大型變壓器主絕緣結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

邵東光

(保定天威集團(tuán)特變電氣有限公司，河北 保定 071000)

大型變壓器主絕緣結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

邵東光

(保定天威集團(tuán)特變電氣有限公司，河北 保定 071000)

由于變壓器在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中會(huì)不可避免的受到各種過(guò)電壓的作用，因此，如何做好變壓器主絕緣結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化已經(jīng)成為確保變壓器安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。本文結(jié)合多年從事變壓器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的實(shí)踐工作經(jīng)驗(yàn)，就油浸式電力變壓器的主絕緣結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)展開(kāi)了探討，以供廣大同行參考借鑒。

變壓器；主絕緣結(jié)構(gòu)；絕緣；優(yōu)化設(shè)計(jì)

1 繞組間的絕緣設(shè)計(jì)

繞組間絕緣應(yīng)用的根本目的，就是為了分隔繞組間的大油隙。尤其是目前繞組間的絕緣結(jié)構(gòu)已經(jīng)由原有的厚紙筒大油隙結(jié)構(gòu)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)今的薄紙筒小油隙結(jié)構(gòu)。因此，在對(duì)變壓器繞組間絕緣進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，其出發(fā)點(diǎn)應(yīng)該由原有的擊穿電壓轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)局放。

目前，對(duì)變壓器繞組間所采用的薄紙筒小油隙結(jié)構(gòu)的最小擊穿電壓進(jìn)行計(jì)算時(shí)，可采用以下公式：

式中：Ey許用場(chǎng)強(qiáng)=Emin/k；Emin表示油隙的最小擊穿場(chǎng)強(qiáng)；K表示綜合修正系數(shù)，在端部的出線取值上為1.35，中部的出線取值則為1.25；∑dy表示油間隙的總和；∑dz表示所有紙筒的總和；εy、εz二者，則分別表示油介電常數(shù)和紙筒介電常數(shù)。

在實(shí)際絕緣設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)薄紙筒的小油隙結(jié)構(gòu)布置，應(yīng)該注意以下兩個(gè)問(wèn)題：第一，繞組的中間位置應(yīng)該放置可能出現(xiàn)最低擊穿場(chǎng)強(qiáng)的最大油隙，而小油隙則應(yīng)該放置在繞組油隙的旁邊，采取這種布置模型的原因在于有利于降低繞組在實(shí)際的制造過(guò)程中，可能會(huì)出現(xiàn)的并且不可避免的因表面缺陷而造成的電場(chǎng)分布不均勻風(fēng)險(xiǎn)。第二，在滿足最為基本的機(jī)械場(chǎng)強(qiáng)的基礎(chǔ)上，要盡可能的降低紙筒的實(shí)際厚度，只有如此，才能夠進(jìn)一步降低油中的實(shí)際場(chǎng)強(qiáng)。

2 繞組端部對(duì)地絕緣設(shè)計(jì)

2.1 對(duì)角環(huán)的布置設(shè)計(jì)

在對(duì)角環(huán)進(jìn)行布置時(shí)，當(dāng)采用L型角環(huán)對(duì)油隙進(jìn)行分隔時(shí)，應(yīng)遵循的基本原則是要在能夠符合等電位面的實(shí)際條件下，用薄紙筒、小油隙進(jìn)行角環(huán)的布置。尤其是通過(guò)試驗(yàn)證明，當(dāng)在繞組端部所產(chǎn)生的不均勻電場(chǎng)中采用小油隙結(jié)構(gòu)時(shí)，伴隨著油隙距離的不斷減少，油隙實(shí)際擊穿場(chǎng)強(qiáng)會(huì)得到一定的提高。

目前，我國(guó)絕大多數(shù)生產(chǎn)變壓器的廠家，多采用有限元法用于繞組端部區(qū)域計(jì)算，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果獲得繞組端部電場(chǎng)分布圖?；诖藞D，選擇合理的靜電環(huán)曲率半徑、角環(huán)數(shù)量，角環(huán)布置方式等內(nèi)容，從而盡可能的確保所選取的角環(huán)形狀以及布置設(shè)計(jì)能夠與電場(chǎng)實(shí)際分布的等電位面相互一致，盡可能的降低滑閃結(jié)構(gòu)及爬電現(xiàn)象的產(chǎn)生。在設(shè)計(jì)器身絕緣時(shí)，為避免由于死油區(qū)造成局部過(guò)熱，必須保證變壓器器身內(nèi)部油路的暢通和足夠的絕緣強(qiáng)度，按照電磁計(jì)算中絕緣結(jié)構(gòu)圖進(jìn)行油路結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，在保證滿足要求的條件下，與繞組中的導(dǎo)向配合，合理設(shè)計(jì)鐵軛墊塊、托板及端絕緣中的油流，確保冷卻油流暢通。在條件允許的情況下，盡量增大下端的進(jìn)油量和上端的出油量。

