摘 要：非晶合金變壓器是一種節(jié)能型的變壓器, 具有使用損耗低、用電效率高的基本特征, 在電力企業(yè)中的應(yīng)用已經(jīng)非常普遍。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷完善,科學(xué)家研制出了一種能夠使非晶合金配電變壓器更加緊湊、更加經(jīng)濟的結(jié)構(gòu)—緊湊型非晶合金油浸式變壓器主絕緣結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)型主絕緣結(jié)構(gòu)相比, 其端部的電場強度分布更加均勻, 最大電場強度小于油隙的最大電場強度值, 在使用過程中是非?？煽康?。本文通過對比緊湊型非晶合金油浸式變壓器主絕緣結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)型主絕緣結(jié)構(gòu)之間的差異, 了解緊湊型非晶合金油浸式變壓器主絕緣結(jié)構(gòu)的實用性。
     關(guān)鍵詞：緊湊型非晶合金油浸式變壓器；主絕緣結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)設(shè)計；方法分析
     隨著工業(yè)化進程的逐漸加快， 各種有害物質(zhì)的排放給全球環(huán)境造成了嚴(yán)重的壓力，保護環(huán)境、節(jié)約資源已經(jīng)成為全世界都在探討的主要話題。我國作為世界上能源消耗增長最快的國家，二氧化碳的排放量位居世界第二，更應(yīng)該深刻的認(rèn)識到環(huán)境保護的重要性。非晶合金油浸式變壓器具有損耗低、節(jié)能效果高等優(yōu)勢，在電力領(lǐng)域中的應(yīng)用非常廣泛。但是，傳統(tǒng)型非晶合金油浸式變壓器在設(shè)計過程中主絕緣結(jié)構(gòu)的距離過大，大大提高了變壓器的制造成本，不利于變壓器產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟發(fā)展，還需要不斷進行完善。


       1 非晶合金變壓器的基本介紹

       非晶合金變壓器最早由美國研發(fā)，是一種節(jié)能型的變壓器，在電力企業(yè)中的應(yīng)用非常廣泛。尤其是在倡導(dǎo)“節(jié)能減排”的大環(huán)境下，非晶合金變壓器更是受到了市場的高度關(guān)注。但是，從目前非晶合金變壓器在市場中的銷售情況來看，其產(chǎn)業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r卻不是非常樂觀，而造成這種情況的主要原因就是非晶合金變壓器的價格普遍較高，很多企業(yè)都因為無法負(fù)擔(dān)昂貴的成本而選擇了放棄。面對傳統(tǒng)型非晶合金變壓器行業(yè)產(chǎn)能過剩的困境，國家開始鼓勵發(fā)展節(jié)能型、智能化、經(jīng)濟化的非晶合金變壓器，對非晶合金變壓器主絕緣結(jié)構(gòu)的設(shè)計作出進一步的改進，并且制定的一系列的優(yōu)惠政策和激勵制度促進變壓器產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，滿足電力企業(yè)對變壓器的各種需求，從而提高產(chǎn)品的附加值和企業(yè)的經(jīng)濟利潤， 為企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供基本保障[ 1 ] 。

       2 傳統(tǒng)型非晶合金油浸式變壓器存在的問題

       近幾年來，傳統(tǒng)型非晶合金油浸式變壓器在電力企業(yè)中的應(yīng)用越來越普遍，在保護環(huán)境、節(jié)約能源方面的效果都比較顯著。但是，傳統(tǒng)型非晶合金油浸式變壓器在實際使用的過程中，也存在著各種各樣的問題需要進行深層次的探索與完善。傳統(tǒng)型非晶合金油浸式變壓器相對于普通的配電變壓器來說，其節(jié)能效果有了很大程度的提升。但是，傳統(tǒng)型非晶合金油浸式變壓器磁性材料的飽和磁通密度和疊片系數(shù)比普通的配電變壓器要低，因此傳統(tǒng)型非晶合金油浸式變壓器一般都比普通的配電變壓器要大，在安裝和使用上都不是非常的便捷。而且，傳統(tǒng)型非晶合金油浸式變壓器的體積過大，就會導(dǎo)致其主絕緣結(jié)構(gòu)之間的距離過大，大大的提高了傳統(tǒng)型非晶合金油浸式變壓器的制作成本，其經(jīng)濟性和過載能力都受到了一定程度的影響，無法在激烈的市場競爭當(dāng)中占據(jù)穩(wěn)定的地位。

