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The News緊湊型非晶合金油浸式變壓器主絕緣結構設計的方法分析
[ 發布時間：2018-09-19 13:48:00 信息來源：全德電氣股份 ]
摘 要：非晶合金變壓器是一種節能型的變壓器, 具有使用損耗低、用電效率高的基本特征, 在電力企業中的應用已經非常普遍。隨著科學技術的不斷完善,科學家研制出了一種能夠使非晶合金配電變壓器更加緊湊、更加經濟的結構—緊湊型非晶合金油浸式變壓器主絕緣結構。這種結構與傳統型主絕緣結構相比, 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, 在使用過程中是非常可靠的。本文通過對比緊湊型非晶合金油浸式變壓器主絕緣結構與傳統型主絕緣結構之間的差異, 了解緊湊型非晶合金油浸式變壓器主絕緣結構的實用性。
關鍵詞：緊湊型非晶合金油浸式變壓器；主絕緣結構；結構設計；方法分析
隨著工業化進程的逐漸加快， 各種有害物質的排放給全球環境造成了嚴重的壓力，保護環境、節約資源已經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，更應該深刻的認識到環境保護的重要性。非晶合金油浸式變壓器具有損耗低、節能效果高等優勢，在電力領域中的應用非常廣泛。但是，傳統型非晶合金油浸式變壓器在設計過程中主絕緣結構的距離過大，大大提高了變壓器的制造成本，不利于變壓器產業的經濟發展，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，是一種節能型的變壓器，在電力企業中的應用非常廣泛。尤其是在倡導“節能減排”的大環境下，非晶合金變壓器更是受到了市場的高度關注。但是，從目前非晶合金變壓器在市場中的銷售情況來看，其產業的發展狀況卻不是非常樂觀，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，很多企業都因為無法負擔昂貴的成本而選擇了放棄。面對傳統型非晶合金變壓器行業產能過剩的困境，國家開始鼓勵發展節能型、智能化、經濟化的非晶合金變壓器，對非晶合金變壓器主絕緣結構的設計作出進一步的改進，并且制定的一系列的優惠政策和激勵制度促進變壓器產業的發展，滿足電力企業對變壓器的各種需求，從而提高產品的附加值和企業的經濟利潤， 為企業的可持續發展提供基本保障[ 1 ] 。
2 傳統型非晶合金油浸式變壓器存在的問題
近幾年來，傳統型非晶合金油浸式變壓器在電力企業中的應用越來越普遍，在保護環境、節約能源方面的效果都比較顯著。但是，傳統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，其節能效果有了很大程度的提升。但是，傳統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比普通的配電變壓器要低，因此傳統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，傳統型非晶合金油浸式變壓器的體積過大，就會導致其主絕緣結構之間的距離過大，大大的提高了傳統型非晶合金油浸式變壓器的制作成本，其經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中占據穩定的地位。
另外，傳統型非晶合金油浸式變壓器在設計的過程中，其主絕緣結構的設計也不是非常的合理， 很容易造成傳統型非晶合金油浸式變壓器局部絕緣的損壞，嚴重影響了傳統型非晶合金油浸式變壓器在電力系統中效果的發揮。主絕緣結構是傳統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，對傳統型非晶合金油浸式變壓器主絕緣結構設計的研究是非常必要的， 設計人員在不影響傳統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，從根本上降低傳統型非晶合金油浸式變壓器設計的經濟成本，真正達到節能降耗的目的[ 2 ] 。
3 緊湊型非晶合金油浸式變壓器的優勢
3.1 具有節能減排的效果
近幾年來，環境問題、資源問題造成的影響越來越嚴重，全世界都加強了對于節能減排計劃的重視， 各個領域都積極的將“節能減排”的計劃貫穿于企業經濟建設的全過程中。尤其是在工業化進程飛速發展的今天，保護環境、節約資源的基本國策更是要進行充分的落實。與傳統型配電變壓器相比，緊湊型非晶合金油浸式變壓器具有空載損耗低、節省能源的基本特征，在實際使用過程中其節能減排的效果更好。非晶金屬材料本身就是一種節能效果比較好的材料，能夠節省實際運行過程中的電力消耗，從而減少電廠的發電量，二氧化碳、二氧化硫等有害物質的排放自然也就減少了，對于降低環境污染、溫室效應有著積極的影響[ 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量不存在任何問題，它就能夠始終保持著高速運轉的效果，與傳統型配電變壓器相比，緊湊型非晶合金油浸式變壓器的運行效率非常高。
3.3 降低電網線損情況
