10 kV 所用干式變壓器的絕緣優化設計

王丹璐，常 軍

0 引言

10/0.4 kV 干式變壓器廣泛應用于鐵路線路的變電所中，其可靠性影響變電所的正常工作，進而影響電力機車的可靠運行。絕緣結構和絕緣水平影響干式變壓器的電氣性能，對其進行優化對于產品的制造具有重要的安全和經濟意義。本文采用有限元分析，定位干式變壓器絕緣結構中高場強位置，得出10 kV 干式變壓器絕緣結構優化方案。

1 絕緣距離確定

1.1 干式變壓器試驗電壓

鐵路變電所用干式變壓器一般安裝于戶內，配備封閉的外殼，放置在高壓柜和低壓柜之間。根據GB 311《絕緣配合》系列標準規定，外絕緣是空氣間隙及設備固體絕緣暴露在大氣中的表面，其承受電壓作用并受大氣和其他現場的外部條件（如污穢、濕度、蟲害等）的影響；內絕緣是不受大氣和其他外部條件影響的設備的固體、液體或氣體絕緣。本文將干式變壓器與其所處的封閉外殼看作一個整體，其高低壓繞組之間主空道的絕緣可視作為絕緣。

按GB 311《絕緣配合》和GB/T 1094.11—2022《電力變壓器 第11 部分：干式變壓器》規定，10 kV 干式變壓器試驗電壓如表1 所示。

表1 10 kV 干式變壓器試驗電壓 kV

1.2 絕緣距離的確定

絕緣介質的最小厚度d滿足

式中：Ug為工頻試驗電壓，對于10 kV 干式變壓器，內絕緣取30 kV，考慮雷電沖擊時，沖擊系數取2.5，折算至工頻電壓，則系列1 取60 kV/2.5=24 kV，系列2 取75 kV/2.5=30 kV；Kg為絕緣介質的單位耐電強度，可由試驗測出。環氧樹脂的單位耐電強度取1.75 MV/m，空氣的單位耐電強度為0.70～0.85 MV/m[1]。

低壓繞組電壓為0.4 kV，鐵心接地，電位為0，因此低壓繞組對鐵心柱的絕緣距離為3.5～4.3 mm，實際應用中需考慮機械特性，一般取10 mm。

變壓器的主空道是指高低壓繞組銅（鋁）線面間的距離。在不同外施電壓、不同絕緣介質下，高低壓繞組間主空道a取值見表2。

表2 不同絕緣介質中高低壓繞組間主空道a 取值 mm

可以看出，雷電沖擊電壓下，絕緣強度與工頻耐壓下的絕緣強度相當。

線圈端部絕緣與主空道絕緣處于相同的環境條件與耐壓條件下，二者擁有一致的絕緣裕度。

樹脂澆注絕緣的耐壓強度要高于空氣的耐壓強度，但其流動性遠低于空氣流動性，因此工程實際中考慮散熱、樹脂材料的機械強度等問題，一般只會在繞組外層澆注厚度2～5 mm 的樹脂絕緣層。由于樹脂澆注絕緣層的存在，可以在保證絕緣性能的前提下進一步縮小主空道a的寬度。

2 絕緣距離的優化

現以1 臺125 kV·A 的10/0.4 kV 干式變壓器為例，進行二維仿真計算，擬將主空道a從現行的37～40 mm縮減至35 mm[1]，進行優化可行性分析。

變壓器主絕緣可以采用同心圓柱電場強度[2]計算。由高斯定理，可得

式中：τ為電極單位長度上的電荷量，C/m；ε0為真空中的介電系數，取8.85×10-14F/cm；εr為極板間介質的相對介電常數。

式中：r為內側線圈外半徑或外側線圈內半徑，mm；r1為外側線圈內半徑，mm；r0為內側線圈外半徑，mm。

進而可得r處電場強度Er：

通常認為繞組端部鐵軛是垂直于心柱軸線的無限大平板，忽略引線對端部電場的影響，將其簡化為二維對稱場求解。電場邊值問題可表示為

式中：Ω為定解場域；Γ1為電位已知的邊界；2Γ′為電位的法向導數等于0 的邊界；2Γ′為不同介質分界線；ε為介質的介電常數，空氣為1.0，環氧樹脂為4.5，DMD 絕緣材料為3.1。

