220 kV牽引變壓器電場仿真及主絕緣結構分析

馬洪亮

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220 kV牽引變壓器電場仿真及主絕緣結構分析

馬洪亮

概述了220 kV AT牽引變壓器主絕緣結構方案，并利用電磁仿真軟件進行了電場強度計算，定位了主絕緣結構中的高場強位置，并對優化后的結構進行了對比分析。

絕緣；場強；繞組；電場

0 引言

牽引變壓器是牽引供電系統的重要組成部分，其安全可靠性直接影響列車的行車安全。為提高供電系統的可靠性，合理設計變壓器的絕緣結構，保證變壓器的安全可靠運行已成為目前行業內重點關注的問題。

隨著電氣化鐵路的快速發展，牽引變壓器的電壓等級逐步提高，電壓等級有110、220 kV，部分地區甚至達到了330 kV。牽引變壓器的功能是將上述電壓直接降至27.5 kV，向牽引機車供電。目前高速鐵路和重載鐵路的主流供電方式為AT供電方式，該供電方式不僅能提高供電的可靠性，減小牽引網對通信線路的干擾，還提高了供電能力，有效延長了供電距離。

本文主要針對AT供電方式下的220 kV單相牽引變壓器的主絕緣結構進行分析，重點定位主絕緣結構中的高場強位置，并采取措施降低局部電場強度，確保變壓器安全穩定運行。

1 技術要求

AT供電方式接線主要有單相接線、Scott接線、伍德橋接線、十字交叉接線和VX接線。而VX接線是將VV接線和單相接線進行整合，由2臺單相牽引變壓器組合而成，每臺變壓器為三繞組變壓器，二次側有2個次邊繞組分別為T繞組和F繞組，2個繞組中間接地。現分析某高鐵線路的VX接線變壓器主絕緣結構方案，該變壓器技術參數見表1。

表1 VX接線變壓器技術參數表

另外，該變壓器2對高中壓繞組的阻抗電壓百分比為10.5%，其基準容量采用中壓繞組的容量。

為使變電所出口能取消自耦變壓器，它應滿足：

21=31（1）

（321+31-23-1）/4≤0.45W（2）

式中，21為變壓器二次側（TN繞組）在一次側短路、三次側（FN繞組）開路時測得的阻抗值；31為變壓器三次側（FN繞組）在一次側短路、二次側（TN繞組）開路時測得的阻抗值；23-1為變壓器二次側和三次側串聯回路兩端在一次側短路時測得的阻抗值。

2 技術方案

該變壓器鐵心采用單相雙柱結構，每個柱上各自有3個繞組，從第1柱向外3個繞組分別為繞組T1、F1、H1，從第2柱向外3個繞組分別為F2、T2、H2。為使該單相三繞組變壓器在變電所出口能取消自耦變壓器，且滿足式（1）和式（2）的要求，在結構上T1與T2串聯作為供電側輸出端，F1和F2串聯作為饋電側輸出端，H1、H2繞組并聯作為單相變壓器輸入端。結構原理如圖1所示。

圖1 單相三繞組變壓器結構原理圖

3 電場分布

絕緣系統是變壓器的重要組成部分，是考核變壓器可靠運行的重要指標，因此設計合理的變壓器主絕緣結構成為目前變壓器設計的主要任務。變壓器油是整個絕緣系統的最薄弱環節，目前主流的設計思路是利用變壓器油的體積效應，采用油-隔板絕緣結構將變壓器油分割成若干個油隙，以提高變壓器的耐電強度。然而在電力線分布較為密集的端部，油隙的耐電強度是整個絕緣系統中強度最大的，它將決定整個絕緣的耐電強度。若端部電場強度超過變壓器油的起始放電強度，變壓器端部絕緣將會發生表面滑閃放電，在設計中雖然通過加大爬電距離能夠提高沿面放電電壓，但是當距離增大到一定程度后將會達到飽和狀態，因此解決問題的關鍵在于定位變壓器端部的最大場強位置，特別是電場集中處的電場強度，使其低于油的局部放電場強[1]。

cp為均勻電場作用下局部放電電場強度的許用值[2]，且：

cp=·-0.37, MV/m

式中，為與變壓器油含氣量、油隙位置有關的系數，對于工頻50 Hz、1 min的耐壓試驗，在脫氣油、紙板間取= 21.5，對于可能沿油紙交界的切線方向產生的沿面爬電，油紙交界的爬電場強許用值取= 15；為油隙沿電力線方向的長度，mm。

該變壓器采用端部進線結構，忽略引線的影響，由于特殊的運行方式和對稱性結構，主絕緣結構的計算分為低壓繞組對鐵心中下部電場分布和高壓繞組對低壓繞組中下部電場分布2個模型，通過電磁仿真計算，可以得出2對模型的電場云圖。