從現階段我國配電網損耗的情況下來看， 其中由于配電變壓器損耗而導致的電網損耗占3 0 % 到7 0 %，是造成配電網損耗的主要原因。在配電變壓器損耗當中， 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，其運轉溫度比較低，主絕緣結構老化的現象非常緩慢，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構的設計
4.1 主絕緣距離的選取和結構設計
目前， 電力企業和配電變壓器制造業最關心的就是緊湊型非晶合金油浸式變壓器的經濟性問題，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，疊片系數為0 .84。根據研究結構對非晶合金油浸式變壓器主絕緣結構的設計進行優化，使非晶合金油浸式變壓器的主絕緣結構更加緊湊，從根本上降低非晶合金油浸式變壓器的制作成本。在選擇主絕緣結構距離的時候，一般以油隙耐電強度為參考依據。從放電機理的角度進行分析，只有油中出現局部放電的情況，才可能會產生閃絡放電的現象，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， 其主絕緣結構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，其主絕緣結構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構設計的過程中，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構之間的距離，使非晶合金油浸式變壓器主絕緣結構的距離更加的緊湊。傳統型與緊湊型主絕緣距離結構的設計圖1 所示。
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圖1 傳統型與緊湊型主絕緣
距離結構的設計
4.2 緊湊型非晶合金油浸式變壓器主絕緣結構電場計算
在主絕緣距離的選取和結構設計工序完成之后， 還需要確定緊湊型非晶合金油浸式變壓器主絕緣結構設計是否合理， 因此要對主絕緣結構進行計算驗證。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構的優勢， 本文將緊湊型與傳統型的非晶合金油浸式變壓器主絕緣結構進行對比。傳統型與緊湊型的非晶合金油浸式變壓器主絕緣結構的計算模型如圖2 、圖3所示。
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圖2 10kV 緊湊型非晶合金油浸式
變壓器主絕緣結構計算模型
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圖3 緊湊型非晶合金油浸式變壓器
主絕緣結構計算模型
本文采用有限元分析軟件對傳統型與緊湊型非晶合金油浸式變壓器主絕緣結構的計算模型進行分析，需要進行計算的區域有兩種，一種是變壓器油，另一種是充分吸油的絕緣板。經過分析得出，變壓器油的相對介電常數為2.2 ， 而充分吸油的絕緣板的相對介電常數為3.6。傳統型與緊湊型非晶合金油浸式變壓器主絕緣結構電場強度在不同的介質中其分布也會發生一定的變化，而變壓器油的相對介電常數比充分吸油的絕緣板的相對介電常數要低，所以變壓器油所承受的電場強度相對較高。當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; 當電場強度從油隙災進入到充分吸油的絕緣板中， 其電場強度立即降低。
4.3 主絕緣電場計算結構
為了驗證緊湊型非晶合金油浸式變壓器主絕緣結構距離設計的可靠性，對各種不同主空道與線圈到鐵軛距離組合的主絕緣結構進行有限元分析計算，經過計算最終得出結論：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構設計特點
通過緊湊型非晶合金油浸式變壓器主絕緣結構與傳統型配電變壓器的相互比較，我們發現緊湊型非晶合金油浸式變壓器主絕緣結構在實際應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“節能減排”的基本目標。在緊湊型非晶合金油浸式變壓器主絕緣結構設計過程中，如果是10kV 的緊湊型非晶合金油浸式變壓器主絕緣結構設計， 主絕緣結構之間的距離應該從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構設計，主絕緣結構之間的距離應該從23mm 縮小至18mm [ 6 ]。緊湊型非晶合金油浸式變壓器主絕緣結構在設計的時候，會在端部設置角環， 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電壓。由此可見，實現非晶合金油浸式變壓器主絕緣結構的緊湊設計是可行的。
5 緊湊型非晶合金油浸式變壓器主絕緣系統模型與擊穿電壓
測試為了能夠更加詳細的了解緊湊型非晶合金油浸式變壓器主絕緣結構的實際效果， 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模型，并且將模型保存在真空干燥箱中，當模型完全干燥之后，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。在試驗中我們發現， 擊穿是從局部放電開始的，對這外部施加電壓的增加， 局部放電的現象越來越顯著，直到擊穿模型為止。
6 結語
