电力变压器主绝缘结构的优化及影响因素分析.pdf

设计计算电力变压器主绝缘结构的优化 及影响因素分析 高有华 1，丁春红1，王国刚2 （1.沈阳工业大学电气工程学院，辽宁 沈阳 110178； 2.特变电工沈阳变压器集团有限公司，辽宁 沈阳 110025） 摘要：对110kV电力变压器的主绝缘结构进行了电场的数值分析，讨论了静电板和角环对主绝缘电场分布的影响， 确定了110kV电力变压器新型的主绝缘结构。 关键词：电力变压器；主绝缘；分析 中图分类号：TM4011文献标识码：B文章编号：10018425（2009）10000105 Optimization and Analysis of Main Insulation Structure in Power Transformer GAO You蛳hua1, DING Chun蛳hong1, WANG Guo蛳gang2 （1. Shenyang University of Technology, Shenyang 110178, China; 2. TBEA Shenyang Transformer Group Co.,Ltd., Shenyang 110025, China） Abstract：The electric field of main insulation structure in 110kV power transformer is analyzed numerically. The influence of angle ring and electrostatic plate to electric field distribution of main insulation is discussed. The new main insulation structure in 110kV power transformer is determined. Key words：Power transformer；Main insulation；Analysis 1 前言 电力变压器的绝缘是其重要组成部分， 它对变 压器的单台极限容量和运行可靠性具有决定性意 义。在电力变压器发生的故障中，绝缘故障占很大一 部分， 因此， 在保证电力变压器运行可靠性的条件 下，缩小变压器的主绝缘距离具有经济意义1。 为了合理而又可靠地确定电力变压器的主绝缘 结构， 必须对变压器中的电场分布进行分析和试验 研究， 因此电场的数值计算已成为电力变压器绝缘 研究中十分重要的前提。 目前国内110kV电力变压 器的生产厂家有100多家， 笔者针对传统的110kV 电力变压器的体积大、 制造成本高和主绝缘故障频 繁等缺点，利用有限元分析软件对S9-25000/110电 力变压器的主绝缘结构进行电场分析。 找出在满足 允许场强值的条件下，高压绕组与低压绕组之间、静 电板到铁轭之间距离的最佳尺寸， 分析角环及静电 板对电场分布的影响， 为电力变压器节能降耗运行 及产品小型化设计提供了理论依据。 2 主绝缘结构的有限元分析模型 电力变压器的绝缘结构及其所用绝缘材料直接 影响电力变压器运行的可靠性2，对于主绝缘而言， 研究高压绕组和低压绕组之间， 特别高压绕组端部 到铁轭之间的电场分布， 可使变压器的绝缘设计具 有充分的可靠性。 同时通过对电力变压器的电场分 析，可采取措施降低绝缘结构中的最大电场强度、改 善电场分布，设计出合理的小型化绝缘结构。 2.1简化的计算模型 本文中计算的电力变压器采用薄纸筒小油隙的 主绝缘结构，主绝缘结构模型图主要由低压绕组、高 压绕组、绝缘纸筒、变压器油、角环和静电板构成，如 图1所示。在采用有限元法计算电场时，为方便问题 的处理， 对实际的电场及场域进行适当的简化并进 第 46 卷 第 10 期 2009 年 10 月 TRANSFORMER Vol46 October No10 2009 第 46 卷 行以下假设： （1）忽略引线对端部电场的影响。 （2）认为绕组端部的金属压板或夹板为垂直于 铁心轴线的无限大平板。 这样，待求解的场域可简化为轴对称场，可以采 用有限元法对高压绕组和低压绕组之间的部分及高 压绕组端部到铁轭之间的区域进行电场分析和计 算。 