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变压器设计校核和调试

1 变压器绝缘强度的校核
1.1 图1 线圈端部的电场解析
1.2.2 无局部放电设计
⑴ 局部放电发生的概率
在超（特）高压变压器中，引入无局部放电设计概念，即局部放电发生概率很低（0.1%～1%）的设计。按照韦伯分布 局部放电发生概率P如式（1）计算：
P ＝ 1－exp{-ln2×（E/E50）-m} （1）
式（1）中：
E － 对应概率P的场强 kV/mm；
E50 － 50％局部放电发生概率对应的场强 kV/mm；
m － 韦伯分布的形状系数，对于不同的绝缘部位和试验电压种类，形状系数不同。例如有的公司给出如表1所示m值：
表1 形状系数 m
绝缘部位
工频
冲击
纸隔板间油隙
15.2
9.8
纸板外侧油（引线外表面）
9.5
11.3
绝缘支架
10.1
12.2
⑵ 绝缘油的许用场强
国际上常用的“魏德曼油曲线”，给出了低局部放电发生概率的场强与油隙长度的关系，如图2所示：

图2 “魏德曼”油曲线（局放概率1~2）
图2中：
曲线1 － 脱气油，绝缘电极；
曲线2 － 气饱和油，绝缘电极；
曲线3 － 脱气油，无绝缘电极；
曲线4 － 气饱和油，无绝缘电极。
对于曲线1～4的表达式如式（2）所示：
Epd ＝ E1×d-a kV/mm； （2）
式（2）中：
Epd － 局部放电起始场强 kV/mm ；
E1 － 油隙长度为1mm的局部放电起始场强，对应于曲线1、2、3和4，E1分别为21/17.8/17.8/13.5；
d － 油隙长度 mm；
a － 指数，对应曲线1、2、3和4，a分别为0.37、0.364、0.364和0.364。
（油隙越大，起始场强就越低，发生局方的可能性越大）
500kV变压器的油隙仅7mm，线圈有轴向油道
电极面越大击穿电压于小。
1％～2％的发生概率，且是均匀电场的情况。
各种试验研究表明，油隙的局部放电起始场强还取决于油的体积、油的特性（水分和颗粒度），以及电场的均匀程度等因素。在实际运用中，对图2或式（2）所示局部放电许用场强，要留有较大的安全系数。
关于油体积效应：
超（特）高压变压器的容量大，体积也大，即电极间油体积增加会带来油绝缘强度的降低。通常认为油体积增大带来较多的杂质，从而导致绝缘击穿的概率上升，绝缘强度降低。图3给出，油体积从10－6cm3 到10 5cm3的范围，油击穿场强的下降情况。在雷电冲击电压下，也存在类似的下降。

图3 工频1min的击穿场强与电场油体积的关系
关于油颗粒度和水分的影响：
图4给出油中水分和颗粒污染对油绝缘强度的影响。

较清洁油 轻污油 重污油
图4 工频分级加电压下，同轴圆柱电极的1％概率耐受强度试验数据
国际大电网会议资料介绍了多起因油中颗粒导致变压器故障的实例。例如，委内瑞拉的两台新800kV变压器因滤油机的滤芯损坏，投运仅15分钟左右，在低场强区的纸隔板处发生故障。巴西四台800kV变压器，运行仅2～6周，因冷却器内的油漆剥落，高压引线对油箱壁故障。该批冷却器曾在户外不当储存，水进入其中。加拿大的765kV变压器在近30年的时间里，先后有约40只765kV套管均压球或引线在出线绝缘处发生放电，均压球与油箱壁的距离d为400mm，该部位对油中颗粒比较敏感，如图5所示。
图5 765kV套管均压球故障部位
各种电极和颗粒情况的试验结果汇总，如表2所示。
表2 颗粒对裸电极油绝缘强度的影响
序号
电极形状
升电压速度

