变压器的绝缘结构设计

变压器的绝缘结构设计【摘要】随着中国经济持续健康高速发展，电力需求持续快速增长，中国电力建设的迅猛发展带动了中国变压器制造行业的发展。变压器是电力系统中极其重要的输变电设备，变压器在电力设备中属于一次设备的范畴，其行业发展与电力工业的整体发展密切相关。变压器在电网中运行时，除承受正常状况下的电压和电流的作用外，还要承受各种短时的异常电压和电流的作用。因此，变压器在设计和制造时，必须考虑在各种情况下有足够的安全可靠性。【关键词】变压器；绝缘结构；设计0引言随着全球经济的快速发展，社会生活对电气的依赖程度大大提高；随着系统容量的不断增大，对电力输送系统的可靠性也要求提高，因此系统对供电设备的质量要求也比过去严格。变压器作为电力系统的关键设备，其质量高低直接影响着这个电力系统的可靠性。电力变压器向高电压、大容量方向发展的同时，各种产品都向高可靠性、节能型、环保型、紧凑型、个性化方向发展。各变压器生产厂商，在研发高电压、大容量产品的同时，也在对现有产品性能进行提高。如何设计、制造出高质量的产品，已经成为广大电力系统的客户和各大制造厂家共同关注的问题。1研究动态国内变压器行业通过引进国外先进技术，使变压器产品品种、水平及高电压变压器容量都有了大幅提高。国内企业生产的变压器品种包括超高压变压器、换流变压器、全密封式变压器、环氧树脂干式变压器、卷铁心变压器、组合式变压器。此外，随着新材料、新工艺的不断应用，国内各变压器制造企业还不断研制和开发出各种结构形式的变压器。我们可从2006年至2008年3年的数据中看出变压器行业的迅速发展。2006年1-12月，中国变压器、整流器和电感器制造行业实现累计工业总产值120,819,509,000元，比上年同期增长了31.07%；实现累计产品销售收入116,898,938,000元，比上年同期增长了33.60%；实现累计利润总额6,240,741,000元，比上年同期增长了36.76%。2007年1-11月，中国变压器、整流器和电感器制造行业实现累计工业总产值149,318,503,000元，比上年同期增长了35.62%；实现累计产品销售收入145,353,473,000元，比上年同期增长了36.09%；实现累计利润总额9,221,092,000元，比上年同期增长了61.16%。2008年1-11月，中国变压器、整流器和电感器制造行业实现累计工业总产值188,513,194,000元，比上年同期增长了28.89%；实现累计产品销售收入184,105,219,000元，比上年同期增长了29.73%；实现累计利润总额12,036,454,000元，比上年同期增长了40.14%。随着新一轮的电力投资热潮来临，输变电设备制造企业在未来几年都将处于满负荷状态，呈现产销两旺、十分景气的局面。而作为输配电行业一个重要分支的变压器制造业更是一路高歌。由于中国西电东送，南北互供，全国联网的实施，变压器需求仍将保持平稳增长的态势。同时，我国变压器行业也在向世界先进水平迈进，日前新增3项世界领先水平产品。在中国机械工业联合会组织召开“特变电工衡阳变压器有限公司（以下简称衡变公司）新产品鉴定会”上，来自中国电力科学研究院、国网电科院等四十多家科研院所的200余名庞大专家评审团，一致通过公司18项新产品的国家级鉴定。此次通过国家级鉴定的新产品中，3项产品达国际领先水平，分别为：电压等级最高、容量最大的世界首台单相双柱式特高压并联电抗器BKD-240Mvar/1100kV；国内变压器制造企业生产的产品中，容量最大、电压等级最高的现场组装变压器OSFPS-JT-1000MVA/500kV；世界上最大容量的组合式发电机变压器SSP-H-860MVA/500kV.中国工程院院士朱英浩认为，这些“世界之最”和“国内领先”产品的研发，为我国建设全国性输电网络，实现跨区域、远距离、大容量的能源输送提供了有力保障。