2.2边值的处理 为了分析电场，构建了几何结构，需明确材料属 性，给出对应的边界条件，然后合理划分网格，建立 变压器主绝缘的有限元分析模型。 应该指出，在这 种情况下绕组被认为是导体3。 结构模型的上边界 和左边界分别是铁轭和铁心，两者与大地相连，给定 电位为零，属于第一类边界条件。 右边界和下边 界为第二类边界条件，其电位对法向矢量的偏微分 为零。 对于高压绕组与低压绕组间的主绝缘距离， 1min工频试验电压下的耐电强度起主要作用4，因此 低压绕组的电位值给定为零， 高压绕组的电位 采用1min工频试验电压为200kV，属于一类边界条 件。 电场计算的微分方程为： 塄2=0（1） 图1中所涉及到的边值问题可归纳为： 1 r 坠 坠r (r 坠 坠r )+ 坠2 坠z2 =0 1=0，2=0 坠 坠n =0 1坠 坠n =2坠 坠n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n （2） 3 计算结果及分析 在主绝缘结构设计时，为了正确地选用绝缘结 构，获得出现最大场强的部位，并使该部位的最大场 强值小于实际允许场强值是非常重要的。 实际上影 响最大场强的因素很多，如端部的绝缘距离、静电板 曲率半径、覆盖绝缘层厚度、绕组间主绝缘距离、角 环数目、形状及其分割油隙的大小等。 为了研究角环和静电板对主绝缘电场分布的影 响， 笔者针对电力变压器主绝缘结构中无角环和静 电板的情况、 无角环但有静电板的情况以及高压绕 组端部同时放置角环和静电板的情况进行电场分 析，从而研究主绝缘结构的最佳尺寸。 3.1无角环和静电板的主绝缘结构的电场分析 无角环和静电板的主绝缘结构的剖分示意图如 图2所示。 利用有限元分析软件得到当主空道距离 m=42mm、端部绝缘距离H=98mm时的电场分布图， 如图3所示， 最大场强发生在高压绕组端部的拐角 处。 为了比较不同主空道距离和不同端部绝缘距离 m H 绝缘纸筒 低压绕组 高压绕组 静电板 角环 图1110kV级电力变压器主绝缘结构计算模型 Fig.1Calculation model of main insulation structure of 110kV power transformer 图2无角环和静电板的主绝缘结构剖分示意图 Fig.2Subdivision diagram of main insulation structure without angle ring and electrostatic plate 图3无角环和静电板的主绝缘结构电场分布云图 Fig.3Electric field distribution of main insulation structure without angle ring and electrostatic plate 2 高有华、 丁春红、 王国刚： 电力变压器主绝缘结构的优化及影响因素分析第 10 期 时主绝缘的电场分布情况， 笔者又计算了端部绝缘 距离H分别为98mm、96mm、94mm、93mm， 主空道 距离m分别为42mm、40mm、38mm、时的电场分布， 电场分布云图与图3类似， 所有情况下的电场强度 最大值均出现在高压绕组的端部， 但最大场强值有 很大的不同，各种情况下的场强最大值如表1所示。 由计算结果可知， 当端部绝缘距离H不变 时，缩短主空道距离m可使最大场强值增大。 高、 低压绕组间电场比较均匀， 均匀电场下允许场强 值为8.5kV/mm。 当m=38mm时，最大场强Emax约 为8.4kV/mm，小于油隙允许场强值，但在设计绝缘 结构时应该考虑绝缘裕度，此时的绝缘裕度值很小。 由表1可知：当m=38mm、H=93mm时，最大场强为 8.5kV/mm已经达到允许场强。 由此可知，减小m和 H的同时，最大场强值增大。 为了研究主绝缘的电场分布， 图4给出了主空 道距离m=38mm，端部绝缘距离H=93mm时的场强 矢量分布图。 由以上计算结果可知， 此绝缘结构有如下的不 足不处： （1）纵向尺寸大，使得变压器的铁心窗高增大， 从而增大制造成本。 （2）相对来说，此结构的最大场强值接近允许场 强值，绝缘裕度较小。 （3）由图4可知，高压绕组端部电场强度的矢量 分布比较发散，易发生局部放电，同时可能发生绝缘 击穿。 