天然酯替代矿物油的配电变压器设计与仿真

赵启承，童 力，谢 成，郭锋博，罗文龙，李 萌

（1.国网浙江省电力有限公司电力科学研究院，杭州 310014；2.中山卓原新材料研究院有限公司，广东 中山 528458；3.杭州得诚电力科技股份有限公司，杭州 311121； 4.陕西省电力公司，西安 710048）

0 引言

油浸式配电变压器是电力系统配电网的主要设备之一，其运行的可靠性至关重要。目前，油浸式配电变压器广泛采用矿物油作为绝缘油，是源于石油的液体绝缘介质，其优点是介电理化性能相对稳定、成本低，缺点是燃点低、安全性差，尤其是生物降解度低，具有毒性，属于环境不友好材料。配电变压器数量庞大，使用广泛，其生产、使用及回收处理对环境产生较大影响，制造方与使用方一直以来致力于寻找安全环保的替代用绝缘介质。

天然酯绝缘油作为一种新型的绿色绝缘介质，源于天然植物，燃点高、抗燃爆、安全性好，且生物降解度高，无毒，可降低碳排放量，具有天然的环境友好性。同时，采用天然酯的变压器相比于普通油浸式变压器具有更长的寿命和更强的过负载能力，是矿物绝缘油的理想迭代产品。

天然酯植物绝缘油变压器的研制始于20 世纪90 年代。美国于1996 年完成第一台采用天然酯绝缘油225 kVA 美式箱变样机，瑞典ABB 公司于1999 年生产出第一个商品名为“BIOTEMP”的植物绝缘油变压器，2000 年美国库柏公司开发了以大豆油为原料的FR3 油，并成功应用于配电变压器。2014 年，西门子公司在大型植物绝缘油电力变压器取得突破，其研制的420 kV、300 MVA 植物油变压器投入运营。

我国对植物绝缘油研究起步较晚。重庆大学于2000 年率先开始了植物绝缘油的研制工作，于2010 年开发出具有自主知识产权的山茶籽绝缘油变压器。河南省电力公司及国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司分别在2014 年先后获得了植物绝缘油量产能力并设计制造植物绝缘油配电变压器，具有良好的防火安全特性及高过负载能力。

植物绝缘油变压器在国外已有十多年的运行经验，全球应用量已不少于100 万台。

目前，配电变压器中采用自然油循环冷却方式的占据了市场主流，国外学者统计研究了自然油循环配电变压器中采用植物油绝缘油及矿物油后的温升差异：

（1）由不同的变压器制造商进行的温升试验中，对于小于5 MVA 的配电变压器当采用植物油绝缘油作为冷却介质时，其油平均温升较矿物油变压器高1～3 K。

（2）顶层油温升大致高3～5 K，对于大型变压器可能会更高。

（3）线圈热点温度可能将高数K，对于大型的变压器甚至可能高20 K。

天然酯植物油绝缘油的粘度大于矿物油，在相同的冷却结构及热量条件下该特性将加大变压器散热设备最顶层与最底层的温度差。在天然酯变压器设计中通过对绕组的油道结构等进行修正优化，可以降低粘度高带来的对绕组散热的不利影响。另外，变压器的结构设计应考虑天然酯与多种固体绝缘材料之间的相容性及其对电气、机械和热稳定性能的影响[1-5]。

本文以应用某R 型天然酯绝缘油为例，进行10 kV 配电变压器绝缘结构优化设计，对该变压器的温度场进行了仿真计算，并制造一台天然酯绝缘油变压器样机，通过温升试验数据对比分析，验证设计仿真结果，供工程设计及制造参考。

1 温度场模型及参数条件

以SW13-M-630/10 配电变压器为设计原型，联结组别为Dyn11，铁心为三相三柱式，工频耐压35 kV（1 min），绝缘耐热等级为A 级，常规固体材料和传统油纸隔板结构，自然油循环冷却，采用R 型天然酯绝缘油；低压绕组，额定电压0.4 kV，层式线圈绕组， 共2 层， 内半径为168 mm，外半径为234 mm，线圈高度410 mm，层间油道宽度为3 mm；高压绕组，额定电压10 kV，绕组共12 层，内半径为246 mm，外半径为319 mm，线圈高度406 mm，层间油道宽度为3 mm；空载损耗计算值548 W，负载损耗计算值6 053 W。

使用ANSYS FLUENT 14.0 软件进行有限元仿真计算，为减少计算量未采用3D 模型，且主要关注绕组内部的温度场分布，采用2D 模型对其中一相进行仿真计算，计算区域以该项铁心中心为对称轴，取其对称区域的一半，模型如图1所示。

图1 绕组物理模型示意

对模型进行网格划分，为了进行边缘处的细化计算，网格数共计38 990 个。作如下假设以简化变压器模型[6]：

（1）液浸式变压器高压绕组采用铜线绕制，内部可认为无绝缘油流动，故将铜线及其绝缘部分当做整体处理，低压绕组采用相同的方法进行处理。由于铁心部分损耗量值较小，且铁心与绕组之间有绝缘隔板，可认为铁心和绕组内部绝热。