2绝缘结构设计2.1绝缘材料选择线圈是组成变压器的基本，线圈的绝缘是变压器绝缘结构的组成部分。由于绝缘材料的种类很多，选择时可根据变压器的耐热等级和常见故障；根据变压器使用的环境，并要求绝缘材料有一定的机械强度。其中电容器纸、电话纸、电缆纸是中小型变压器作层间绝缘较合适的材料，它具有良好的电气性能和机械性能，易于浸渍，并有良好的表面特性，不透明，有一定的耐电晕性。但纸类的防潮性能差，干燥的电缆纸在空气中暴露时，绝缘电阻下降极快。未作处理时工作温度只达到A级。在浸B级漆后，可达到E级。如经乙酰化处理，可达到B级，而且吸溯性小，耐电晕电压高，耐热老化性均比原电缆纸好。作层间绝缘的可选用聚醋薄膜，它具有较高的机械强度，弹性和介电性好，且本身不吸潮，受潮后和高温绝缘电阻也很高，但耐电晕性差耐，热等级为E级。由于它耐电晕电压低，不宜用在高压电源变压器上，还因为它光滑、透明，可与电缆纸组合使用，可作组间、对地和外包绝缘。其它如聚四氟乙烯薄膜、DMD聚酯薄膜聚酯纤维纸复合箔、聚酰亚胺薄膜等等都是用作不同场合绝缘的好材料。在正确选用绝缘材料的同时，对电气性能和机械强度二者必须兼顾，否则达不到预期的效果。如果只考虑工作电压，而选用了层间绝缘层的厚度比导线直径大时，如（0.12毫米厚毫米的电缆纸和直径0.07毫米的漆包线），这将会造成导线位移和导线重迭的现象，结果影响线圈的质量，在这种情况下可用三层0.03毫米厚的电容器纸或二层0.05毫米厚的电话纸代替，这样既达到耐压要求，也符合机械强度。如果层间电压低、电流大而用直径0.12毫米的漆包线和0.05毫米厚的电话纸时，这却使纸变形，既不好排线，又会使绝缘层性能变坏，遇到这样的情况，则应从机械强度考虑，而耐压要求则放在次要地位，这时需选用0.12毫米厚的电缆纸为好。2.2主绝缘结构设计目前我国的电力变压器主要是油浸式的，其主绝缘一般均采用油一隔板结构型式。设计的任务就是正确地选择并合理地布置这些绝缘材料。目前油一隔板结构已经由厚纸筒大油隙全面过渡到薄纸筒小油隙结构。国外几个主要的变压器生产厂目前主要以无局部放电为出发点来设计主绝缘结构，即控制油中的局部放电起始场强。确定主绝缘结构要充分考虑可能承受的各种试验电压，如工频感应耐压，雷电冲击耐压和操作冲击耐压等等。主绝缘主要包括两个部分，即绕组间的绝缘和绕组端部对地的绝缘。2．2．1绕组间的绝缘绕组间的绝缘主要是分隔绕组间的大油隙，其绝缘结构已由厚纸筒大油隙发展为薄纸筒小油隙结构，绝缘设计的出发点也由击穿电压发展为无局放。对于绕组间采用薄纸筒小油隙结构的最小击穿电压，计算可以采用下式：𝑈𝑚𝑖𝑛=𝐸𝑦·(∑𝑑𝑦—𝜀𝑦𝜀𝑧∑𝑑𝑧)式中：𝐸𝑦许用场强=𝐸min／k；𝐸min油隙最小击穿场强；K综合修正系数，端部出线取I．35，中部出线取1．25；∑𝑑𝑦油间隙的总和；∑𝑑𝑧所有纸筒厚度的总和;𝜀𝑦、𝜀𝑧分别为油和纸筒的介电常数。这种薄纸筒小油隙结构在布置纸筒时应注意：将出现最低击穿场强的较大油隙放在中间，靠近绕组油隙尽量采用小油隙，这样可以降低由于绕组制造过程中出现的不可避免的表面缺陷造成电场分布不均匀带来的风险。另外在满足机械强度要求的前提下，尽量减少纸筒的厚度，这样也可以使油中的场强有所降低。2．2．2绕组端部对地绝缘主绝缘结构中还有一个非常重要的部分——绕组端部对地绝缘。随着电压的升高，绕组端部对地的绝缘结构也越来越复杂。由于铁扼的存在，绕组端部的电场极不均匀且不对称。此处的电力线多是斜入固体绝缘的，固体绝缘表面存在着电场切线分量，是典型的滑闪型结构。这种结构一旦出现局部放电，在电场的作用下很容易导致沿面放电。近年来的大量模型试验显示，造成绕组端部的油一隔板结构破坏的主要原因是：电极附近的最大场强达到或超过了油间隙的起始场强。刚开始是出现局部放电，并由此一起电场畸变，进而形成沿面放电，最终导致击穿。因此控制端部最大场强成为端部绝缘结构设计的关键点。（1）角环的布置。角环的布置原则是在符合等电位面的条件下，根据变压器油体积效应，当用L型角环分隔油隙时，以薄纸筒、小油隙来布置角环。