而放電路徑往往與角環(huán)數(shù)目呈現(xiàn)出正比關(guān)系，即角環(huán)數(shù)目越多，放電路徑越長(zhǎng)。因此，在一定的范圍之內(nèi)，放電電壓也會(huì)得到相應(yīng)的提高。當(dāng)角環(huán)插入時(shí)，雖然會(huì)受到電壓的沖擊作用，但其局部放電電壓仍保持在基礎(chǔ)范圍之內(nèi)。造成這一狀況的根本原因在于高壓繞組端部的絕緣結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部局部放電主要受到油氣所產(chǎn)生氣泡多少、大小，絕緣墊塊，角環(huán)與靜電環(huán)這些因素的影響，并且會(huì)在這些因素的作用下，在結(jié)構(gòu)上形成油楔。所以，在絕緣設(shè)計(jì)的過(guò)程中，對(duì)高壓繞組端部要采取有效的手段，盡可能的消除因高場(chǎng)強(qiáng)而產(chǎn)生的油楔問(wèn)題。此外，對(duì)于角環(huán)厚度的選擇并沒(méi)有過(guò)于嚴(yán)苛的要求，基本上只要能夠保證在試驗(yàn)電壓的情況下不被擊穿就可以，通常情況下，其基本厚度可按照機(jī)械強(qiáng)度的基本要求進(jìn)行選擇。

2.2 對(duì)靜電環(huán)的設(shè)計(jì)

在高壓繞組端部都會(huì)設(shè)置靜電環(huán)，這是因?yàn)殪o電環(huán)能夠?qū)Ω邏豪@組端部的最大場(chǎng)強(qiáng)進(jìn)行有效的降低。所以，做好靜電環(huán)的設(shè)計(jì)尤為重要。目前通過(guò)實(shí)踐工作研究可以發(fā)現(xiàn)，靜電環(huán)到壓板的實(shí)際距離(用H表示)，繞組間的實(shí)際距離(用m表示)，靜電環(huán)的曲率半徑(用ρ表示)都是直接影響靜電環(huán)絕緣層表面最大場(chǎng)強(qiáng)的重要因素。筆者根據(jù)工作中的實(shí)踐研究結(jié)果，對(duì)靜電環(huán)金屬表面的最大場(chǎng)強(qiáng)進(jìn)行計(jì)算，可用如下計(jì)算公式：

式中：K0表示常數(shù)，取值為1.34；U則表示試驗(yàn)電壓，kV。

通過(guò)上述計(jì)算公式，可以清楚的看到，繞組間的實(shí)際距離(用m表示)會(huì)對(duì)靜電環(huán)金屬表面最大場(chǎng)強(qiáng)的尺寸參數(shù)產(chǎn)生最大也最為直接的影響，其次為靜電環(huán)的曲率半徑(用ρ表示)，最后是靜電環(huán)到壓板的實(shí)際距離(用H表示)。因此，在對(duì)靜電環(huán)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，要進(jìn)一步降低角環(huán)與靜電環(huán)大R角之間的油隙大小，必要的時(shí)候應(yīng)該采取有效的手段，以進(jìn)一步降低二者之間的油隙。

2.3 對(duì)無(wú)局部放電絕緣的設(shè)計(jì)

為了能夠更好的提高變壓器的產(chǎn)品性能，能夠在實(shí)際的工作中得到更為安全、可靠的運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)于變壓器而言，除了要進(jìn)行工頻耐壓試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)以外，還必須對(duì)變壓器進(jìn)行額定電壓下的局部放電試驗(yàn)，以此確保變壓器內(nèi)部的絕緣結(jié)構(gòu)不會(huì)在額定電壓的作用下產(chǎn)生嚴(yán)重的局部放電問(wèn)題。這是因?yàn)樽儔浩鲀?nèi)部絕緣一旦出現(xiàn)局部放電，勢(shì)必會(huì)對(duì)內(nèi)部絕緣產(chǎn)生嚴(yán)重腐蝕，最終導(dǎo)致絕緣破壞，進(jìn)而影響到變壓器的正常使用。所以，對(duì)變壓器進(jìn)行局部放電試驗(yàn)，也成為高壓變壓器必須要實(shí)施的一項(xiàng)重要試驗(yàn)工作以及必須要具備的一項(xiàng)重要技術(shù)指標(biāo)。尤其是通過(guò)對(duì)變壓器局部放電試驗(yàn)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定中，可以清楚的看到，一般對(duì)變壓器局部放電的要求為不大于500PC，而目前我國(guó)的絕大多數(shù)變壓器用戶，對(duì)變壓器的局部放電標(biāo)準(zhǔn)，提出了不大于100PC的要求。