3.2无角环、带静电板情况的主绝缘结构的电场分 析 为了解决上述绝缘结构的不足之处， 笔者在高 压绕组端部放置静电板， 使其在满足绝缘强度的基 础上，缩短端部绝缘尺寸。 在表1主空道距离为38mm、绕组到铁轭的距离 为93mm的主绝缘结构的高压绕组端部放置静电板， 该主绝缘结构的最大场强值Emax约为7.36kV/mm，比 未 加 静 电 板 时 的 最 大 场 强 值8.5kV/mm减 小 了 1.14kV/mm。 由此可知，端部放置静电板可以减小最 大场强值，端部绝缘距离H还有缩短的空间。 逐渐 减小绕组到铁轭的距离， 当H减小为70mm时，该 主绝缘结构的电场分布如图5所示， 最大场强出现 在静电板绝缘层附近的油隙中， 最大场强值Emax约 为7.49kV/mm，小于允许的场强值。图6给出了静电 板到低压绕组沿路径AB的场强值的分布曲线图， 由此可进一步了解静电板附近油隙的场强值的变 化。 3.3高压绕组端部放置角环和静电板的主绝缘结 构的电场分析 绕组端部若未插入角环， 发生局部放电的同时 就可能伴随着击穿。为了保证绝缘结构的耐电强度， 高压绕组端部布置角环是完全必要的。 现在采用的角环有两种结构型式： 软角环和成 表1不同情况下的电场强度最大值 Table 1Maximum field intersity of different structures 93 428.28 408.26 388.50 94 8.32 8.24 8.47 98 8.01 8.18 8.43 96 8.23 8.04 8.46 最大场强值 Emax/kVmm-1 绕组到铁轭距离 H/mm 主空 道距离 m/mm 图4电场强度的矢量分布图 Fig.4Vector distribution diagram of electric field intensity 图5高压绕组端部放置静电板的电场分布图 Fig.5Electric field distribution during placement of electrostatic plate at end in HV winding 3 第 46 卷 型绝缘角环。采用软角环时，由于角环的水平部分和 垂直部分交界处圆角较小5，则沿角环内表面将产 生较高的沿面放电电压， 使得软角环存在沿面放电 危险区，如图7a所示。 为了防止产生较高的沿面放 电电压， 采用成型绝缘角环并尽量使角环的形 状与等位线相一致。 高压绕组端部插入成型角环的等位线分 布，如图7b所示。 静电板绝缘层表面的电位线 比较密集，角环的形状接近等位线的分布。 高压 绕组端部有角环时， 此处的绝缘放电首先发生 在小油隙中， 端部对铁轭的耐电强度将主要由 静电板与之靠近的第一角环之间的第一油隙来 决定6，靠近静电板的第一油隙的允许场强约为 8.0kV/mm。 高压绕组端部插入两个角环， 主绝缘尺寸 为m=38mm，H=70mm的新型主绝缘结构的场 强 分 布 如 图8所 示 ， 最 大 场 强 度 值 约 为 7.45kV/mm， 小于静电板绝缘层的允许场强值 8.0kV/mm，其绝缘裕度为1.704。 为了分析角环 对电场强度的影响， 笔者计算了与图5中路径AB 相同位置的路径CD的场强分布，如图9所示。 717.29 1 434.558 2 151.837 2 869.116 3 586.395 4 303.574 5 020.953 5 738.232 6 455.511 7 172.787 场强/Vmm-1 0 035.295 32.57 29.04 25.41 21.78 18.15 14.52 10.89 7.26 3.53 距离/mm 图6沿路径AB的电场强度分布 Fig.6Electric field intensity distribution along AB （b）采用成型角环时的电位分布图 （a）采用软角环时的电位分布图 图7放置角环时电位分布图 Fig.7Potential distribution during placement of angle ring 图8新型主绝缘结构的场强分布云图 Fig.8Electric field intensity distribution