1. 简介
酯液成功地应用于配电变压器和牵引变压器已有多年。然而，当应用于高电压、大容量和尺寸较大的电力变压器时，酯液还具有其他一些特性，需要仔细考虑。在电力变压器中酯液的可靠设计和应用中，在小型变压器中可能不重要的问题变得极为重要。一些文献确定了酯液在用于电力变压器之前必须研究的几个性能特性。下面几节将考虑一些重要特征的影响。
在使用酯液设计大中型电力变压器时，设计者需要考虑矿物油和酯液之间在性能、特性和材料参数方面的许多显著差异。通过多年的运行和试验经验，对矿物油填充电力变压器的介电性能和热性能的设计计算和设计规则进行了研究和不断完善。因此，在理论、分析和实验研究的基础上，结合多年来矿物油填充变压器设计的经验，制定相应的设计计算和设计规则，对设计可靠的酯液填充电力变压器至关重要。本文的这一部分介绍了为开发酯液填充电力变压器的设计指南和计算而进行的调查的结果。本节还介绍了酯液的不同性质和特性对变压器的铁芯和绕组的设计有何影响，以及在设计这些变压器时应如何考虑这种影响，以便达到与矿物油填充电力变压器相同或更好的性能和可靠性水平。在选择、设计和确定用于酯液填充电力变压器的套管和分接开关的电压和电流额定值时必须考虑的因素见第2.3节。
2.1 绝缘设计注意事项
在由液体和固体绝缘材料组成的绝缘系统中，固体和液体介质之间的电应力分布取决于液体和固体材料的介电常数的相对值。酯类绝缘液的介电常数通常高于矿物油的介电常数，接近纸板和绝缘纸的介电常数。由于酯液/隔板系统的介电常数匹配较好，固体和液体之间的应力分布差异远小于矿物油/隔板系统。这样做的一个结果是，在酯液填充的绝缘系统中，局部放电发生电压要比矿物油绝缘系统略高。测试结果还表明，对于较小的绝缘距离，酯液在AC和LI应力下的平均击穿电压是相似的。这些发现解释了十多年来酯液在配电变压器上的成功应用，使用的介质准则与矿物油相同。
矿物油和酯类液体之间的介电性能差异表现在较长的绝缘间隙，也取决于电极结构。变压器中的闪络是电极之间的流注放电沿整长工度移动的结果。闪络现象在物理上可分为两个过程：即起始和传播，每个都有鲜明的特征。从已经完成的研究来看，很明显，起始过程始于高电场区域，而传播则只需要低得多的局部电场。现在人们已经很清楚，酯液和矿物油之间的放电起始是相似的。因此，评估主要是放电引发过程的测试方法不足以突出矿物油和酯液之间的介电差异。例如，在小间隙中均匀交流电场下的标准介电试验需要更高的击穿电场。由于电场强度高，传播距离短，流注放电和闪络几乎同时发生。因此，酯液和矿物油之间的差异不容易辨别。此外，这种高的电场在实际变压器几何形状中是不现实的，当有颗粒存在时，通常会导致半均匀场和非均匀场。
酯液与矿物油介电性能的主要区别在于流注放电在非均匀场中的传播，特别是在长间隙中。在非均匀场下，随着间隙长度的增加，在LI和AC应力作用下酯液中的击穿电压低于矿物油中的击穿电压。此外，加速电压(表示流注放电从“慢”事件转变为“快”事件的电压)在酯液中显著低于矿物油中。快速流注放电通常更危险，因为它们在短时间间隔内在液体中传播的距离更长，从而增加了变压器完全电击穿和可能故障的风险。此外，在酯液中，从慢到快的流注放电的转变只发生在略高于平均击穿电压的电压下，而在矿物油中，平均击穿电压和加速电压之间存在较大的电压差异(图1)。在LI电压下，正极性流注放电比负极性流注放电的差异更明显。在LI电压下，隔板的存在对矿物油中的加速电压有显著影响，但对酯液中的加速电压没有影响。
图1 针-板模型中带和不带纸板的正极性流注放电速度(Va =加速电压，Vb =平均击穿电压)
矿物油和酯液的介电特性的差异并不限制酯液在高压电力变压器中的使用。然而，制造商必须理解这些差异和相似之处在变压器设计上的含义，并且必须用适当的尺寸规则来处理它们。如果不这样做，则会增加酯液填充电力变压器在试验时或在运行中发生绝缘故障的风险。
