220kV电力变压器端部绝缘传统与现行结构中电场的比较.pdf

图1220kV电力变压器传统端绝缘结构 Fig.1Traditional end insulation structure in 220kV power transformer LV MV M HV TV H 220kV 电力变压器端部绝缘 传统与现行结构中电场的比较 韦殿平 1,刘文里2,勤格勒图2,刘晓丽3 （1．哈尔滨变压器厂, 黑龙江 哈尔滨 150088; 2．哈尔滨理工大学, 黑龙江 哈尔滨 150040; 3．沈阳变压器研究院, 辽宁 沈阳 110179） 摘要：对220kV电力变压器端部绝缘的传统与现行两种结构模型分别进行了电场计算。 关键词：电力变压器;电场;有限元分析 中图分类号：TM401+.1文献标识码：B文章编号：1001－8425（2009）10－0006－05 1 引言 随着我国国民经济的迅猛发展， 电力系统的系 统容量及电压等级不断提高， 同时对系统运行可靠 性的要求也越来越高。 电力变压器是电力系统中的 重要设备之一，保证变压器在运行中的可靠性，是变 压器制造技术发展的趋势。 在保证电力变压器运行可靠性的前提下， 缩小 变压器的主绝缘距离具有重大经济意义。根据统计， 超高压大型变压器的绝缘成本约占变压器制造成本 的25％左右。 因此，合理地确定电力变压器的绝缘 结构、 正确地选用绝缘材料及降低产品原材料的耗 用具有重要的技术经济意义。 笔者使用ANSYS软件， 对220kV电力变压器 端部绝缘传统与现行两种结构分别进行了电场计 算，得出现行结构是可行且节材的结论，并且提出了 采用现行端部绝缘结构时应注意的一些问题。 2 应用 ANSYS计算 220kV电力变压器端部 电场 220kV电力变压器一般采用中部进线， 其传统 端绝缘结构见图1。 在传统结构中， 压板采用钢压 板，高压绕组端部放置静电环。作为高压电极的静电 环，除了改善与其相邻各线段的冲击电压分布外，还 可使绕组端部电场均匀。 220kV电力变压器现行端部绝缘结构见图2。 在现行结构中，压板采用绝缘压板，高压绕组端部未 Electric Field Comparison between Traditional and Present Structures of End Insulation in 220kV Power Transformer WEI Dian蛳ping1, LIU Wen蛳li2, Qingeletu2, LIU Xiao蛳li3 （1. Harbin Transformer Factory, Harbin 150088, China; 2. Harbin University of Science 3. Shenyang Transformer Research Institute, Shenyang 110179, China） Abstract：The electric fields of traditional and present structural models of end insulation in 220kV power transformer are calculated. Key words：Power transformer；Electric field；Finite element analysis 第 46 卷 第 10 期 2009 年 10 月 TRANSFORMER Vol．46 October No．10 2009 韦殿平、 刘文里、 勤格勒图等： 220kV电力变压器端部绝缘传统与现行结构中电场的比较第 10 期 图4现行结构计算模型 Fig.4Calculation model of present structure 铁轭 A Ω ΓAB B CD 中 （低） 压 绕 组 高 压 绕 组 ΓCD 铁 心 柱 图2220kV电力变压器现行端绝缘结构 Fig.2Present end insulation structure in 220kV power transformer LV MV M HVTV H 设置静电环。 2．