      另外，傳統(tǒng)型非晶合金油浸式變壓器在設(shè)計的過程中，其主絕緣結(jié)構(gòu)的設(shè)計也不是非常的合理， 很容易造成傳統(tǒng)型非晶合金油浸式變壓器局部絕緣的損壞，嚴(yán)重影響了傳統(tǒng)型非晶合金油浸式變壓器在電力系統(tǒng)中效果的發(fā)揮。主絕緣結(jié)構(gòu)是傳統(tǒng)型非晶合金油浸式變壓器中非常重要的組成部分，能夠影響傳統(tǒng)型非晶合金油浸式變壓器運行的可靠性和使用壽命。由此可見，對傳統(tǒng)型非晶合金油浸式變壓器主絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計的研究是非常必要的， 設(shè)計人員在不影響傳統(tǒng)型非晶合金油浸式變壓器使用效果的前提下，選擇成本比較低的原材料，從根本上降低傳統(tǒng)型非晶合金油浸式變壓器設(shè)計的經(jīng)濟成本，真正達到節(jié)能降耗的目的[ 2 ] 。

       3 緊湊型非晶合金油浸式變壓器的優(yōu)勢

       3.1 具有節(jié)能減排的效果

       近幾年來，環(huán)境問題、資源問題造成的影響越來越嚴(yán)重，全世界都加強了對于節(jié)能減排計劃的重視， 各個領(lǐng)域都積極的將“節(jié)能減排”的計劃貫穿于企業(yè)經(jīng)濟建設(shè)的全過程中。尤其是在工業(yè)化進程飛速發(fā)展的今天，保護環(huán)境、節(jié)約資源的基本國策更是要進行充分的落實。與傳統(tǒng)型配電變壓器相比，緊湊型非晶合金油浸式變壓器具有空載損耗低、節(jié)省能源的基本特征，在實際使用過程中其節(jié)能減排的效果更好。非晶金屬材料本身就是一種節(jié)能效果比較好的材料，能夠節(jié)省實際運行過程中的電力消耗，從而減少電廠的發(fā)電量，二氧化碳、二氧化硫等有害物質(zhì)的排放自然也就減少了，對于降低環(huán)境污染、溫室效應(yīng)有著積極的影響[ 3 ] 。

       3.2 變壓器運行效率高

       緊湊型非晶合金油浸式變壓器具有高超載能力和高機械強度，當(dāng)非晶鐵心在通過較高頻率磁通時， 仍具有低鐵損及低激磁電流的特性， 不會產(chǎn)生鐵心飽和的問題，其耐諧波能力也比較強[ 4 ]。由此可見，緊湊型非晶合金油浸式變壓器在正常運行的過程中，很少會受到外界因素的影響，只要緊湊型非晶合金油浸式變壓器的質(zhì)量不存在任何問題，它就能夠始終保持著高速運轉(zhuǎn)的效果，與傳統(tǒng)型配電變壓器相比，緊湊型非晶合金油浸式變壓器的運行效率非常高。

       3.3 降低電網(wǎng)線損情況

       從現(xiàn)階段我國配電網(wǎng)損耗的情況下來看， 其中由于配電變壓器損耗而導(dǎo)致的電網(wǎng)損耗占3 0 % 到7 0 %，是造成配電網(wǎng)損耗的主要原因。在配電變壓器損耗當(dāng)中， 占主要部分的是配電變壓器空載造成的損耗。由此可見， 要想降低電網(wǎng)線損的情況，必須要改善配電變壓器空載造成的損耗。另外，從緊湊型非晶合金油浸式變壓器自身性質(zhì)的角度來看，緊湊型非晶合金油浸式變壓器在實際運行的過程中，其運轉(zhuǎn)溫度比較低，主絕緣結(jié)構(gòu)老化的現(xiàn)象非常緩慢，從而增加了緊湊型非晶合金油浸式變壓器的使用壽命，對于降低電網(wǎng)線損有很大的幫助[ 5 ] 。