（1）低壓繞組—鐵心中下部等電位場如圖2所示；圖2中沿至、至場線電場強度曲線如圖3、圖4所示。

圖2 低壓繞組—鐵心的等電位場局部圖

圖3 沿A至B場線電場強度曲線圖

圖4 沿C至D場線電場強度曲線圖

（2）高壓繞組—低壓繞組中下部等電位場如圖5所示；電場強度局部分布如圖6所示；圖5中沿至、至、至、至場線電場強度曲線分別如圖7—圖10所示。

圖5 高壓繞組—低壓繞組的等電位場局部圖

圖6 高壓繞組到—低壓繞組的電場強度局部分布圖

圖7 沿A至B場線電場強度曲線圖

圖8 沿C至D場線電場強度曲線圖

圖9 沿E至F場線電場強度曲線圖

圖10 沿G至H場線電場強度曲線圖

通過對圖2和圖5的研究，發現高壓繞組和低壓繞組的內表面電力線相對集中，最大場強出現在端部內表面處，圖2中點附近低壓繞組對鐵心的最大電場強度為7.7 MV/m，電場強度許用值cp= 9.96 MV/m，絕緣裕度為1.3，其他部位電場分布均勻，符合設計要求。通過圖5可知，高低壓線圈中部場強為5 MV/m，絕緣裕度為2，高壓下端部最大電場強度為4 MV/m，絕緣裕度為2.4，均符合設計要求。由圖8可知，點的最大場強為 17.5 MV/m，點的電場強度為11.5 MV/m，均已超過了電場強度許用值。

為降低端部最大電場強度，一般可采取2種方式：第一種方式是改變靜電環的結構尺寸，第二種是增大線圈間絕緣距離。

由圖6可看出，靜電環的最大場強與線圈中部的平均場強比較接近，該靜電環的結構相對合理，只進行結構的改變并不能取得良好的效果。而增大線圈間絕緣距離雖能有效降低最大場強，但卻加大了產品制造成本，采取端部部分線段增加內墊條成為了解決這一問題的主要手段。

本臺變壓器高壓繞組每個端部采用8段線餅增加內墊條，其中1—4段內墊5 mm和5—8段內墊條2 mm。經電磁仿真計算，得到圖11高壓繞組端部墊條到低壓繞組的等電位場局部圖、圖12高壓繞組端部墊條到低壓繞組的電場強度局部分布圖、圖13沿至場線電場強度曲線圖、圖14沿至場線電場強度曲線圖。

由圖11與圖5比較可知，高壓繞組端部到低壓繞組電力線分布得到了較大改善。圖12所示線圈端部場強得到了較大的降低，最大電場強度為8.15 MV/m，出現在靜電環內表面的油隙處，絕緣裕度為1.2，沿至場線電場強度值、沿至場線電場強度值均滿足了設計要求。

圖11 高壓繞組端部墊條到低壓繞組的等電位場局部圖

圖12 高壓繞組端部墊條到低壓繞組的電場強度局部分布圖

圖13 沿A至B場線電場強度曲線圖

圖14 沿C至D場線電場強度曲線圖

4 試驗結果

本技術方案應用于40 MV·A單相牽引變壓器，經外施耐壓滿足高壓1 min工頻395 kV、低壓1 min工頻85 kV的技術要求。長時感應耐壓試驗在1.1m（272.2 kV）持續5 min，局部放電量為50 pC，小于100 pC；1.3m（327.6 kV）持續30 min，局部放電量為70 pC，小于200 pC，滿足JB/T 12260 AT供電方式單相牽引變壓器技術要求。目前該設備在某高速鐵路上運行，效果良好。

5 結語

本文通過電磁仿真計算，有效地定位了變壓器絕緣中的高場強位置，并科學有效地對變壓器的絕緣優化設計提供了思路，為超高壓變壓器的研究奠定了基礎。

[1] 路長柏. 電力變壓器絕緣技術[M]. 哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，1997.

[2] 上官遠定. 330 kV超高壓有載調壓整流變壓器及主絕緣結構分析[J]. 變壓器，2006，43（1）：16-21.

The paper introduces briefly the scheme for main insulation structure of 220 kV AT transformer, the optimized structure is compared and analyzed after calculation of field strength made by means of electromagnetic simulation software and emplacing of high field strength inside the main insulation structure.

Insulation; field strength; winding; electric field

U224.2+2

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1007-936X(2017)02-0014-04

馬洪亮.中鐵電氣化局集團有限公司設計研究院，工程師，電話：13483205823。

2016-08-05