1计算模型的建立 为了方便计算， 分别对两种端部结构进行了简 化处理，用二维有限元法进行计算。两种结构简化后 的计算模型分别见图3和图4。 图3和图4中，Ω为 计算场域，对应于钢压板（铁轭）,铁心柱及低（中）压 绕组的电位是已知的，即第一类边界条件φ＝0，而边 界条件ΓAB和ΓCD上电位的法向导数 鄣φ 鄣n ＝0。 在建立计算模型过程中，由于角环厚度很小（一 般为2mm），对端部电场的总体分布影响不大，故仅 考虑对应于端圈部分的存在，并将端圈、绝缘压板和 隔板折合成纯油距进行计算。 2．2剖分并加载 对建好的模型进行有限元剖分， 然后对边界加 入载荷，进行计算。 因校核端部绝缘主要采用1min工频试验电压 的方法，做工频试验时，高压绕组加已知试验电压， 为高电位；中（低）压绕组、铁心、压板均接地为零电 位，均属于第一类边界条件。220kV电力变压器采用 中部进线时，绕组端部工频试验电压为200kV（方均 根值）。 将高、低压绕组的电压载荷加载在各自的边 界上，然后进行分析计算。 图5为传统端部结构场域剖分示意图， 图6为 现行端部结构剖分示意图。 因为变压器的端部电场 较大值主要集中在高压绕组的前几段，因此，此处要 细剖，其他的部分采用自由剖分即可满足精度要求。 两种结构电场电位、 等位线及电场矢量图分别 见图7～图12。 从计算的结果可以看出：对于传统结构，变压器 油中电场强度的最大值Emax出现在静电环绝缘层表 面，影响Emax值的主要因素有绕组到压板的距离H、 图3传统结构计算模型 Fig.3Calculation model of traditional structure 压板 A Ω ΓAB B CD 中 （低） 压 绕 组 高 压 绕 组 ΓCD 图5传统端部结构场域剖分示意图 Fig.5Field subdivision diagram of traditional end structure 图6现行端部结构场域剖分示意图 Fig.6Field subdivision diagram of present end structure 7 第 46 卷 图9传统结构等位线分布示意图 Fig.9Equipotential line distribution of traditional structure 图10现行结构等位线分布示意图 Fig.10Equipotential line distribution of present structure 图11传统结构电场矢量图 Fig.11Vectorgram of electric field of traditional structure 图12现行结构电场矢量图 Fig.12Vectorgram of electric field of present structure 图8现行结构电位分布示意图 Fig.8Potential distribution diagram of present structure 绕组间绝缘距离M、 静电环曲率半径ρ和静电环绝 缘层厚度S等。 由于目前只有少数生产厂家还使用 传统端部绝缘结构，并且Emax值与H、M、ρ和S的关 系在参考文献[3]中已有详细论述。 所以，本文中只 计算典型传统结构中当M＝84、H＝120、ρ＝10、S＝5时 的Emax值，作为与现行结构的Emax值进行比较，而分 析与计算的重点是现行端部绝缘结构。 对于现行结构， 最大场强Emax出现在高压绕组 第一段尖角处，影响Emax值的主要因素有H、M和导 线圆角半径r，其关系曲线见图13～图15。 因为要做出Emax值与H、M、r的关系曲线，需要 建立数十个计算模型，如采用GUI（图形操作）必须 根据具体尺寸逐一建模，会在操作上浪费大量时间， 所以笔者是采用命令流（Command）进行操作的。 3 两种结构可靠性与经济性对比 3．1可靠性对比 经计算得出，当采用传统结构M＝84、H＝120（绕 组到铁轭的距离为260）、ρ＝10，S＝5时，最大场强值 Emax＝4．