（2）温度场分布沿变压器线圈的圆周方向没有梯度变化（内部以铁心为轴对称中心，而外部以相间中心线为准，体现线圈中温度最高的区域）。

（3）不考虑结构件对绕组温度的影响。

（4）变压器绕组沿圆周方向完全呈几何对称分布。

（5）固体材料的密度、比热容、导热系数、油的黏度都为常数。

（6）绝缘油的温度基准值为300 K。

天然酯绝缘油和矿物油典型参数如表1 所示。

表1 天然酯绝缘油与矿物油物理性质参数

2 仿真计算结果对比与分析

2.1 流体工况仿真计算

采用有限元容积法对结构相同，绝缘介质分别为矿物绝缘油和R 型天然酯绝缘油的2 种变压器的流体工况进行仿真计算。

油道宽度为3 mm 时，矿物绝缘油和天然酯绝缘油在1.0 倍和1.1 倍额定电流下的最大流速仿真计算结果表明，天然酯绝缘油的最大流速均低于矿物绝缘油，这是由于同样条件下天然酯绝缘油的运动粘度较大，热对流性差。如图2—5 及表2 所示。

图2 油道宽度3 mm，额定电流下矿物油流速分布云图

图3 油道宽度3 mm，额定电流下天然酯流速分布云图

图4 油道宽度3 mm，1.1 倍额定电流下矿物油流速分布云图

图5 油道宽度3 mm，1.1 倍额定电流下天然酯流速分布云图

表2 油道为3 mm 时，矿物油与天然酯绝缘油变压器的最大流速计算值cm·s-1

2.2 温度场仿真计算

使用Ansys Fluent 对使用天然酯和矿物油的变压器温度场进行仿真计算。

油道宽度为3 mm 时，在1.0 倍和1.1 倍额定电流下天然酯和矿物绝缘油温度场分布仿真计算表明，矿物油变压器与R 型天然酯绝缘油变压器温度分布趋势基本一致，高温升区域主要分布在线圈端部，如图6—9 所示；高、低压线圈表面相对绝缘油表面的平均温升和热点温升如表3 和表4 所示。

图6 油道宽度3 mm，额定电流下矿物油温度分布云图

图7 油道宽度3 mm，额定电流下天然酯温度分布云图

图8 油道宽度3 mm，1.1 倍额定电流下矿物油温度分布云图

图9 油道宽度3 mm，1.1 倍额定电流下天然酯温度分布云图

表3 油道为3 mm 时，线圈平均温升K

表4 油道为3 mm 时，线圈热点温升K

本次产品设计高低压线圈为多层层式线圈，基于矿物油配电变压器设计原则，层间油道均为3 mm，根据仿真计算结果，天然酯绝缘油比矿物油的线圈温升高3 K 左右。

天然酯的运动粘度大于矿物油，流动性相对矿物绝缘油较差，会影响变压器散热效果，仿真结果也验证了此结论。

变压器绝缘材料在长期运行的温度影响下，会逐渐失去原有的机械性能，即绝缘老化。温度越高，绝缘老化就会加速，绝缘材料就会变脆而破裂，从而使线圈失去绝缘层的保护作用。另外，即使绝缘还没有损坏，但是温度愈高，绝缘材料的绝缘性能就会下降，容易被高电压击穿发生故障，所以变压器在正常运行时，不允许超过绝缘材料所容许的温度[7-10]。因此，天然酯配电变压器的结构设计必须给予优化，使变压器的平均温升和热点温升满足GB 1094.2-2013《电力变压器 第2 部分：液浸式变压器温升》的要求。

高、低压绕组均为层式线圈，损耗以热的形式通过层间油道散热，由于天然酯较矿物油运动粘度大，拟通过加大散热油道以降低绕组温升，原油道设计为3 mm，更改为4 mm 和6 mm 2 种结构进行仿真计算，因篇幅原因，以下只列出4 mm 油道时绕组温升的计算结果，如图10—13 和表5—9 所示。

图10 油道宽度4 mm，额定电流下矿物油温度分布云图

图11 油道宽度4 mm，额定电流下天然酯温度分布云图

图12 油道宽度4 mm，1.1 倍额定电流下矿物油温度分布云图

图13 油道宽度4 mm，1.1 倍额定电流下天然酯温度分布云图

表5 油道为4 mm 时，线圈平均温升K

表6 油道为4 mm 时，线圈热点温升K

表7 油道为6 mm 时，线圈平均温升K

对比分析以上仿真计算结果，随着散热油道的加大，绝缘油流速增大，变压器绕组温升下降。分析对比线圈的最热点温升，表4 中矿物油在2 种工况下的高压线圈温升分别为26.1 K 和28.5 K，低压线圈温升分别为26.7 K 和27.8 K，表6 中天然酯绝缘油在2 种工况下的高压线24.6 K 和27.8 K，低压线圈温升分别为26.3 K 和27.5 K，可以发现，天然酯配电变压器线圈层间油道4 mm 时，与矿物油配电变压器线圈层间油道3 mm 时的热点温升近似相等。

