特型變壓器FR3油與礦物油溫升試驗對比與分析

龐建麗

（保定天威集團特變電氣有限公司，河北 保定 071056）

0 引言

近年來，植物絕緣油以其綠色環保和不亞于礦物油的絕緣特性被廣泛用于油浸式變壓器領域。對新油的研究勢必要走出試驗室，慢慢在不同電壓等級、不同類型的變壓器上進行應用[1]。FR3油是該公司植物油實體產品應用中使用較多的油品。

變壓器用FR3油的特性雖可參閱一些油品廠商提供的技術資料及部分研究文獻，但其在產品應用中的溫升實例介紹很少，且鮮有在特型產品中的應用實例，因此FR3油在特型產品中的溫升試驗及其結果數據更顯珍貴[2]。

筆者所在公司在出口美國的2臺同套圖紙同批生產的ZSSI-18800/34.5產品上分別做了普通礦物油與FR3植物油的溫升試驗。并對FR3油特性以及產品結構、溫升結果進行分析。

1 廠商提供的FR3油與礦物油溫升相關特性對比

1.1 熱傳導性能

隨著溫度的升高，FR3油與普通礦物油的熱傳導性均有所下降，FR3油在相同溫度下的熱傳導性能優于普通礦物油，約為1.5倍，如圖1所示。

圖1 熱傳導性能曲線圖

1.2 運動黏度

隨著溫度的升高，FR3油與普通礦物油的運動黏滯度均有所下降，更易流動。但FR3油的黏度在相同溫度下還是比普通礦物油大。例如在40℃時，FR3油黏度34 mm2/s，而普通礦物油的黏度9.2 mm2/s。

2 特型產品的基本情況

2.1 產品基本信息

產品型號：ZSSI-18800/34.5

額定容量：18800/ 6×3133 kVA

電壓組合：34.5±2×2.5%/ 6×1.69 kV

連接組別：Yd（10：20）d（11：00）d（11：40）+ Dd（11：20）d（0：00）d（0：40）

額定頻率：60 Hz

冷卻方式：KNAN

溫升限值：油面55K，繞組65K

2.2 產品基本結構簡介

該產品為雙器身共箱結構，兩器身高壓并聯，每個器身低壓分為軸向三裂解。高壓引出ABC，低壓側基本線圈與移相線圈（或串聯線圈）通過線圈匝數和引線連接實現移相出不同角度，3 低壓器身Ⅱ引出另3組B1（abc）B2（abc）B3（abc）組成單機36脈波整流變壓器。

2.3 產品影響溫升的相關結構

鐵心直徑 Ф390 mm；窗高Hw=1 865 mm；中心距Mo=730 mm。線圈排布及尺寸示意見表1（單位mm）。

表 1 線圈排布示意表

器身排布簡圖如圖2所示。

圖2 單個器身各繞組輻向排布圖

3 試驗結果及分析

3.1 產品溫升試驗數據對比

產品溫升試驗數據對比見表2。

表 2 溫升實測值對比

3.2 數據分析

針對表2各部分進行分析如下。

3.2.1 油平均及油頂層溫升（單位K）

從試驗表3結果實際差值看，FR3油平均溫升比礦物油低3.1 K，油頂層溫升卻高出2.8 K，充分體現了FR3油導熱性好，但運動粘滯度高，不易流動的兩大物理特性。

表 3 油平均及油頂層溫升（單位K）

3.2.2 繞組銅油溫差及繞組平均溫升

由表2試驗數據可知在2種油中自下而上的各二次繞組溫升由低到高，圖2中各繞組符合在油中位置與散熱及溫升的普遍規律。

3.2.2.1 處于器身下部的A3、B3線圈溫升（單位K）

從表4中得知，處于器身下部的A3、B3線圈在FR3油中其銅油溫差比在礦物油中略高1 K左右，但其線圈平均溫升卻均低2 K左右。

表 4 處于器身下部的A3、B3線圈溫升（單位K）

3.2.2.2 處于器身中部的A 2、B 2線圈溫升（單位K）

從表5中得知，處于器身中部的A2、B2線圈在FR3油中其銅油溫差比在礦物油中高5 K以上，線圈平均溫升高2 K左右。

表 5 處于器身中部的A2、B2線圈溫升（單位K）

3.2.2.3 處于器身上部的A1、B1繞組線圈溫升（單位K）

從表6看，處于器身上部的A1、B1線圈在FR3油中其銅油溫差比在礦物油中高10 K以上，其繞組平均溫升高出7.3 K及8.8 K，相當可觀，其運動黏滯度比礦物油大的物理特性，對處于該位置的繞組散熱很不利。處于該位置的繞組在FR3油中，其銅油溫差需要按常規設計+5 K以上的余量，或根據更多試驗數據調整計算系數。

表 6 處于器身上部的A1、B1線圈溫升（單位K）

3.2.3 低壓上中下繞組同油溫差對比（單位K）

由表7可見，在FR3油中，繞組沿高度方向，其銅油溫差較大，最頂部的線圈比最底部的銅油溫差大15/14.4K，而在礦物油中，差值僅為5.9/3.2。

表 7 低壓上中下線圈銅油溫差對比（單位K）

由此可見，油箱內處于較低位置的較冷的冷卻油并不能很完全順利推送到頂部，FR3油運動黏滯度比礦物油大的物理特性對處于較高位置的繞組散熱很不利。因此，建議該處繞組的縱向及輻向油隙應適當加大。

3.2.4 高壓繞組

與礦物油相比較，高壓繞組在FR3油中的銅油溫差需要提高5 K的余量，或根據更多試驗數據調整。

3.2.5 繞組溫升

繞組溫升為限值，不允許有正偏差，故溫升計算當以上述各組繞組數據中最為惡劣的數據為計算依據。

繞組平均溫升=銅油溫差+油平均溫升

油平均溫升高出部分+0.7K，銅油溫差最大差值+5.3K，繞組平均溫升應在常規礦物油計算基礎+6K，或根據更多試驗數據調整計算系數。

4 結論

FR3油的運動黏度較大，對繞組的散熱不利，設計時需要格外關注繞組的輻向、縱向油隙。

基于本產品的結構特點，施加工況與計算結果相差不大的情況下，從試驗結果分析，FR3油對油頂層及油平均溫升的影響略小于對繞組的溫升。油平均溫度基本與常規計算一致，油頂層溫升按常規計算后另留3 K欲量應可滿足要求。繞組溫升應加大裕度。根據本產品頂部低壓繞組試驗結果，計算上留6 K欲量為宜。

鑒于FR3油運動黏滯度較大的特性，在變壓器器身結構設計時，需要對繞組的油道結構進行適當修正，增大油流通道，確保溫升滿足要求。因此建議產品器身結構設計時注意以下幾點。1）加大餅間油隙，尤其產品輻向較大時更需注意。2）關注各線圈內外側的第一油。3）合理布置油道導向通路。4）適當擴大器身底部、頂部的端圈處有效進出油口。5）與油路相關的線圈、端圈注意控制理論直徑尺寸。