綜上分析可知， 非晶合金油浸式變壓器的應用能夠帶給電力企業很多便利， 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成本，又不會影響非晶合金油浸式變壓器的使用效果，就應該采用低介電常數、耐高溫和高導熱的固體絕緣材料， 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，從而獲得更加穩定、可靠、緊湊的非晶合金油浸式變壓器主絕緣結構。
關鍵詞：緊湊型非晶合金油浸式變壓器；主絕緣結構；結構設計；方法分析
隨著工業化進程的逐漸加快， 各種有害物質的排放給全球環境造成了嚴重的壓力，保護環境、節約資源已經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，更應該深刻的認識到環境保護的重要性。非晶合金油浸式變壓器具有損耗低、節能效果高等優勢，在電力領域中的應用非常廣泛。但是，傳統型非晶合金油浸式變壓器在設計過程中主絕緣結構的距離過大，大大提高了變壓器的制造成本，不利于變壓器產業的經濟發展，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，是一種節能型的變壓器，在電力企業中的應用非常廣泛。尤其是在倡導“節能減排”的大環境下，非晶合金變壓器更是受到了市場的高度關注。但是，從目前非晶合金變壓器在市場中的銷售情況來看，其產業的發展狀況卻不是非常樂觀，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，很多企業都因為無法負擔昂貴的成本而選擇了放棄。面對傳統型非晶合金變壓器行業產能過剩的困境，國家開始鼓勵發展節能型、智能化、經濟化的非晶合金變壓器，對非晶合金變壓器主絕緣結構的設計作出進一步的改進，并且制定的一系列的優惠政策和激勵制度促進變壓器產業的發展，滿足電力企業對變壓器的各種需求，從而提高產品的附加值和企業的經濟利潤， 為企業的可持續發展提供基本保障[ 1 ] 。
2 傳統型非晶合金油浸式變壓器存在的問題
近幾年來，傳統型非晶合金油浸式變壓器在電力企業中的應用越來越普遍，在保護環境、節約能源方面的效果都比較顯著。但是，傳統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，其節能效果有了很大程度的提升。但是，傳統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比普通的配電變壓器要低，因此傳統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，傳統型非晶合金油浸式變壓器的體積過大，就會導致其主絕緣結構之間的距離過大，大大的提高了傳統型非晶合金油浸式變壓器的制作成本，其經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中占據穩定的地位。
另外，傳統型非晶合金油浸式變壓器在設計的過程中，其主絕緣結構的設計也不是非常的合理， 很容易造成傳統型非晶合金油浸式變壓器局部絕緣的損壞，嚴重影響了傳統型非晶合金油浸式變壓器在電力系統中效果的發揮。主絕緣結構是傳統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，對傳統型非晶合金油浸式變壓器主絕緣結構設計的研究是非常必要的， 設計人員在不影響傳統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，從根本上降低傳統型非晶合金油浸式變壓器設計的經濟成本，真正達到節能降耗的目的[ 2 ] 。
3 緊湊型非晶合金油浸式變壓器的優勢
3.1 具有節能減排的效果
近幾年來，環境問題、資源問題造成的影響越來越嚴重，全世界都加強了對于節能減排計劃的重視， 各個領域都積極的將“節能減排”的計劃貫穿于企業經濟建設的全過程中。尤其是在工業化進程飛速發展的今天，保護環境、節約資源的基本國策更是要進行充分的落實。與傳統型配電變壓器相比，緊湊型非晶合金油浸式變壓器具有空載損耗低、節省能源的基本特征，在實際使用過程中其節能減排的效果更好。非晶金屬材料本身就是一種節能效果比較好的材料，能夠節省實際運行過程中的電力消耗，從而減少電廠的發電量，二氧化碳、二氧化硫等有害物質的排放自然也就減少了，對于降低環境污染、溫室效應有著積極的影響[ 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量不存在任何問題，它就能夠始終保持著高速運轉的效果，與傳統型配電變壓器相比，緊湊型非晶合金油浸式變壓器的運行效率非常高。
3.3 降低電網線損情況
從現階段我國配電網損耗的情況下來看， 其中由于配電變壓器損耗而導致的電網損耗占3 0 % 到7 0 %，是造成配電網損耗的主要原因。在配電變壓器損耗當中， 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，其運轉溫度比較低，主絕緣結構老化的現象非常緩慢，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構的設計
4.1 主絕緣距離的選取和結構設計