由于酯液的粘度明显高于矿物油，酯液通过绕组、铁心和冷却设备的流量低于矿物油，导致顶层油、绕组和铁心温度相对更高。与矿物油相比，酯液具有更高的导热系数和略高的热容。然而，这些较好的热性能只是稍微补偿酯液较高粘度对大中型电力变压器的负面影响。其中热传递主要由对流控制。因此，有必要：
(1) 优化绕组、铁心和冷却系统的设计，以改善变压器中酯液的热动力。
这只有通过对绕组、铁心和冷却设备中酯液的热动力学进行适当的建模才能实现。本文的这一部分介绍了一些热设计考虑因素，以实现降低酯液对铁心和绕组温度的不利影响。
酯液对电力变压器铁心热点和表面热点温度的影响有以下几点:
1. 冷却管道中流体的有效传热系数是冷却管道的几何形状以及流体的导热率和粘度决定的。
2. 以酯液作为各层叠片之间的传导介质，可使叠片层间的导热率提高。
3. 酯液对油箱顶部和底部油温度的影响以及对绕组顶部油温度的影响
为了准确预测酯液对铁心温度的影响，我们进行了严格的热模拟来评估上述影响。下表1将某50MVA变压器空载110%过励磁测试时计算得到的铁心热点和表面热点(高于周围流体温度)的温度梯度与实测值进行了比较。表中显示了测量值和计算值之间的一致性良好。表2将酯液对铁心温度梯度影响的计算值与空载时的实测值进行了比较。
表1 – 在空载下计算与测量的铁心温度梯度,ºC
表2 -空载时酯液对铁心温度影响的计算值与测量值，ºC
采用相同的建模技术，计算了在变压器满负荷运行时，不同直径、不同材料、不同磁通密度和不同冷却油道数量的铁心，酯液对铁心热点和铁心表面热点梯度的影响。下面表3给出了具有3个冷却油道的叠片的计算结果示例。正如预期的那样，最大的影响是在油道之间的铁心部分的内部。
表3 -酯液对三个油道铁心温度梯度的计算影响，ºC
由此可见，对于酯液填充的变压器，需要进行铁心热点和铁心表面热点梯度的精确计算。此外，在设计这些变压器的铁心时，应该考虑降低这些温度的方法(在需要时)，使用已开发的计算和优化影响铁心温度的铁心和冷却设计参数。
酯液对电力变压器绕组平均温度和热点温度的影响主要由绕组内流体的速度、绕组油道的尺寸以及酯液对油箱中油温差的影响决定。为了准确预测酯液对绕组温度的影响，采用严格的热模拟方法来对上述影响进行了评价。
下面的图2 (a)给出了在满负载情况下，在填充矿物油和填充酯液时，中型电力变压器低压饼式绕组水平油道中的油流速度计算结果。图中显示了酯液速度的大幅降低，以及在油导向分区之间的单个绕组段内流体速度的显著下降。如图2 (b)所示，这将转化为更高的绕组温度，以及顶部和底部绕组温度之间更大的温差。导致酯液填充电力变压器的绕组热点显著升高。
(a)水平油道中的油流速度
(b)绕组线饼的温度
图2 电力变压器饼式绕组中油流速度和温度的计算结果
由此可见，我们需要对填充酯液变压器的冷却系统、油箱的油和绕组的整个热回路进行精确的建模，并使用这样的模型来优化变压器的绕组设计，以降低油和绕组的温度，以满足保证的水平。
2.3 套管和分接开关的设计注意事项
在酯液应用中，很容易忽略检测变压器附件的必要性。这是由于通常只关注变压器本身，无论安装是新的还是对现有设备的改造。所有附件，特别是套管和分接开关(有载和无励磁)，都需要进行测试和验证，以确保在酯液应用中具有正确的尺寸和功能。
分接开关中的液体不仅具有冷却和绝缘的作用，还可以熄灭电弧和润滑机械运动部件。根据分接开关的类型，它所受到的应力的严重程度和大小不同。如果分接开关是油中拉弧型，则分接开关应配备滤油装置。在切换过程中，电弧在拉弧过程中会分解油。这个过程的残留物是油烟和残留在油中的水分。与矿物油相比，酯类油的油烟沉降时间更长，吸湿性更高。如果使用油中拉弧型分接开关，重要的是不要让氧气和水分进入分接开关室，而要让电弧气体逸出。如果使用真空技术的分接开关，则可能不需要此要求。当使用酯液时，套管在闪络距离方面相当关键。由于流注速度、结束长度等性能与套管周围电场的不同，有必要更改配电电压水平以上套管的设计准则。