08kV蛐mm； 当采用现行结构M＝68、H＝185、r＝ 图7传统结构电位分布示意图 Fig.7Potential distribution diagram of traditional structure 8 韦殿平、 刘文里、 勤格勒图等： 220kV电力变压器端部绝缘传统与现行结构中电场的比较第 10 期 图14主绝缘距离对场强影响的关系曲线 Fig.14Curves of main insulation distance and electric field intensity M蛐mm Emax蛐kVmm－1 12 11 10 9 8 7 6 30405060708090 H＝130 H＝150 H＝140 图15导线圆角半径对场强影响的关系曲线 Fig.15Curves of conductor round radius and electric field intensity r蛐mm 11 10 9 8 7 6 0．40．60．81．01．21．41．6 Emax蛐kVmm－1 图13端绝缘距离对场强影响的关系曲线 Fig.13Curves of end insulation distance and electric field intensity Emax蛐kVmm－1 H蛐mm 9 8．5 8 7．5 7 6．5 6 M＝60 100120140160180200 M＝80 M＝70 0．8时，最大场强值Emax＝6．26kV蛐mm。 从计算结果可以看出， 当采用现行结构时虽然 Emax值有所提高， 但也满足电场许用值8kV蛐mm～ 9kV蛐mm的要求， 说明220kV电力变压器的现行端 部绝缘结构是可行的。 至于Emax值有所提高这一问 题，可以采取一些措施加强该处的绝缘强度。 3．2经济性对比 以一台SFSZ10－180000蛐220三绕组有载调压电 力变压器为例，当采用传统结构时，产品的导线重 为25 870kg、硅钢片重为71 360kg、变压器油重为 50 850kg， 产品的主要原材料成本为507．125万元； 当采用现行结构时，产品的导线重为25 660kg、硅钢 片重为68 140kg、变压器油重为49 200kg，产品的主 要原材料成本为491．91万元。 通过比较可以看出， 采用现行结构比传统结构 导线节省了210kg、硅钢片节省了3 320kg、变压器 油节省了1 650kg， 产品的主要原材料成本降低 15．215万元，降低了3％左右。 不但为生产企业创造 了可观的经济效益， 同时由于大幅度降低了原材料 的耗用，社会效益也较大。 4 采用现行端部绝缘结构时应注意的一些问 题 从计算结果可以看出，现行端部绝缘结构中，在 影响最大场强值Emax的几个因素中， 绕组间主绝缘 距离M对Emax值的影响最大，其次是高压绕组导线 小圆角半径r，再次才是绕组到铁轭的距离H。 这就 清楚地表明， 当端部场强太高时， 不要一味地增大 H，而增大M的效果最显著，增大r的效果介于两者 之间。 由于导线小圆角半径r对Emax值的影响也很 大，r越小Emax值越大。所以在选取高压绕组导线时， 要注意绕组端部导线的厚度不要太薄， 因为导线越 薄，其圆角半径r越小。 由于绕组间主绝缘距离M对Emax值的影响最 大，Emax值随M的增大而减小。 所以，通常在高压绕 组端部首端第1段和第2段加垫10mm～12mm纸垫 条；第3段和第4段加垫5mm～6mm纸垫条。 这样， 在场强集中的部位局部增大了绕组间主绝缘距离， 对降低Emax值是十分有效的， 并且对变压器总体材 料成本影响不大。另外，在高压绕组端部首端第1段 和第2段单独加1．0mm厚的小角环,或加厚端部线 段的匝绝缘，可以显著增强端部的绝缘强度。 此时, 需注意采取上述措施后的端部线段的温升应低于允 许限值。 在现行端部绝缘结构中， 角环必须采用成型角 环，且其形状应尽可能与电场等位面相一致。 如Emax 值较大，可以适当增加成型角环的数目。第一道角环 到高压绕组首段的距离要尽量小， 以减小油隙增强 其击穿强度。 采用现行端部绝缘结构时， 还必须有必要的工 艺保证，如变压器器身的干燥程度、变压器油的净化 9 第 46 卷 程度必须满足要求。 必须采取真空滤油、 真空注油 等。 