大型變壓器主絕緣結構優化設計

邵東光

(保定天威集團特變電氣有限公司，河北 保定 071000)

大型變壓器主絕緣結構優化設計

邵東光

(保定天威集團特變電氣有限公司，河北 保定 071000)

由于變壓器在實際運行過程中會不可避免的受到各種過電壓的作用，因此，如何做好變壓器主絕緣結構的設計與優化已經成為確保變壓器安全穩定運行的關鍵。本文結合多年從事變壓器結構設計的實踐工作經驗，就油浸式電力變壓器的主絕緣結構優化設計展開了探討，以供廣大同行參考借鑒。

變壓器；主絕緣結構；絕緣；優化設計

1 繞組間的絕緣設計

繞組間絕緣應用的根本目的，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構已經由原有的厚紙筒大油隙結構逐漸轉變為現今的薄紙筒小油隙結構。因此，在對變壓器繞組間絕緣進行優化設計時，其出發點應該由原有的擊穿電壓轉變為無局放。

目前，對變壓器繞組間所采用的薄紙筒小油隙結構的最小擊穿電壓進行計算時，可采用以下公式：

式中：Ey許用場強=Emin/k；Emin表示油隙的最小擊穿場強；K表示綜合修正系數，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和紙筒介電常數。

在實際絕緣設計過程中，對薄紙筒的小油隙結構布置，應該注意以下兩個問題：第一，繞組的中間位置應該放置可能出現最低擊穿場強的最大油隙，而小油隙則應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際的制造過程中，可能會出現的并且不可避免的因表面缺陷而造成的電場分布不均勻風險。第二，在滿足最為基本的機械場強的基礎上，要盡可能的降低紙筒的實際厚度，只有如此，才能夠進一步降低油中的實際場強。

2 繞組端部對地絕緣設計

2.1 對角環的布置設計

在對角環進行布置時，當采用L型角環對油隙進行分隔時，應遵循的基本原則是要在能夠符合等電位面的實際條件下，用薄紙筒、小油隙進行角環的布置。尤其是通過試驗證明，當在繞組端部所產生的不均勻電場中采用小油隙結構時，伴隨著油隙距離的不斷減少，油隙實際擊穿場強會得到一定的提高。

目前，我國絕大多數生產變壓器的廠家，多采用有限元法用于繞組端部區域計算，并根據計算結果獲得繞組端部電場分布圖。基于此圖，選擇合理的靜電環曲率半徑、角環數量，角環布置方式等內容，從而盡可能的確保所選取的角環形狀以及布置設計能夠與電場實際分布的等電位面相互一致，盡可能的降低滑閃結構及爬電現象的產生。在設計器身絕緣時，為避免由于死油區造成局部過熱，必須保證變壓器器身內部油路的暢通和足夠的絕緣強度，按照電磁計算中絕緣結構圖進行油路結構的設計，在保證滿足要求的條件下，與繞組中的導向配合，合理設計鐵軛墊塊、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，盡量增大下端的進油量和上端的出油量。

而放電路徑往往與角環數目呈現出正比關系，即角環數目越多，放電路徑越長。因此，在一定的范圍之內，放電電壓也會得到相應的提高。當角環插入時，雖然會受到電壓的沖擊作用，但其局部放電電壓仍保持在基礎范圍之內。造成這一狀況的根本原因在于高壓繞組端部的絕緣結構，其內部局部放電主要受到油氣所產生氣泡多少、大小，絕緣墊塊，角環與靜電環這些因素的影響，并且會在這些因素的作用下，在結構上形成油楔。所以，在絕緣設計的過程中，對高壓繞組端部要采取有效的手段，盡可能的消除因高場強而產生的油楔問題。此外，對于角環厚度的選擇并沒有過于嚴苛的要求，基本上只要能夠保證在試驗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械強度的基本要求進行選擇。