       4 緊湊型非晶合金油浸式變壓器主絕緣結(jié)構(gòu)的設(shè)計

       4.1 主絕緣距離的選取和結(jié)構(gòu)設(shè)計

       目前， 電力企業(yè)和配電變壓器制造業(yè)最關(guān)心的就是緊湊型非晶合金油浸式變壓器的經(jīng)濟性問題，本文選擇了2605SA1 和2605HB1 兩種非晶合金帶材進行分析，其飽和磁通密度分別是1.57T 和1.64T，疊片系數(shù)為0 .84。根據(jù)研究結(jié)構(gòu)對非晶合金油浸式變壓器主絕緣結(jié)構(gòu)的設(shè)計進行優(yōu)化，使非晶合金油浸式變壓器的主絕緣結(jié)構(gòu)更加緊湊，從根本上降低非晶合金油浸式變壓器的制作成本。在選擇主絕緣結(jié)構(gòu)距離的時候，一般以油隙耐電強度為參考依據(jù)。從放電機理的角度進行分析，只有油中出現(xiàn)局部放電的情況，才可能會產(chǎn)生閃絡(luò)放電的現(xiàn)象，因此其油隙耐電強度也就是爬電最開始的場強。

      由此可見，如果是10kV 等級的非晶合金油浸式變壓器， 其主絕緣結(jié)構(gòu)之間距離的最小值為3.6mm。如果是35kV 等級的非晶合金油浸式變壓器，其主絕緣結(jié)構(gòu)之間距離的最小值為18mm。在非晶合金油浸式變壓器主絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中，為了改善端部的電場分布情況，需要將鐵圈到鐵軛距離按1.5 到4 倍的主空道距離考慮，最大限度的減小非晶合金油浸式變壓器主絕緣結(jié)構(gòu)之間的距離，使非晶合金油浸式變壓器主絕緣結(jié)構(gòu)的距離更加的緊湊。傳統(tǒng)型與緊湊型主絕緣距離結(jié)構(gòu)的設(shè)計圖1 所示。

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圖1 傳統(tǒng)型與緊湊型主絕緣

距離結(jié)構(gòu)的設(shè)計

       4.2 緊湊型非晶合金油浸式變壓器主絕緣結(jié)構(gòu)電場計算

       在主絕緣距離的選取和結(jié)構(gòu)設(shè)計工序完成之后， 還需要確定緊湊型非晶合金油浸式變壓器主絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計是否合理， 因此要對主絕緣結(jié)構(gòu)進行計算驗證。為了能夠更加直觀的了解到緊湊型非晶合金油浸式變壓器主絕緣結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢， 本文將緊湊型與傳統(tǒng)型的非晶合金油浸式變壓器主絕緣結(jié)構(gòu)進行對比。傳統(tǒng)型與緊湊型的非晶合金油浸式變壓器主絕緣結(jié)構(gòu)的計算模型如圖2 、圖3所示。

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圖2 10kV 緊湊型非晶合金油浸式

變壓器主絕緣結(jié)構(gòu)計算模型

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圖3 緊湊型非晶合金油浸式變壓器

主絕緣結(jié)構(gòu)計算模型

       本文采用有限元分析軟件對傳統(tǒng)型與緊湊型非晶合金油浸式變壓器主絕緣結(jié)構(gòu)的計算模型進行分析，需要進行計算的區(qū)域有兩種，一種是變壓器油，另一種是充分吸油的絕緣板。經(jīng)過分析得出，變壓器油的相對介電常數(shù)為2.2 ， 而充分吸油的絕緣板的相對介電常數(shù)為3.6。傳統(tǒng)型與緊湊型非晶合金油浸式變壓器主絕緣結(jié)構(gòu)電場強度在不同的介質(zhì)中其分布也會發(fā)生一定的變化，而變壓器油的相對介電常數(shù)比充分吸油的絕緣板的相對介電常數(shù)要低，所以變壓器油所承受的電場強度相對較高。當(dāng)電場強度從充分吸油的絕緣板進入到油隙后， 其電場強度立即升高; 當(dāng)電場強度從油隙災(zāi)進入到充分吸油的絕緣板中， 其電場強度立即降低。