实验表明，在绕组端部的不均匀电场中采用小油隙结构，随着油隙距离的减小，油隙击穿场强明显提高。目前比较大的生产厂家均采用有限元对端部区域进行详细的计算，得到端部的电场分布图。然后根据电场分布，选择合适的静电环曲率半径和外包绝缘厚度，角环的数量、形状和布置方式及角环分割油隙的大小等都应合理。尽量使角环的形状和布置与电场分布的等电位面相一致，避免滑闪结构的出现。随着角环数目增多，放电路径随之增长，放电电压在一定范围内得以提高。插入角环，在冲击电压作用下，其沿面放电电压确有所提高，但局部放电电压基本上保持不变。对于高压绕组端部绝缘结构中的局部放电，主要决定于油中所含气泡的大小、多少和绝缘垫块、角环与静电环之间，不可避免地形成结构上的“油楔”。在高压绕组端部到铁轭的绝缘设计中，任务之一就是采取措施消除出现高场强的“油楔”。端部绝缘结构设计时，应尽可能采用成型角环，这就可基本保证弯折处与等电位面与电场分布相一致。角环的厚度无严格要求，以在试验电压下不击穿即可通常可按机械强度要求确定其厚度。（2）静电环。高压绕组端部一般均需设置静电环以降低端部最大场强。影响静电环绝缘层表面最大场强因素与静电环到压板距离H、绕组间距离m及静电环的曲率半径𝜌有关。根据大量的实验结果，静电环金属表面最大场强的近似计算式为：𝐸𝑂max=𝐾0·𝑈𝑚0.58⨯𝐻0.15⨯𝜌0.24式中：𝐾0为常数，取I．34；U为试验电压，kv。由上式可以看出．影响静电环金属表面最大场强的尺寸参数为绕组间距离m，其次是曲率半径𝜌，最后才是静电环到压板距离H。另外还要注意设计时角环和静电环大R角之间的油隙不可过大．必要时需要采取措施来减小该油隙。（3）无局部放电绝缘的设计原则。为了确保超高压变压器的安全可靠运行，除了要求变压器通过工频耐压试验和冲击试验外，还要求变压器在额定电压下，内部绝缘不出现严重的局部放电，避免由于局部放电对绝缘的腐蚀而导致绝缘破坏。因此局部放电就成了超高压变压器一个重要的技术性能标志。相关标准一般要求局部放电500PC．目前国内多数客户要求100PC。过去电力变压器绝缘设计主要是从不击穿或不闪络的观点出发，即要求在试验电压下绝缘结构中各处具有一定的裕度。而无局部放电设计的观点为使绝缘结构中的起始局部放电电压值大于局部放电试验时该处承受的电压值，由于局部放电试验要在工频耐压和冲击耐压试验后进行，所以在这些试验时绝缘结构中也不能出现不可恢复的局部放电，使固体绝缘受到损伤。这就要求设计时受对绝缘结构中的电场分布、油中局部放电的特点和规律、制造处理工艺等进行详细的验算和严格的控制。因此用无局部放电的观点设汁超高压变压器的绝缘结构具有重要意义，现已成为各大变压器生产厂的绝缘设计出发点。超高压变压器的场强值必须按长期最高工作电压下无局部放电来选取，然后核算各种过电压下的绝缘安全裕度，包括短时工频耐压、全波与截波冲击耐压、操作冲击耐压等。局部放电起始放电电压取决于放电部位的局部场强，因此其绝缘结构设计应以控制场强为出发点，即严格控制容易出现商场强的局部区域绝缘结构，如油隙、油楔、气泡、尖角、悬浮电位、颗粒物等等。为了提高油的许用场强，应在一定的温度和高真空度下对变压器油进行脱水、脱气和脱颗粒物处理，变压器的器身需要经煤油气相干燥以充分脱水，变压器要在真空下注油。试验前还应静放一定的时间，以便绝缘件充分地吸油浸透及残存气体被油充分吸收或排出。在均匀电场中场强与油隙的尺寸有关，油隙越小其许用场强越高。用无局部放电的观点设计超高压变压器时，必须按变压器长期最高丁作电压下无局部放电来选择场强许用值，同时还要核算各种试验电压下的绝缘裕度是否足够，这样才能保证绝缘结构具有很高的可靠性。5结论与展望通过试验和实践证明，绝缘结构是变压器设计中的最重要的指标，它直接影响变压器的绝缘质量。但有时却由于没有充分考虑或忽视其重要性，造成变压器绝缘质量低劣，使电力系统的可靠性受