以前在設(shè)計(jì)變壓器絕緣結(jié)構(gòu)時(shí)，其絕緣設(shè)計(jì)理念的出發(fā)點(diǎn)往往是不擊穿、不閃絡(luò)，也就是說(shuō)，變壓器的絕緣結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)電壓之下，必須具備一定的裕度。然而現(xiàn)今，人們?cè)谧儔浩鹘^緣結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上從無(wú)局部放電設(shè)計(jì)的理念出發(fā)，對(duì)變壓器絕緣結(jié)構(gòu)內(nèi)部起始的局部放電電壓提出了明確的要求，要求其必須明顯高于變壓器絕緣處于局部放電試驗(yàn)狀態(tài)下所承受的電壓值。一般來(lái)講，因?yàn)楣ゎl耐壓試驗(yàn)與沖擊耐壓試驗(yàn)往往在局部放電試驗(yàn)之前，所以，在試驗(yàn)過(guò)程中變壓器的絕緣結(jié)構(gòu)不會(huì)出現(xiàn)不可恢復(fù)的局部放電，也就不會(huì)使固體絕緣遭受到無(wú)法挽回的損害。所以，在對(duì)無(wú)局部放電絕緣進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，必須要掌握變壓器絕緣結(jié)構(gòu)內(nèi)部的實(shí)際情況，如：電場(chǎng)的實(shí)際分布情況，油中局部放電特點(diǎn)與規(guī)律，絕緣的制造處理工藝等，并且要對(duì)這些內(nèi)容進(jìn)行較為嚴(yán)密的控制與驗(yàn)算。

目前，在高壓變壓器的主絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，多采用無(wú)局部放電絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念。因此，在選取高壓變壓器場(chǎng)強(qiáng)值時(shí)，必須按照長(zhǎng)期的、最高的工作電壓下的無(wú)局部放電來(lái)選取，尤其是放電部位的局部場(chǎng)強(qiáng)直接決定了局部放電位置的起始放電電壓。所以，在高壓變壓器絕緣結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)上，應(yīng)該以控制場(chǎng)強(qiáng)這一設(shè)計(jì)理念為基本出發(fā)點(diǎn)，對(duì)高場(chǎng)強(qiáng)局部區(qū)域絕緣結(jié)構(gòu)進(jìn)行嚴(yán)格的控制，只有如此，才能夠確保變壓器絕緣結(jié)構(gòu)的可靠性。

3 結(jié)語(yǔ)

在變壓器的設(shè)計(jì)過(guò)程中，其最為根本的設(shè)計(jì)任務(wù)就是如何科學(xué)、合理地布置這些絕緣材料，做好繞組間的絕緣設(shè)計(jì)與繞組端部對(duì)地絕緣設(shè)計(jì)。因此，在今后的工作中，電力變壓器設(shè)計(jì)人員應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)主絕緣結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而切實(shí)對(duì)現(xiàn)有變壓器產(chǎn)品性能做出有效的提高，設(shè)計(jì)并研發(fā)出更多高質(zhì)量的變壓器產(chǎn)品。

[1] 謝毓城.電力變壓器手冊(cè)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

[2] 李薇.大型變壓器的主絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J]. 科技信息，2011，(27)：185-187.

[3] 張國(guó)強(qiáng)，崔翔，王贊基，等.變壓器主絕緣設(shè)計(jì)和可靠性評(píng)價(jià)的全域掃描法[C]//全國(guó)電工理論與新技術(shù)學(xué)術(shù)年會(huì)(CTEE′2001)論文集，2001.

Optimal design of main insulation structure for large transformer

SHAO Dong-guang

(Baoding Tianwei Group Tebian Electric Co., Ltd., Baoding 071000, China)

The transformer will inevitably affected by a variety of over-voltage in the actual operation process, therefore, how to make the insulation structure design and optimization of the transformer has become the key to ensure safe and stable operation. Combined with years of experience in the transformer structural design, the optimal design of main insulation structure of oil-immersed power transformer was explored for reference.

Transformer; Main insulation structure; Insulation; Optimal design

2016-09-28

邵東光(1983-)，男，學(xué)士，工程師。

TM403

B

1674-8646(2016)23-0052-02