验一般为单独测绝缘油的性能数据或橡胶材料的性能数据，没有采用同一批样品两者结合一起测量。部分试验数据表明，天然酯与几种常用的橡胶密封材料相容性能差异较大，在进行密封材料的选用时应密切关注。但是已经有部分橡胶企业通过对丁腈橡胶和丙烯酸酯进行改性后，其与天然酯的相容性性能大大提升。
3.4绝缘电阻 基于现有的团体标准及电力行业标准，大量数据显示，采用天然酯绝缘油的变压器其绝缘电阻一般在500-2000MΩ，由于天然酯绝缘油的体积电阻率低于矿物绝缘油，介质损耗因数高于矿物绝缘油，因而天然酯变压器的绕组绝缘电阻及铁心和夹件绝缘电阻小于矿物油变压器，绕组介质损耗因数大于矿物油变压器。下表为某10MVA/110kV变压器分别采用矿物油与天然酯绝缘油时测试的电阻数据。
可见，采用天然酯绝缘油的电力变压器其绝缘电阻要远远小于矿物油绝缘油的，因此在试验、现场验收等需应注意区别对待。 天然酯运动粘度较大，因而完全浸入绝缘纸及其他绝缘件的时间较长，因而需增加天然酯变压器的浸渍时间，现有的数据显示，基于其绝缘材料的厚度、工艺孔的分布，一般绝缘材料在天然酯中的浸渍时间为矿物油的2-3倍。有研究表明，在浸渍期间可以适当借助绝缘电阻的测试，来协助判断天然酯在绝缘材料中的浸渍程度。
3.5 低噪声设计与处理
采用天然酯绝缘油变压器，由于其变压器油箱结构不同、内注的天然酯绝缘油分子结构于矿物油的差异、绝缘油的密度不同，同时结合其防火、耐高温的设计，一般而言，其噪声较矿物绝缘油变压器低1-2dBA。现有的研究表明，如结合其散热器与温升的需要，在变压器采用自冷结构状态下，温升还有进一步下降的空间，而风冷时，由于其粘度大，散热效果要劣于矿物油，风机数量、风量、风压会要求更高，因此噪声反而会更大，这个应区别对待。
3.6.工艺处理
针对采用天然酯绝缘油变压器的工艺方法与传统的矿物绝缘油变压器有较大的不同，基于其氧化安定性差、运动粘度大等特点，因此在油路管道、绝缘材料的工艺处理、干燥浸油、暴露时间、运输处理等方面要尤其注意。 基于绝缘油本身成分的不同，矿物绝缘油与天然酯绝缘油不得混合使用，因此相关的抽注油管道、滤油机等应独立试验或充分清洗。绝缘材料要基于形状、厚度、层压方向等进行工艺孔的特殊设计和处理。尤其注意，基于天然酯绝缘油的粘度大、密度大、分子结构不同等特点，其在绝缘材料的渗透性上要远差于矿物绝缘油，以现有的研究数据来看，采用同等结构、同等处理情况下，天然酯绝缘油的浸油时间约为矿物油的3倍。下图4为采用天然酯绝缘油浸泡试验48小时后的绝缘材料。
4.分析与结论
如上述试验中的数据可知，基于MIDEL eN 1204天然酯绝缘油的特性，在绝缘特性试验中，采用MIDEL eN 1204天然酯绝缘油的变压器，其绝缘电阻值相对偏低，与矿物油几乎差了一个数量级的关系，因此在标准引用和协议要求时应注意不能直接参考矿物绝缘油的要求。而采用天然酯绝缘油的变压器，其绕组介损同样比较矿物油大。温升数值的差异则主要受粘度影响，其密度、比热容、热传导率等多种参数共同影响，在油自然循环中显然粘度对其影响最大，因此其温升值也大大高出矿物油变压器不少。但如果采用强油循环或风冷时，其温升的差异可能会有所缩小。工频、感应、雷电冲击等试验的顺利通过，是基于强大的电场的分析和计算和合理的绝缘设计，同时也验证天然酯绝缘油的耐压是不差于矿物油的，只是在进行电场计算时需注意其介电常数等值与矿物油有所不同，其介电常数与矿物油的差异，在随着变压器电压等级的升高，油与纸质绝缘材料的配合差异应该会更加明显。对于高压线圈端部、引线出头等位置的电场计算应重点关注。
目前国内设计、生产、试验110kV及以上天然酯绝缘油的变压器还较少，相关报道也不多见。基于上述研究，多台33kV，132kV，220kV采用MIDEL eN 1204天然酯绝缘油的变压器进行全套型式试验并一次性通过的。采用天然酯绝缘油的变压器，其产品结构、电磁场的计算验证均与常规的矿物绝缘油变压器有所不同，本次研究，通过计算和实测摸索相关经验。基于天然酯绝缘油亲水性、粘度大、介损高、易氧化等特点，进行针对性的设计，而其高燃点、击穿电压高、绿色可降解等优势也要通过产品的设计得到价值的体现。
【基于MIDELeN天然酯绝缘油的低噪声变压器设计分析】采用天然酯绝缘油的低噪声变压器，其具有环保、低损耗、低噪声等特性，在今后的电力设备的发展中必将占有一席之地，加大此类变压器的研究与分析，有助于提升产品性能，降低变压器的设计、制造成本，为市场的推广应用提供了技术基础。

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