2.2 對靜電環的設計

在高壓繞組端部都會設置靜電環，這是因為靜電環能夠對高壓繞組端部的最大場強進行有效的降低。所以，做好靜電環的設計尤為重要。目前通過實踐工作研究可以發現，靜電環到壓板的實際距離(用H表示)，繞組間的實際距離(用m表示)，靜電環的曲率半徑(用ρ表示)都是直接影響靜電環絕緣層表面最大場強的重要因素。筆者根據工作中的實踐研究結果，對靜電環金屬表面的最大場強進行計算，可用如下計算公式：

式中：K0表示常數，取值為1.34；U則表示試驗電壓，kV。

通過上述計算公式，可以清楚的看到，繞組間的實際距離(用m表示)會對靜電環金屬表面最大場強的尺寸參數產生最大也最為直接的影響，其次為靜電環的曲率半徑(用ρ表示)，最后是靜電環到壓板的實際距離(用H表示)。因此，在對靜電環進行優化設計時，要進一步降低角環與靜電環大R角之間的油隙大小，必要的時候應該采取有效的手段，以進一步降低二者之間的油隙。

2.3 對無局部放電絕緣的設計

為了能夠更好的提高變壓器的產品性能，能夠在實際的工作中得到更為安全、可靠的運行狀態，對于變壓器而言，除了要進行工頻耐壓試驗、沖擊試驗以外，還必須對變壓器進行額定電壓下的局部放電試驗，以此確保變壓器內部的絕緣結構不會在額定電壓的作用下產生嚴重的局部放電問題。這是因為變壓器內部絕緣一旦出現局部放電，勢必會對內部絕緣產生嚴重腐蝕，最終導致絕緣破壞，進而影響到變壓器的正常使用。所以，對變壓器進行局部放電試驗，也成為高壓變壓器必須要實施的一項重要試驗工作以及必須要具備的一項重要技術指標。尤其是通過對變壓器局部放電試驗的相關標準規定中，可以清楚的看到，一般對變壓器局部放電的要求為不大于500PC，而目前我國的絕大多數變壓器用戶，對變壓器的局部放電標準，提出了不大于100PC的要求。

以前在設計變壓器絕緣結構時，其絕緣設計理念的出發點往往是不擊穿、不閃絡，也就是說，變壓器的絕緣結構在試驗電壓之下，必須具備一定的裕度。然而現今，人們在變壓器絕緣結構的設計上從無局部放電設計的理念出發，對變壓器絕緣結構內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狀態下所承受的電壓值。一般來講，因為工頻耐壓試驗與沖擊耐壓試驗往往在局部放電試驗之前，所以，在試驗過程中變壓器的絕緣結構不會出現不可恢復的局部放電，也就不會使固體絕緣遭受到無法挽回的損害。所以，在對無局部放電絕緣進行優化設計時，必須要掌握變壓器絕緣結構內部的實際情況，如：電場的實際分布情況，油中局部放電特點與規律，絕緣的制造處理工藝等，并且要對這些內容進行較為嚴密的控制與驗算。

目前，在高壓變壓器的主絕緣結構設計中，多采用無局部放電絕緣結構設計理念。因此，在選取高壓變壓器場強值時，必須按照長期的、最高的工作電壓下的無局部放電來選取，尤其是放電部位的局部場強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構的優化設計上，應該以控制場強這一設計理念為基本出發點，對高場強局部區域絕緣結構進行嚴格的控制，只有如此，才能夠確保變壓器絕緣結構的可靠性。

3 結語

在變壓器的設計過程中，其最為根本的設計任務就是如何科學、合理地布置這些絕緣材料，做好繞組間的絕緣設計與繞組端部對地絕緣設計。因此，在今后的工作中，電力變壓器設計人員應該加強對主絕緣結構的優化設計，從而切實對現有變壓器產品性能做出有效的提高，設計并研發出更多高質量的變壓器產品。

[1] 謝毓城.電力變壓器手冊[M]. 北京：機械工業出版社，2003.

[2] 李薇.大型變壓器的主絕緣結構設計[J]. 科技信息，2011，(27)：185-187.

[3] 張國強，崔翔，王贊基，等.變壓器主絕緣設計和可靠性評價的全域掃描法[C]//全國電工理論與新技術學術年會(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，學士，工程師。

TM403

B

1674-8646(2016)23-0052-02