大型变压器主绝缘结构优化设计

邵东光

(保定天威集团特变电气有限公司，河北 保定 071000)

大型变压器主绝缘结构优化设计

邵东光

(保定天威集团特变电气有限公司，河北 保定 071000)

由于变压器在实际运行过程中会不可避免的受到各种过电压的作用，因此，如何做好变压器主绝缘结构的设计与优化已经成为确保变压器安全稳定运行的关键。本文结合多年从事变压器结构设计的实践工作经验，就油浸式电力变压器的主绝缘结构优化设计展开了探讨，以供广大同行参考借鉴。

变压器；主绝缘结构；绝缘；优化设计

1 绕组间的绝缘设计

绕组间绝缘应用的根本目的，就是为了分隔绕组间的大油隙。尤其是目前绕组间的绝缘结构已经由原有的厚纸筒大油隙结构逐渐转变为现今的薄纸筒小油隙结构。因此，在对变压器绕组间绝缘进行优化设计时，其出发点应该由原有的击穿电压转变为无局放。

目前，对变压器绕组间所采用的薄纸筒小油隙结构的最小击穿电压进行计算时，可采用以下公式：

式中：Ey许用场强=Emin/k；Emin表示油隙的最小击穿场强；K表示综合修正系数，在端部的出线取值上为1.35，中部的出线取值则为1.25；∑dy表示油间隙的总和；∑dz表示所有纸筒的总和；εy、εz二者，则分别表示油介电常数和纸筒介电常数。

在实际绝缘设计过程中，对薄纸筒的小油隙结构布置，应该注意以下两个问题：第一，绕组的中间位置应该放置可能出现最低击穿场强的最大油隙，而小油隙则应该放置在绕组油隙的旁边，采取这种布置模型的原因在于有利于降低绕组在实际的制造过程中，可能会出现的并且不可避免的因表面缺陷而造成的电场分布不均匀风险。第二，在满足最为基本的机械场强的基础上，要尽可能的降低纸筒的实际厚度，只有如此，才能够进一步降低油中的实际场强。

2 绕组端部对地绝缘设计

2.1 对角环的布置设计

在对角环进行布置时，当采用L型角环对油隙进行分隔时，应遵循的基本原则是要在能够符合等电位面的实际条件下，用薄纸筒、小油隙进行角环的布置。尤其是通过试验证明，当在绕组端部所产生的不均匀电场中采用小油隙结构时，伴随着油隙距离的不断减少，油隙实际击穿场强会得到一定的提高。

目前，我国绝大多数生产变压器的厂家，多采用有限元法用于绕组端部区域计算，并根据计算结果获得绕组端部电场分布图。基于此图，选择合理的静电环曲率半径、角环数量，角环布置方式等内容，从而尽可能的确保所选取的角环形状以及布置设计能够与电场实际分布的等电位面相互一致，尽可能的降低滑闪结构及爬电现象的产生。在设计器身绝缘时，为避免由于死油区造成局部过热，必须保证变压器器身内部油路的畅通和足够的绝缘强度，按照电磁计算中绝缘结构图进行油路结构的设计，在保证满足要求的条件下，与绕组中的导向配合，合理设计铁轭垫块、托板及端绝缘中的油流，确保冷却油流畅通。在条件允许的情况下，尽量增大下端的进油量和上端的出油量。

而放电路径往往与角环数目呈现出正比关系，即角环数目越多，放电路径越长。因此，在一定的范围之内，放电电压也会得到相应的提高。当角环插入时，虽然会受到电压的冲击作用，但其局部放电电压仍保持在基础范围之内。造成这一状况的根本原因在于高压绕组端部的绝缘结构，其内部局部放电主要受到油气所产生气泡多少、大小，绝缘垫块，角环与静电环这些因素的影响，并且会在这些因素的作用下，在结构上形成油楔。所以，在绝缘设计的过程中，对高压绕组端部要采取有效的手段，尽可能的消除因高场强而产生的油楔问题。此外，对于角环厚度的选择并没有过于严苛的要求，基本上只要能够保证在试验电压的情况下不被击穿就可以，通常情况下，其基本厚度可按照机械强度的基本要求进行选择。