此外，酯液的粘度通常高于矿物油。但是，它在低温下粘度非常高，在运行温度下显著下降。因此，有必要全面了解酯液填充的高压套管在整个液体温度范围内的介电性能和热性能。在此背景下，值得注意的是，不仅酯液和矿物油不仅雷电冲击特性不同，而且在传输电压下，酯液与矿物油的AC特性也不同。
3. 酯液填充电力变压器制造的注意事项
用酯液制造电力变压器需要不同的工艺和质量标准。为了确保运行中油的质量良好，必须确保与油接触的所有材料都是兼容的；例如，这些材料不会将离子污染物渗透到油中，也不会与油发生某种方式的反应。变压器中最常用的材料(铜、钢、铝、纤维素等)都与酯液相容。某些橡胶可能与某些酯液兼容，也可能不兼容，这取决于橡胶中所使用的填充材料的成分。因此，使用ASTM方法D3455检查可能与油接触的橡胶样品是很重要的，但是要在氮气环境中进行老化。这包括垫圈、胶囊、输油管和组件。如果对某种材料有疑问，建议检查其兼容性。
由于酯液对水分有较高的亲和力，因此有必要在生产过程和运行过程中避免油暴露在大气中。此外，一些酯液表现出较差的氧化稳定性。由于这些原因，酯液填充电力变压器通常采用氮气密封或带胶囊的恒压油系统(密封的COPS)。
再次，由于酯液的粘度比矿物油高，纤维素结构的浸渍速度较慢。纤维素浸渍不充分时会在固体绝缘中留下气泡，这可能会在绝缘测试中产生局部放电甚至绝缘击穿。因此，在变压器接受任何绝缘强度测试之前，必须进行模拟和测试以便找到足够的浸渍时间。
在酯液中加入少量矿物油可以降低酯液的闪点和燃点。另一方面，矿物油中加入少量酯液，增加了矿物油的带电趋势，使其超过了可接受的限度。因此，如果矿物油和酯液使用同一处理设备注入到变压器，确保油的交叉污染尽
量少是很重要的。
4. 对变压器运行的考虑
出于多种原因，从环境效益到降低保险费，酯液已被用于已在运行的变压器的换油。
电力变压器的换油需要经过合格的工程评估，因为可能需要在设计上考虑到矿物油和其他液体之间的差异。
当来自OEM的变压器设计详细信息可用时，人们可以应用知识、工具和规则来设计新的酯液填充的变压器，以准确地预测用新液体填充的变压器的性能。
然而，设计信息通常是保密的，不容易获得。
在这种情况下，必须做出工程判断来评估充入酯液时变压器的性能。
例如，一种可能是使用工厂测试的数据来估计绕组间内部热流分布和预测绕组中不同的液体特性和液体温度的影响。
在换油前，确认变压器的状况以及之前安装的部件的可靠性也是很重要的。
为此需要进行油样分析和额外的现场测试，并为变压器今后的监测和维护提供新的基础。
换油过程需要很好的控制，以尽量减少变压器中残存的矿物油量。
虽然矿物油和酯液完全可以混溶，但过多的矿物油残留会降低酯液的防火性能。
在维护和诊断方面，酯液和矿物油对被测变压器或在其使用寿命期间的满意性能的要求是相同的。而对矿物油在变压器中的性能有直接影响的一些参数对酯液的影响不大。例如，矿物油功率因数的增加与介电击穿强度的降低有直接关系，而酯液则不存在这种关系。酸值也是如此。类似地，界面张力被用来确定矿物油中极性污染物的存在。由于酯液是由极性分子组成的，界面张力的效果变得不那么显著。因此，对于用户来说，了解哪些参数直接影响酯液的热性能和介电性能并监测这些参数是很重要的。对于酯液，最重要的参数是直接影响击穿强度的相对湿度和直接影响变压器热性能的粘度。如果测量其他参数，应注意其诊断阈值将与矿物油的阈值显著不同。
酯液的电导率(电阻率的倒数)比矿物油的电导率大约高两个数量级。因此，浸渍在酯液中的干燥纤维素的抗氧化性能自然低于浸渍在矿物油中的干燥纤维素。因此，为矿物油系统建立的典型的最小绝缘电阻值和温度修正系数都不适用于酯浸渍系统。对于充满酯液的变压器，需要采用一套不同的绝缘电阻测量诊断规则。
