高低高結構發電機變壓器主絕緣結構分析

崔麗麗　韓旭東

摘 要：隨著電力行業的飛速發展，500kV電力變壓器的市場競爭越來越激烈，發電機變壓器的單臺容量也越來越大，材料消耗也隨之上升，如何在保證可靠性的前提下降低成本，成為保證各廠經濟效益的前提。文章以電力變壓器的主絕緣結構理論為依據，描述了高低高結構發電機變壓器主絕緣結構

關鍵詞：高低高結構；發電機變壓器；主絕緣

1 概述

目前我公司設計的發電機變壓器在保證運輸條件的前提下，優先采用高低高結構。以一臺單相24萬、阻抗為15%的變壓器為例，高低高結構要比雙柱結構器身輕約8噸左右，可見高低高結構在大容量和大阻抗變壓器下的優勢。

調查表明，變壓器在運行中由于絕緣部件發生故障造成變壓器失效占總失效數的一半左右，絕緣性能的良好對運行可靠性具有決定性意義，以電力變壓器的主絕緣結構理論為基礎，并以DFP-380000/500單相發電機變壓器為例，對高低結構變壓器的主絕緣結構進行描述，并進行簡單分析。

2 電力變壓器的主絕緣結構

目前，油浸式電力變壓器的主絕緣采用油-隔板結構形式，主絕緣結構中的油隙靠紙筒來間隔。油的耐電強度在理論上是很高的，純凈的油的耐電強度高達4000kV/cm以上，標準油杯中擊穿電壓一般為40kV/2.5mm。1.0mm紙板的擊穿強度為46-50kV/mm，1.5mm紙板的擊穿強度為32-45kV/mm，2.0mm紙板的擊穿強度為29-35kV/mm。

線圈間的絕緣結構采用薄紙筒小油隙結構。這種結構紙筒厚度為4mm及以下，油隙寬度小于15mm及以下。主絕緣的擊穿先發生在油隙中的，而油隙一旦擊穿，紙筒也就隨著擊穿，因此并不要求紙筒能承受住全部試驗電壓。此外，在電場較均勻的情況下，根據變壓器油的體積效應，油隙耐電強度隨油隙的減小而增大，因此在同一主絕緣距離，同一紙筒占絕緣距離百分數情況下，油隙分割越小，則耐電強度越高。由于紙筒只起到分割油隙的作用，所以不宜太厚，但由于機械強度的要求，紙筒也不能太薄。

在薄紙筒小油隙結構中，紙筒的總厚度一般占主絕緣的1/5左右。每個紙筒的厚度取決于機械強度。一般來說，最小為1.5mm，靠近線圈的紙筒為3mm，由2張1.5mm厚的紙板組成。緊靠線圈內徑側的紙筒由5mm以上的硬紙板滾壓而成，紙板先在兩端磨成斜梢，然后沿斜梢粘合成紙筒，線圈直接繞在紙筒上。

薄紙筒小油隙結構的最小擊穿電壓按下式計算：

式中：？撞dy-油間隙的間隙；？撞dz-所有紙筒厚度的綜合，包括電極絕緣；？著y-油的介電系數，取為2.2；？著z-油浸紙板的介電系數，取為4.5；Ey-緊靠線圈表面油隙的實際允許場強。

通常與線圈表面相鄰油道中的場強較高，為提高此處電氣強度，宜將此油道取得窄些。油的電氣強度還與處在高場強下油的體積有關，如將處在90～100%最大場強范圍內的油體積稱作“強油體積”，則不管電極形狀是否相同，油的擊穿場強Eb與強油體積V的關系不變。由此可知，油道分得越窄，各處的強油體積減小，電氣強度可明顯提高。但若油道過小，必然影響變壓器的散熱，所以最小油隙的大小由溫升決定。

變壓器線圈端部由于油-隔板組成的絕緣結構被破壞，主要是由于電極附近的最大場強達到或超過了油間隙起始放電場強，開始出現局部放電，并由此而引起電場畸變，進而形成沿面放電所致。

設計合理的靜電環，除了改善與其相鄰各線段的沖擊電壓分布外，還能使端部電場均勻。由于油-隔板組成的絕緣結構的弱點出現在油隙中，其中負擔最重的油隙的耐電強度決定了整個結構的耐電強度。因為最大場強出現于靜電環絕緣層表面的油隙中，所以端部絕緣的耐電強度通常由靜電環與其靠近的第一個角環之間的第一油隙所決定。

角環的設置原則是作用在所有油隙上的最大場強值應小于這些油隙的許用場強。薄紙筒小油隙是目前布置角環的一個基本準則。研究表明，角環的數目增多，在沖擊電壓作用下，其沿面放電電壓有所提高，但局部放電起始電壓幾乎不變。為防止沿面放電，最理想的角環形狀應與端部等電位面相重合。

3 高低高結構發電機變壓器主絕緣結構

以DFP-380000/500為例描述高低高結構變壓器的主絕緣結構，高低線圈間采用薄紙筒小油隙結構，主距已100mm為例，具體分割時要保證紙筒的厚度均≤4mm，油隙≤14mm，因為線圈表面相鄰油道中的場強較高，所以油道的數值比較小，一般為9mm。

而要想分析線圈端部的絕緣結構設計，先要了解高低高結構的接線原理圖和各點處繞組的絕緣水平，此臺產品繞組的絕緣水平為：SI1175LI1550AC680-LI325AC140/LI200AC85，從圖1中標示出各點的絕緣水平，但連線處的電位需要進行計算。高壓Ⅰ匝數為635匝，高壓Ⅱ匝數147匝，中性點支撐為40kV，工頻耐壓試驗時電壓分布為線性。

可見在工頻下U連處的電位約為110kV等級，但在沖擊電壓下，低壓入波時，U連處的振蕩電位依據驗證結果可以達到1.5倍左右，所以高壓Ⅱ下部的絕緣結構設計要加強，圖1中表示了高壓Ⅱ下部角環和靜電環的布置，因為最大場強出現于靜電環絕緣層表面的油隙中，將第一個角環與靜電環之間的油隙盡量縮小，但為了不影響散熱，最終經過驗證取6mm。但由于線圈出頭處的角環被破壞，為保證連線到鐵心的爬電距離，角環在出頭處增加一個“靴子”，“靴子”的長短依據爬電距離確定。

4 結束語

DFP-380000/500發電機變壓器主絕緣設計時，充分考慮了各種過電壓作用，并保證有足夠的裕度，目前對連線處電位振蕩的幅度還有待深入研究，可以進一步優化高壓Ⅱ下部的端絕緣設計。

參考文獻

[1]路長柏.電力變壓器計算[M].哈爾濱：黑龍江科學技術出版社，1990.6.

[2]崔立君.特種變壓器理論與設計[M].北京：科學技術文獻出版社，1996.5.

作者簡介：崔麗麗（1982-），女，遼寧沈陽人，特變電工沈陽變壓器集團有限公司交流產品設計部主管，工程師，從事變壓器類產品的研發和設計工作。