高压变压器绝缘结构分析

高压变压器绝缘结构分析

陈叶超 沈海涛

浙江方圆电气设备检测有限公司， 314001

摘要：高压变压器的稳定安全运行中，变压器绝缘性能是使其保持良好工作状态的重要性因素，并且对变压器绝缘性能的要求会随着电压等级的提高而变化。基于此，本文将对某高压变压器建立仿真模型，以其相关参数展开分析，根据频率、输入/输出电压及绕组匝数等数值进一步分析其绕组间设计对绝缘优化设计的影响，以及绕组端部对地中静电环、无局部放电以及对角环设计的影响。

关键词：高压变压器；绝缘结构；绕组

引言

人们在对高压变压器结构进行研究的过程中发现，击穿场强和油隙宽度的关系影响着变压器的绝缘性能，各区域绝缘裕度可应用有限元法来计算，下文以以太高频变压器为研究对象展开绝缘结构问题的相关分析。

1. 某高压变压器相关参数

本试验针对一台60kW、20kHZ、50kV高频变压器建立真模型，变压器结构如图1所示，副边绕组厚度为9.68mm，主边则为10.45mm，两绕组间绝缘距离为30.02mm。

图1变压器结构

变压器主要参数如表1所示，变压器正常工作时，输出电压为50kV,输入电流和电压分别为120A和500V。

表1高频变压器主要参数

2. 绕组间的绝缘设计

分隔油隙是设计绕组间绝缘的主要目的，传统绕组间绝缘结构使用厚直筒大油隙，随着技术发展更新，当下大多使用薄纸筒小油隙的结构。因此在优化设计绕组间绝缘时，应将重点放在解决如何将击穿电压转化为无局放的问题上。在薄纸筒小油隙结构层基础上，计算变压器绕组间最小击穿电压可以使用公式（1）：

(1)

场强Ey的计算需使用综合修正系数K：

(2)

值得注意的是，变压器中部和端部出线取值会影响计算结果及其精确性，端部电场算可参考图2。在实际优化设计过程中，应着重考虑纸筒实际厚度和油隙放置位置。优化降低纸筒厚度应在满足机械场强的基础上进行设计；小油隙放置于绕组油隙旁，在绕组中间放置油隙时首先需要计算出最低击穿场强，其次将最大油隙放置于此场强可能出现的位置。基于以上两种情况的优化设计才能在实际使用中降低油中场强。

图2端部电场计算模型

3. 绕组端部对地绝缘设计

静电环是有效降低绕组端部最大场强的主要部件之一，在设计变压器时，通常会在其绕组端部设置静电环，因此这一设计环节尤为重要。在观察实际工作研究记录后，直接影响其绝缘层表面最大场强的因素有：曲率半径（ρ），绕组间实际距离（m）及压板与静电环间实际距离（H），可使用公式（3）计算静电环金属表面最大场强（EOmax）：

(3)

此公式可以体现出m与EOmax间的关系，EOmax的尺寸参数对绕组间实际距离的影响最大，其次为曲率半径，受实际距离H的影响则最小。因此在实际优化设计中，需要降低静电环大R角与角环之间的油隙大小。

在设计无局部放电绝缘方面，此项指标是高压变压器产品是否能够在实际运行中保持可靠性和安全性的重要指标，若出现局部放电问题，将会产生腐蚀导致绝缘破坏，目前我国变压器局部放电标准为数值小于100PC。传统变压器绝缘设计以不闪络、不击穿为出发点，使其在试验电压下具备一定裕度。随着对局部放电要求的提高，绝缘设计需要保证绝缘结构在试验电压下的承受度更高，因此在无局部放电绝缘优化设计中，需要掌握其内部结构实际情况，例如油中局部放电规律与特点等，针对此方面内容应严格验算与控制。在测量中选取场强值时，因局部放电的起始放电电压由局部场强位置直接决定，因此在结合变压器在最高工作电压的基础上，选取长期无局部放电情况中的场强数值。设计方案应以控制场强为主要目的，严格控制高场强位置绝缘结构，以保证其长期运转状态的可靠性。

在布置对角环方面，需要基于等电位面的实际条件，采用L型交换分隔油隙。笔者通过实验发现，油隙实际击穿场强在绕组端部不均匀电场中随着油隙距离减小而增加，其中小油隙结构对此情况影响更大。基于有限元法计算获得绕组端部电场分布情况，是当前我国大部分生产商选择合理曲率半径的静电环和角环布置方式的方法，此方法可以尽可能提高设计方案与电场等电位面的一致性，降低发生爬电现象和滑闪结构的概率。在设置器身绝缘中，为保证其内部绝缘强度和油路通畅性，应按照电磁计算结果在满足要求条件的基础上结合绕组导向合理设计端绝缘油流于铁轭垫块，避免死油区造成的局部过热问题。在符合上述情况后，可酌情增大变压器上下端出油量。

4. 结论与展望

为确保高压变压器工作状态的可靠性和稳定性，应在其绝缘结构设计中以科学方式对其设计进行优化，结合有效元法计算机变压器际工作参数，如在推算最低和最高场强的结果中，选取具有最高可靠性的数据进行分析计算，以减少相关检测中故障发生的可能性，提高结构设计的安全性与可靠性。

参考文献

[1]谢毓城．电力变压器手册［M］．北京:机械工业出版社，2003．

[2]李薇．大型变压器的主绝缘结构设计［J］．科技信息，2019，(27):185－187．

[3]张国强，崔翔，王赞基，等．变压器主绝缘设计和可靠性评价的全域扫描法［C］//全国电工理论与新技术学术年会(CTEE 2001)论文集，2001．

[4]刘建军,李岩.500kV电力变压器主绝缘电场的有限元计算[J].变压器,2018,45(4):1-4.