目前， 電力企業和配電變壓器制造業最關心的就是緊湊型非晶合金油浸式變壓器的經濟性問題，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，疊片系數為0 .84。根據研究結構對非晶合金油浸式變壓器主絕緣結構的設計進行優化，使非晶合金油浸式變壓器的主絕緣結構更加緊湊，從根本上降低非晶合金油浸式變壓器的制作成本。在選擇主絕緣結構距離的時候，一般以油隙耐電強度為參考依據。從放電機理的角度進行分析，只有油中出現局部放電的情況，才可能會產生閃絡放電的現象，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， 其主絕緣結構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，其主絕緣結構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構設計的過程中，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構之間的距離，使非晶合金油浸式變壓器主絕緣結構的距離更加的緊湊。傳統型與緊湊型主絕緣距離結構的設計圖1 所示。
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圖1 傳統型與緊湊型主絕緣
距離結構的設計
4.2 緊湊型非晶合金油浸式變壓器主絕緣結構電場計算
在主絕緣距離的選取和結構設計工序完成之后， 還需要確定緊湊型非晶合金油浸式變壓器主絕緣結構設計是否合理， 因此要對主絕緣結構進行計算驗證。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構的優勢， 本文將緊湊型與傳統型的非晶合金油浸式變壓器主絕緣結構進行對比。傳統型與緊湊型的非晶合金油浸式變壓器主絕緣結構的計算模型如圖2 、圖3所示。
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圖2 10kV 緊湊型非晶合金油浸式
變壓器主絕緣結構計算模型
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圖3 緊湊型非晶合金油浸式變壓器
主絕緣結構計算模型
本文采用有限元分析軟件對傳統型與緊湊型非晶合金油浸式變壓器主絕緣結構的計算模型進行分析，需要進行計算的區域有兩種，一種是變壓器油，另一種是充分吸油的絕緣板。經過分析得出，變壓器油的相對介電常數為2.2 ， 而充分吸油的絕緣板的相對介電常數為3.6。傳統型與緊湊型非晶合金油浸式變壓器主絕緣結構電場強度在不同的介質中其分布也會發生一定的變化，而變壓器油的相對介電常數比充分吸油的絕緣板的相對介電常數要低，所以變壓器油所承受的電場強度相對較高。當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; 當電場強度從油隙災進入到充分吸油的絕緣板中， 其電場強度立即降低。
4.3 主絕緣電場計算結構
為了驗證緊湊型非晶合金油浸式變壓器主絕緣結構距離設計的可靠性，對各種不同主空道與線圈到鐵軛距離組合的主絕緣結構進行有限元分析計算，經過計算最終得出結論：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構設計特點
通過緊湊型非晶合金油浸式變壓器主絕緣結構與傳統型配電變壓器的相互比較，我們發現緊湊型非晶合金油浸式變壓器主絕緣結構在實際應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“節能減排”的基本目標。在緊湊型非晶合金油浸式變壓器主絕緣結構設計過程中，如果是10kV 的緊湊型非晶合金油浸式變壓器主絕緣結構設計， 主絕緣結構之間的距離應該從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構設計，主絕緣結構之間的距離應該從23mm 縮小至18mm [ 6 ]。緊湊型非晶合金油浸式變壓器主絕緣結構在設計的時候，會在端部設置角環， 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電壓。由此可見，實現非晶合金油浸式變壓器主絕緣結構的緊湊設計是可行的。
5 緊湊型非晶合金油浸式變壓器主絕緣系統模型與擊穿電壓
測試為了能夠更加詳細的了解緊湊型非晶合金油浸式變壓器主絕緣結構的實際效果， 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模型，并且將模型保存在真空干燥箱中，當模型完全干燥之后，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。在試驗中我們發現， 擊穿是從局部放電開始的，對這外部施加電壓的增加， 局部放電的現象越來越顯著，直到擊穿模型為止。
6 結語
綜上分析可知， 非晶合金油浸式變壓器的應用能夠帶給電力企業很多便利， 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成本，又不會影響非晶合金油浸式變壓器的使用效果，就應該采用低介電常數、耐高溫和高導熱的固體絕緣材料， 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，從而獲得更加穩定、可靠、緊湊的非晶合金油浸式變壓器主絕緣結構。