5 结论 电力变压器端部绝缘设计是主绝缘设计的重要 组成部分， 而合理的绝缘结构设计应以电场的分析 为基础。 笔者通过对220kV电力变压器端部绝缘传 统与现行两种结构的电场计算，得出以下结论。 （1）在传统端部绝缘结构中，变压器油中电场强 度的最大值Emax出现在静电环绝缘层表面，影响Emax 值的主要因素有绕组到压板的距离H、 绕组间绝缘 距离M、静电环曲率半径ρ和静电环绝缘层厚度S。 （2）在现行端部绝缘结构中，变压器油中电场强 度的最大场强Emax出现在绕组端部高、 低压绕组间 的高压绕组第一段尖角处， 与水平线成45的区域 内。影响Emax值的主要因素有H、M和高压绕组端部 导线圆角半径r。 其中M对Emax值的影响最大，其次 是导线小圆角半径r,再次才是H。 （3）现行端部绝缘结构是可行的。虽然Emax值有 所提高， 但可以采取一些措施加强其出现处的绝缘 强度。 （4）采用现行端部结构与采用传统结构相比，主 要原材料成本降低了3％左右。 （5）高压绕组端部导线小圆角半径r对Emax值 的影响很大，r越小Emax值越大。 （6）角环对最大场强的影响可以忽略。然而它具 有分隔油道、延长沿面放电距离的重要作用。 所以， 当最大场强值较大时， 可以适当增加成型角环的数 目。 （7）在电场作用下，复合绝缘中分担的场强与绝 缘材料的介电系数成反比， 绝缘纸和绝缘纸板的介 电系数εz＝4～5，比变压器油的介电系数εy＝2．2高一 倍以上，故油中场强比纸(板)中场强大得多。 如绝缘 纸板的介电系数降低，则油中场强就可以降低，变压 器的绝缘结构尺寸就可能缩小。因此，开发低介电系 数的现行纸板是目前研制开发的方向。 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]路长柏，郭振岩．电力变压器理论与计算[M]．沈阳：辽 宁科学技术出版社，2007． [3]路长柏， 李新．超高压变压器线圈端部三维电场的计 算问题[J]．变压器，1984,31(10):2～7． 收稿日期：2008-10-20 作者简介：韦殿平（1965-），男，黑龙江哈尔滨人，哈尔滨变压器厂高级工程师，主要从事变压器设计工作； 刘文里（1956-），男，黑龙江哈尔滨人，哈尔滨理工大学教授，主要从事变压器相关的研究工作； 勤格勒图（1982-），男，内蒙古集宁人，哈尔滨理工大学电气学院在读研究生，主要从事高电压方面的研究工作； 刘晓丽（1980-），女，内蒙古通辽人，沈阳变压器研究院助理工程师，主要从事变压器设计工作。 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 智光电气两变压器通过试验认证 广州智光电气股份有限公司自主研发制造的ZGHVC- 2500/10F-9干式移相整流变压器顺利通过了电力工业电 力设备及仪表质量检验测试中心试验认证。 另外，DKSC- 1100/200/10.5树脂绝缘干式接地变压器也在沈阳通过 了国家变压器质量监督检验中心试验认证。 智光电气公司研制出的特种变压器在各项试验中均体 现出优异的性能指标。其中，ZGHVC-2500/10F-9干式移相 整流变压器率先采用了自主研制的移相整流变压器负载模 拟装置， 使各移相绕组负载电流达到额定电流的2%偏差以 内，为国内首创。 通过包括干式移相整流变压器的例行试验、 型式试验及特殊试验，特别是该型产品首次圆满完成了接近 工况的温升试验；而DKSC-1100/200/10.5树脂绝缘干式 接地变压器通过了包括接地变压器的例行试验、型式试验及 特殊试验等认证项目。 特别是该型产品首次成功通过了行业 上要求非常苛刻的5kA零序电流0.5s的动稳定短路试验， 绕组无开裂、变形及移位。 智光电气公司于2008年完成了由外协式生产到自主 制造为主的生产模式转型，通过生产线的扩建和试验检验设 施的改造，既扩大了产能，又提高了产品质量。 智光电气公司 表示，它将加快特种变压器的自主批量生产，以缩短供应链， 增强对消弧选线成套产品和高压变频调速系统交货时间和 产品质量的控制，提升成套产品的毛利率，使得为用户在更 短的时间内提供更好的产品和服务有了充足的保证。 10