含水量
(ppm)
大于5 µm/100ml颗粒数
击穿电压或耐受电压下降
颗粒类型
清洁/污染油
1
半球盖VDE d1mm
0.5 kV/s

无金属
1900/78000
35%
2
半球盖VDE d 1mm
0.5 kV/s

金属
6000/109000
45%
3
半球盖VDE d 2mm
0.5 kV/s
20
铁45 µm
2000/200000
50%
4
半球盖VDE d 2mm
0.5 kV/s
20
铜45 µm
2000/20000
40%
5
半球盖VDE d 2mm
0.5 kV/s
20
纤维45 µm
2000/100000
25%
6
半球盖VDE d 1mm
0.5 kV/s
10
铝
5000/100000
25％
7
IEC d 2.5mm
连续2 kV/s
10
工厂自然
3500、13000
4％
8
半球盖VDE d 2mm
0.5 kV/s
10
碳
200/20000
15％
9
半球盖VDE d 2mm
1min1kV
10
碳
200/20000
29％
10
圆柱 d 0.5mm
1min1kV
10
碳
200/100000
56％
11
圆柱 d 2mm
1min1kV
10
碳
200/20000
27％
12
半球盖VDE d .5mm
1min1kV
15
现场自然
200/20000
42％
13
半球盖VDE d 2mm
1min1kV
15
现场自然
200/20000
28％
14
圆柱 d 2mm
1min1kV
15
现场自然
200/20000
38％
15
圆柱 d 1mm
1min5kV
15
纤维粒

30％
16
圆柱 d 1mm
1min5kV
15
纤维丝

63％
由表2看出，序号1与序号2相比，金属颗粒比无金属颗粒的影响大（因序号2的a值大）；序号3、4与序号5相比，铁和铜金属颗粒的影响比纤维颗粒的影响大；序号8与序号9相比，升电压速度慢时，颗粒影响大；序号13与序号14相比，后者是圆柱电极，油体积大，颗粒的影响也大；序号15与序号16相比，纤维丝的影响比纤维粒大。
有资料对交流电压下油中颗粒度对大油隙的击穿电压的影响进行了研究。直径280mm的球形－平板电极，间隙距离600mm，油中添加纤维颗粒或搅动油均使击穿电压明显降低，如图6所示（图中电压为峰值，不是有效值）。油中不添加纤维颗粒也不搅动（静放4天）的击穿电压最高约1100kV；搅动油后，击穿电压为660kV，下降约40％；添加纤维颗粒并搅动，击穿电压进一步降低。油中即使不人为添加纤维颗粒，其原有的少量颗粒仍会因搅动而移动至高压电极，导致击穿电压降低。

图6 油中添加纤维颗粒或搅动对击穿电压的影响
⑶ 设计合理的绝缘结构
设计合理的绝缘结构，主要着力点是使电场均匀并防止沿纸板绝缘表面爬电。如图1所示的端绝缘，线圈端部静电板的边沿圆整化，降低表面场强；设置多层绝缘角环，合理分割端部油隙，提高油隙的许用场强；绝缘角环的圆弧与电场的等位面重合，使固体绝缘表面场强降低，防止沿面放电等。此外，在绝缘结构的设计中还应避免出现长油隙，例如线圈对油箱，以及同一绝缘螺栓穿透多层绝缘隔板等情况。如图7所示，左图为同一绝缘螺栓穿透多层绝缘隔板，在螺栓处形成“长油隙”；右图则巧妙地采用两只绝缘螺栓交错布置，即避免了“长油隙”，又实现了多层绝缘隔板的紧固。

图7 避免同一绝缘螺栓穿透多层绝缘隔板
为避免绝缘螺栓处形成密闭空腔，应在螺帽垫块处开槽，以便对螺纹间隙抽真空和浸油。
图8 高－低－高结构的连线绝缘此外，线圈端部静电板及其引出线部位的电场较复杂，也应进行校核。要严格相关部位的包扎工艺，注意静电板等位线的焊接和引出。
图10 双绕组变压器漏磁示意国家标准GB 1094.5－2008《电力变压器第5部分：承受短路的能力》，提出了对变压器承受短路能力的理论评估方法。在设计评审中，应检查产品设计中所出现的最大临界机械力和应力的数值或与一台短路试验合格的、且与该待评估变压器类似的参考变压器相应数值进行比较，或采用国家标准指导的机械力和应力数值检查变压器的设计。
3.2
图23 简支梁受力示意

4 变压器调试中几个重点试验项目
4.1 绝缘电阻和介质损耗因数测试
4.1.1 变压器绕组绝缘电阻、吸收比和极化指数测试
变压器绝缘电阻取决于绝缘状况、几何尺寸和绝缘油的绝缘电阻等因数；绝缘电阻的吸收比增加反映吸收过程，有利于对不良绝缘状况的判断；极化指数延长了测试时间，对大容量高绝缘电阻的变压器绝缘状况的判断更准确。
进行该项测试时，（介质“极性粒子”在电厂的作用下翻转，翻转时的挤压，产生损耗—介损。好的套管，随着温度的升高，介损下降，变压器也是一样。受潮后，介损会升高）
4.2 变压器绕组直流电阻测试
（加大电压，可以缩短测试时间，但加大电流，容易产生铁心剩磁）
4.3 变压器局部放电试验