建立干式變壓器仿真模型如圖1 所示。圖中，a為高低壓繞組間主空道，包括包封固體絕緣；h為繞組端部至鐵軛間距離，包括包封固體絕緣。

圖1 干式變壓器仿真模型

設置主空道為37 mm，進行仿真計算，場強仿真值與計算值對比見表3。

表3 電場強度的仿真與計算結果對比

對比結果可知，模型仿真值與計算值的偏差較小，故模型建立合理。

高低壓繞組間等電位場分布如圖2 所示，最大場強可由系統分析生成。圖中，最大場強出現在AB 處，為高低壓繞組間。分別將高低壓繞組包封設置為空氣絕緣和環氧樹脂絕緣，根據相關數據可得兩種情況時主空道的電場強度曲線，結果如圖3所示。

圖2 高低壓繞組間等電位場分布

圖3 主空道電場強度曲線

對比兩種絕緣下的主空道電場強度曲線可以看出，采用環氧樹脂絕緣時，高低壓繞組表面的電場強度大幅降低，空氣間隙的電場強度有小幅提高。因此，采用環氧樹脂澆注的方式可以提高干式變壓器的絕緣水平。

分別設置不同主空道寬度進行仿真計算，最大電場強度如表4 所示。

表4 不同主空道時最大電場強度 kV/m

由表4 可以看出，在采用環氧樹脂澆注結構時，主空道縮小至35 mm，最大電場強度為369.19 kV/m，比主空道為37 mm、采用空氣絕緣時的456.82 kV/m 減小約18%，故優化方案合格。

對比表4 中數據可以看出，采用環氧樹脂絕緣后，主空道29 mm 時的電場強度與空氣絕緣37 mm主空道時相當。理論上，采用環氧樹脂絕緣可進一步縮小主空道至29 mm；但在工程實際中，需要綜合考慮繞組散熱、機械強度和阻抗電壓的要求，往往無法選取過小的主空道。

3 低壓箔繞對電場強度的影響

對于大容量10 kV 干式變壓器，低壓繞組由于電流過大，普通導線無法滿足電流密度的要求，需要換成銅箔。低壓繞組采用銅箔時，絕緣材料使用整張DMD 與銅箔共同疊繞，而高壓繞組仍然采用環氧樹脂包封絕緣。采用不同絕緣材料時高低壓繞組的等電位場分布如圖4 所示。

圖4 高低壓繞組不同絕緣材料時電位場分布

由圖4 可以看出，此時最大場強出現在端部CD 處。與采用空氣絕緣時主空道的電場強度對比曲線如圖5所示，端部的電場強度曲線如圖6 所示。

圖5 高低壓繞組不同絕緣材料時主空道電場強度曲線

圖6 高低壓繞組不同絕緣材料時端部電場強度曲線

由圖5、圖6 可以看出，當高低壓繞組絕緣材料不同時，相間場強依然遵循絕緣相同時的規律，但最大場強出現在端部[3]，表現出復雜性和無規律性。端部絕緣易在空氣與絕緣介質表面發生滑閃局部放電，降低絕緣的耐電強度，故須為出線留出足夠的絕緣裕度。

繞組端部拐角是電場集中的部位。本算例的10 kV 干式變壓器h取65 mm，由仿真結果可知，采用不同絕緣材料時，場強最大為320 kV/m。空氣的臨界擊穿場強為(25～30)×105V/m，環氧樹脂的臨界擊穿場強為(200～300)×105V/m。此時的最大場強值小于空氣和環氧樹脂的臨界擊穿場強值，滿足絕緣裕度要求。

4 實際應用

本次優化擬將10 kV 干式變壓器高低壓繞組間主空道縮小至35 mm。優化方案應用于系列產品后，均通過了變壓器型式試驗，表明優化結果可靠。

5 結語

本文通過電磁仿真分析，科學有效地定位10 kV 干式變壓器主縱絕緣薄弱部位，通過優化絕緣結構，降低了生產成本，結果直觀、準確、高效，為干式變壓器的優化設計提供了參考。