       4.3 主絕緣電場計算結(jié)構(gòu)

       為了驗證緊湊型非晶合金油浸式變壓器主絕緣結(jié)構(gòu)距離設(shè)計的可靠性，對各種不同主空道與線圈到鐵軛距離組合的主絕緣結(jié)構(gòu)進行有限元分析計算，經(jīng)過計算最終得出結(jié)論：10kV 和35kV 絕緣距離組合分別為（3.6mm，12.5mm）和（18mm，4 0mm）是可靠的和緊湊的。

       4.4 緊湊型非晶合金油浸式變壓器主絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計特點

       通過緊湊型非晶合金油浸式變壓器主絕緣結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)型配電變壓器的相互比較，我們發(fā)現(xiàn)緊湊型非晶合金油浸式變壓器主絕緣結(jié)構(gòu)在實際應(yīng)用中具有很多的好處，不僅能夠降低非晶合金油浸式變壓器的制造成本，還能夠提高非晶合金油浸式變壓器的運行效率， 實現(xiàn)“節(jié)能減排”的基本目標(biāo)。在緊湊型非晶合金油浸式變壓器主絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，如果是10kV 的緊湊型非晶合金油浸式變壓器主絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計， 主絕緣結(jié)構(gòu)之間的距離應(yīng)該從7mm 縮小至3.6mm; 如果是35kV 的緊湊型非晶合金油浸式變壓器主絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計，主絕緣結(jié)構(gòu)之間的距離應(yīng)該從23mm 縮小至18mm [ 6 ]。緊湊型非晶合金油浸式變壓器主絕緣結(jié)構(gòu)在設(shè)計的時候，會在端部設(shè)置角環(huán)， 這樣做的主要目的就是為了提高油隙的耐電強度，同時提高了油隙與充分吸油的絕緣板之間的閃絡(luò)電壓。由此可見，實現(xiàn)非晶合金油浸式變壓器主絕緣結(jié)構(gòu)的緊湊設(shè)計是可行的。

       5 緊湊型非晶合金油浸式變壓器主絕緣系統(tǒng)模型與擊穿電壓

       測試為了能夠更加詳細(xì)的了解緊湊型非晶合金油浸式變壓器主絕緣結(jié)構(gòu)的實際效果， 還需要對緊湊型非晶合金油浸式變壓器主絕緣系統(tǒng)模型進行分析，對緊湊型非晶合金油浸式變壓器進行擊穿電壓測試。根據(jù)圖1 、圖2 來制作緊湊型非晶合金油浸式變壓器主絕緣系統(tǒng)模型，并且將模型保存在真空干燥箱中，當(dāng)模型完全干燥之后，就可以開始對10kV 和35kV 的模型進行工頻耐壓試驗和雷電沖擊試驗。在試驗中我們發(fā)現(xiàn)， 擊穿是從局部放電開始的，對這外部施加電壓的增加， 局部放電的現(xiàn)象越來越顯著，直到擊穿模型為止。

        6 結(jié)語

       綜上分析可知， 非晶合金油浸式變壓器的應(yīng)用能夠帶給電力企業(yè)很多便利， 但是由于其造價比較昂貴，所以在實際工作中的應(yīng)用并不是非常普遍。要想降低非晶合金油浸式變壓器的生產(chǎn)成本，又不會影響非晶合金油浸式變壓器的使用效果，就應(yīng)該采用低介電常數(shù)、耐高溫和高導(dǎo)熱的固體絕緣材料， 或者通過提高變壓器油的相對介電常數(shù)的方式來縮小非晶合金油浸式變壓器的尺寸，從而獲得更加穩(wěn)定、可靠、緊湊的非晶合金油浸式變壓器主絕緣結(jié)構(gòu)。