表8 油道为6 mm 时，线圈热点温升K

表9 绝缘油的最大流速计算值cm·s-1

2.3 不同油道结构设计的变压器成本对比

天然酯价格是矿物油2～3 倍，因此，变压器采用天然酯绝缘油且线圈油道加大后，产品的制造成本会增加。根据表10 估算，采用4 mm 油道的天然酯变压器成本比常规矿物油变压器成本增加约8%，采用6 mm 油道天然酯变压器成本比常规矿物油增加约10%。

表10 2 种绝缘油在不同结构设计时的重量kg

3 产品样机温升试验

根据仿真计算结果，采用4 mm 油道设计制造SW13-M-630/10 型天然酯变压器，样机进行温升试验，取得油顶层温升及高低压线圈平均温升等数据。天然酯变压器产品试验结果和电磁计算结果如表11 所示。

表11 SW13-M-630/10 型天然酯变压器产品试验及电磁计算结果对比

分析试验结果，采用加大油道（4 mm）后的天然酯变压器性能参数均满足技术协议、GB 1094.2 和GB/T 6451 的标准限值[11-12]，验证了天然酯替代矿物油的可行性。

从表11 中发现，油平均温升等计算值和试验值差异较大，究其原因，变压器温升计算方法采用了基于矿物油的经验公式，由于天然酯的性能参数较矿物油有较大差异，尤其是运动粘度，因此，工程设计的计算公式必须修正。

4 天然酯变压器温升计算经验系数探讨

油浸式变压器的发热和冷却机理方面的研究已比较成熟，散热过程主要是依靠热传导、对流和辐射来实现的，本文不做过多阐述，仅从工程计算公式方面分析[13-15]。

绕组温升由绕组表面对油的平均温升和油对空气的平均温升两部分组成。

如表12 所示，绕组表面对油平均温升的试验实测值与仿真值（4 mm 油道）和按矿物油经验公式计算值相比较，低压绕组基本一致，高压绕组偏差4 K。

表12 绕组表面对油平均温升计算对比

绕组温升的试验实测值除了受结构设计影响外，还与制造工艺、试验方法等因素有关，对比低压绕组的温升数据，高压绕组对油温升偏差可能由制造工艺或试验方法的不确定差异引起。

油对空气的平均温升计算公式为：

式中：τy为油对空气的平均温升；K 为经验系数，自冷时K=0.262；q 为油箱表面的单位热负荷。

本次设计中q 值为491.63，所以：

表11 中，油对空气平均温升计算值与试验实测值相差约6 K，油顶层温升和绕组温升试验值均比计算值高约5 K，可以确定油平均温升计算值偏低，油平均温升中的K 系数0.262 若校正到0.302，油平均温升计算值为：

顶层油对空气的平均温升计算公式为：

式中：τy为油箱对空气的平均温升；τc为散热器安装高度的温度校正值，本台产品为6 K。

所以，修正后顶层油温升为：

由于温升计算中的有关公式和系数都是建立在传热试验基础上的，对于本台产品样机，通过对温升试验值和计算值的分析，调整修改经验系数K 为0.302，使得天然酯变压器的温升计算值更接近于试验值，如表13 所示。传统经验公式是由多年的制造、运行经验并不断修正的结果，本文仅对一台产品样机进行分析后所修正的系数，不具有广泛代表性，但对于天然酯变压器散热系数的经验积累，具有一定的参考价值。

表13 修正后的温升计算值与试验值对比

5 结论

本文基于有限元容积法对10 kV 等级630 kVA自然油循环变压器温度场建模仿真，对比分析计算天然酯变压器与传统矿物油变压器的热特性，并按设计优化结果制造天然酯变压器样机进行温升试验，验证配电变压器中R 型天然酯绝缘油替代矿物油设计方法的可操作性。得出结论如下：

（1）R 型天然酯运动粘度大于矿物绝缘油，最大流速低于矿物缘油，其散热能力低于矿物油，通过优化变压器结构设计，经仿真计算和试验验证，证明加宽散热油道后天然酯变压器的温升值可达到与矿物油变压器相同的温升值，满足标准要求，但会增加一定的变压器制造成本。

（2）传统的变压器绕组温升计算公式中的经验系数K 是基于矿物油经多年积累得出的，不适用于天然酯的温升计算。近年来逐渐应用的天然酯是一种新材料，相关标准、规范和设计原则还未完善，本文仅通过一台产品通过试验结果修正经验系数，虽不具代表性，但可供工程设计参考，有助于积累天然酯变压器设计经验。