另一方面，击穿电压是一个重要的特征监测。油的介电击穿强度决定了它在测试期间以及在其使用寿命内各种操作和故障条件下承受施加在其上的电应力的能力。特别重要的是水分、微粒和使用寿命对油的介电击穿强度的影响。关于水分，已经证明，击穿强度的恶化最好用水分的相对饱和来表示，而不是用绝对含水量来表示。测量了高油酸天然酯液体，以检查水分和颗粒污染对击穿电压的影响。图3显示了在无污染和高污染水平下(100毫升中5μm尺寸铜颗粒的最大数量= 130000和20μm尺寸的最大数量= 16000)的水分和污染的影响。其他研究人员对其他酯类液体[11]也取得了类似的结果。结果表明，用酯液替代矿物油对击穿强度没有不利影响，已为矿物油设定的击穿限值也适用于酯液。
a) 有铜颗粒污染
b) 没有铜颗粒污染
图3 -水分和颗粒对交流电压击穿的影响(ASTM D1816 - 2mm间隙)
油体老化引起的粘度变化也需要监测，因为它会影响冷却系统的性能，特别是电力变压器。天然酯液的脂肪酸组成决定了它们对热、氧和光照的长期稳定性。酯液降解的标志之一是粘度的增加和低温下产生的气体(通常是氢气和乙烷)。根据应用的不同，可能需要考虑热、氧或光(紫外线和红外线)对所选酯液粘度的影响。
在相同的故障条件下，酯液与矿物油产生相同类型的气体，但浓度不同。解释矿物油变压器中溶解气体的分析方法同样适用于填充酯液的变压器。然而，这些方法中使用的故障气体的浓度和比例的限制必须适用于所选的酯液。如果所选的酯液容易析气，则在解释规则中应考虑这一事实。
在酯液中纸张寿命可延长的优点促使一些研究人员对其原因进行量化和调查，并评估其在电力变压器设计和制造中的潜力。另一种量化这种优点的方法是用同等寿命下的温升。最近的测量表明，天然酯浸渍的纤维素绝缘的温度优势至少为20°C。根据该数据，可以选择以下表4所示的天然酯填充电力变压器的温升限值:
顶层油温升(K) 90
绕组平均温升(K) 80
在这种情况下，填充天然酯的变压器可以设计得更紧凑，以便在更高的温度下连续运行，或者填充酯液的变压器运行在传统温度下，增加了超铭牌运行时的灵活性。
6. 结论
本文介绍了作者的调查、计算和测量结果，确定了在设计制造酯液填充电力变压器以及旧的矿物油变压器用酯液换油填充时需要考虑的因素。
1. 矿物油和酯液介电性能的差异体现在非均匀场和大的绝缘间隙中。主要的区别在于流注放电的传播行为，在较低的电压下，酯液中比在矿物油中，瞬态行为发生的速度更快。在设计高电压的酯液填充变压器时，这些差异的含义必须用适当的尺寸规则来解决。
2. 在典型的工作温度范围内，酯液的粘度通常比矿物油高。这对较小的变压器的热特性没有显著影响，但对较大的变压器是有显著影响的。这种高粘度的影响是增加了铁心的热点和表面温度，降低了油在绕组中的流速，绕组顶部和底部的温差更大，绕组顶部油温度更高，以及绕组热点温度显著升高。因此，在设计这类变压器时，需要对变压器的整个热流回路进行精确的建模，以便对铁芯和绕组的设计参数进行适当的选择，以确保所有的温度都满足保证的水平。
3. 由于酯液和矿物油之间介电常数和热特性的差异，有必要对所有附件，特别是分接开关(包括有载和无励磁开关)和套管进行测试和验证，以确保在酯液应用中具有相匹配的尺寸和功能。
4. 在制造过程中，应遵守适当的处理程序，以避免酯液过度暴露于大气和接触污染物。确保变压器中所有固体绝缘结构的充分浸渍也是重要的。
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5. 当旧矿物油填充的电力变压器重新填充酯液时，应进行合格的工程评估，以发挥酯液的优点，但不影响变压器的性能和可靠性。
在运行过程中，一些油质参数(如功率因数、酸值、界面张力)与酯液条件的相关性不同。此外，一些根据矿物油填充电力变压器绝缘状况的诊断参数需要根据酯液的特殊特性加以不同的考虑。
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