of new main insulation 720.135 1 440.27 2 160.405 2 880.54 3 500.575 4 320.81 5 040.945 5 761.08 场强/Vmm-1 0 0 距离/mm 6 481.215 7 201.35 3.508 7.216 10.824 14.432 18.04 21.548 25.256 28.864 32.472 35.084 图9沿路径CD的电场强度分布图 Fig.9Electric field intensity distribution along CD 4 高有华、 丁春红、 王国刚： 电力变压器主绝缘结构的优化及影响因素分析第 10 期 分析插入角环和未插入角环时端部的电场分布 可知： （1）比较相同位置（图5中的路径AB和图9中 的路径CD）的场强值可知，高压绕组端部插入两个 角环后，静电板到低压绕组间的油隙场强值都增大 了。 （2）高压绕组端部由于角环的插入使得端部的 电场分布均匀，从而降低了最大场强点（电力线畸变 处）Emax的数值， 即比没加角环时小了0.04kV/mm。 但对于整个高压绕组端部，由于插入角环，使得端部 总体的电场值趋于增大，从而促使总体的电场场强 呈上升趋势。 （3）高压绕组端部插入两个角环，使得绕组端部 的油隙变小，从而增大了油隙的击穿场强，其增大幅 度比端部场强的增大幅度要大，所以端部不会发生 击穿，主绝缘结构得到了完善。 新型主绝缘结构的电场矢量分布图如图10所 示。 比较不同结构模型的电场矢量分布可以得出： 放置成型绝缘角环模型的端部电场分布比上述两个 模型的场强分布均匀，并且延长了端部绝缘的沿面 放电距离。 4 结论 笔者通过对三种结构的主绝缘模型进行电场分 析和计算，得到了不同结构的电场分布、等位线分布 和电场的矢量分布，并得到以下结论。 （1）对无角环和静电板的主绝缘模型进行的电 场数值计算和分析可知： 主空道尺寸由原42mm减 为38mm，最大场强约为8.4kV/mm，小于油隙允许 场强值8.5kV/mm，使得变压器的辐向尺寸减小了。 （2）对高压绕组端部放置静电板模型进行的数 值计算表明： 高压绕组端部的静电板不仅可以改善 端部的电场分布，降低端部的最大电场强度，同时还 可以实现部分电容补偿。 （3）高压绕组端部放置成型绝缘角环，不但分割 了端部油隙，提高了端部油隙的击穿场强，而且增大 了端部的场强值，因击穿场强也相应地增加，所以端 部不会发生绝缘击穿。 放置成型绝缘角环不但延长 了端部绝缘的沿面放电距离， 而且还使得端部电场 分布均匀化。 （4）确定了新型主绝缘结构的主要绝缘尺寸是： m=38mm，H=70mm， 缩短了变压器的辐向尺寸和绕 组到铁轭的距离， 从而减小了变压器的体积并降低 了制造成本。 参考文献： 1路长柏.电力变压器绝缘技术M.哈尔滨：哈尔滨工业 大学出版社，1997. 2谢毓城.电力变压器手册M.北京： 机械工业出版社， 2005. 3Khaligh A, Vakilian M. Power transformers internal in- sulation design improvements using electric field analy- sis through finite-element methodsJ. IEEE Trans. Ma- gen.2008，44（2）：273-278. 4罗青林. 1000kV级变压器主绝缘样机结构分析J.变 压器，2001，38（2）：13-16. 5路长柏.关于电力变压器线圈端部绝缘的若干问题J. 黑龙江电力，2001，23（4）：209-212. 6尹克宁.变压器设计原理M.北京： 中国电力出版社， 2003. 图10新型主绝缘结构的电场矢量分布云图 Fig.10Vector distribution of electric field of new main insulation 收稿日期：2009-05-31 作者简介：高有华（1966-），女，辽宁新宾人，沈阳工业大学教授，主要从事电气设备的数值计算及绝缘分析； 丁春红（1984-），女，山东聊城人，沈阳工业大学硕士研究生，主要从事变压器电场计算的研究工作。 5