2.2 对静电环的设计

在高压绕组端部都会设置静电环，这是因为静电环能够对高压绕组端部的最大场强进行有效的降低。所以，做好静电环的设计尤为重要。目前通过实践工作研究可以发现，静电环到压板的实际距离(用H表示)，绕组间的实际距离(用m表示)，静电环的曲率半径(用ρ表示)都是直接影响静电环绝缘层表面最大场强的重要因素。笔者根据工作中的实践研究结果，对静电环金属表面的最大场强进行计算，可用如下计算公式：

式中：K0表示常数，取值为1.34；U则表示试验电压，kV。

通过上述计算公式，可以清楚的看到，绕组间的实际距离(用m表示)会对静电环金属表面最大场强的尺寸参数产生最大也最为直接的影响，其次为静电环的曲率半径(用ρ表示)，最后是静电环到压板的实际距离(用H表示)。因此，在对静电环进行优化设计时，要进一步降低角环与静电环大R角之间的油隙大小，必要的时候应该采取有效的手段，以进一步降低二者之间的油隙。

2.3 对无局部放电绝缘的设计

为了能够更好的提高变压器的产品性能，能够在实际的工作中得到更为安全、可靠的运行状态，对于变压器而言，除了要进行工频耐压试验、冲击试验以外，还必须对变压器进行额定电压下的局部放电试验，以此确保变压器内部的绝缘结构不会在额定电压的作用下产生严重的局部放电问题。这是因为变压器内部绝缘一旦出现局部放电，势必会对内部绝缘产生严重腐蚀，最终导致绝缘破坏，进而影响到变压器的正常使用。所以，对变压器进行局部放电试验，也成为高压变压器必须要实施的一项重要试验工作以及必须要具备的一项重要技术指标。尤其是通过对变压器局部放电试验的相关标准规定中，可以清楚的看到，一般对变压器局部放电的要求为不大于500PC，而目前我国的绝大多数变压器用户，对变压器的局部放电标准，提出了不大于100PC的要求。

以前在设计变压器绝缘结构时，其绝缘设计理念的出发点往往是不击穿、不闪络，也就是说，变压器的绝缘结构在试验电压之下，必须具备一定的裕度。然而现今，人们在变压器绝缘结构的设计上从无局部放电设计的理念出发，对变压器绝缘结构内部起始的局部放电电压提出了明确的要求，要求其必须明显高于变压器绝缘处于局部放电试验状态下所承受的电压值。一般来讲，因为工频耐压试验与冲击耐压试验往往在局部放电试验之前，所以，在试验过程中变压器的绝缘结构不会出现不可恢复的局部放电，也就不会使固体绝缘遭受到无法挽回的损害。所以，在对无局部放电绝缘进行优化设计时，必须要掌握变压器绝缘结构内部的实际情况，如：电场的实际分布情况，油中局部放电特点与规律，绝缘的制造处理工艺等，并且要对这些内容进行较为严密的控制与验算。

目前，在高压变压器的主绝缘结构设计中，多采用无局部放电绝缘结构设计理念。因此，在选取高压变压器场强值时，必须按照长期的、最高的工作电压下的无局部放电来选取，尤其是放电部位的局部场强直接决定了局部放电位置的起始放电电压。所以，在高压变压器绝缘结构的优化设计上，应该以控制场强这一设计理念为基本出发点，对高场强局部区域绝缘结构进行严格的控制，只有如此，才能够确保变压器绝缘结构的可靠性。

3 结语

在变压器的设计过程中，其最为根本的设计任务就是如何科学、合理地布置这些绝缘材料，做好绕组间的绝缘设计与绕组端部对地绝缘设计。因此，在今后的工作中，电力变压器设计人员应该加强对主绝缘结构的优化设计，从而切实对现有变压器产品性能做出有效的提高，设计并研发出更多高质量的变压器产品。

[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，2011，(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.

Optimal design of main insulation structure for large transformer

SHAO Dong-guang

(Baoding Tianwei Group Tebian Electric Co., Ltd., Baoding 071000, China)

The transformer will inevitably affected by a variety of over-voltage in the actual operation process, therefore, how to make the insulation structure design and optimization of the transformer has become the key to ensure safe and stable operation. Combined with years of experience in the transformer structural design, the optimal design of main insulation structure of oil-immersed power transformer was explored for reference.

Transformer; Main insulation structure; Insulation; Optimal design

2016-09-28

邵东光(1983-)，男，学士，工程师。

TM403

B

1674-8646(2016)23-0052-02