（电气工程专业论文）scb11160010树脂绝缘干式电力变压器的研发.pdf

矽 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：立事选 日期：婴! 垒! 垒：16 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：鞋导师签名：孟链日 期：趁! 垒：12 ：! 亟 山东大学工程硕士学位论文 目录 目录 摘要 a b s t r a c t 第一章绪论 1 1 干式电力变压器的发展概况 1 2 干式电力变压器的优点 1 3 干式电力变压器的分类 1 4 干式电力变压器的标准 1 5 课题来源及研究内容 第二章主要绝缘材料 2 1 变压器绝缘材料概述 2 2 树脂浇注干式电力变压器绝缘材料 第三章干式电力变压器的漏磁场分析 3 1 概述 3 2 简化计算模型 3 3 计算结果与验证分析 3 3 1 绕组漏磁场分布 3 3 2 箔式绕组导体涡流损耗 3 3 3 负载损耗及其分析验证 第四章干式电力变压器绝缘分析 4 1 干式电力变压器绝缘 4 1 1 干式电力变压器绝缘结构中的电场 4 1 2a n s y s 分析端部电场 4 2 干式电力变压器绝缘距离的确定 4 2 1 干式电力变压器主绝缘距离确定 4 2 2 变压器纵绝缘 4 3 变压器绕组波过程 1 i 1 l 2 3 5 5 6 6 6 9 9 9 0 0 2 3 5 5 5 o 2 2 6 8 1 l 1 1 1 l 1 c 、i 1 二，二，、l 2 山东大学工程硕士学位论文 4 3 1 冲击波作用下的等值电路 4 3 2 改善电压起始分布 干式电力变压器的局部放电 4 4 1 局部放电量的故障分析降低局部放电量的措施 4 4 2 降低局部放电量的措施 绝缘老化 4 5 1 电老化 4 5 2 热老化 4 5 3 局部放电老化 干式电力变压器的设计 变压器铁心的选取 线圈的设计 短路阻抗计算公式 负载损耗的计算 5 4 1 电阻损耗 5 4 2 附加损耗 s c b l l 1 6 0 0 1 0 干式电力变压器的设计 干式电力变压器的温升计算 概述 二维非稳态温度场的计算模型 6 2 1 定解问题 6 2 2 完全散热面和不完全散热面的散热特性 6 2 3 有限差分算法 6 2 4 计算结果分析 6 2 5 增容对热点温度的影响和强制对流方案的效果 干式电力变压器短时工作的温升 干式电力变压器承受短路能力的分析 干式电力变压器短路时的应力 抗短路措施 环氧树脂变压器抗短路能力的优越性 0 3 3 4 4 5 6 7 7 9 9 l 2 6 6 6 7 3 3 3 3 4 4 5 6 6 8 8 9 d 如 ” 弱 靳 卯 卯 剪 ” 钒 铊 铂 钉 弱 弱 钌 弱 舛 舛 钙 鲐 铭 鼹 约 山东 7 4 干式电力变压器 第八章结论 附录：s c b l1 1 6 0 0 1 0 参考文献 致谢 山东大学工程硕士学位论文 山东大学工程硕士学位论文 摘要 随着城市向现代化发展，城市供电负荷逐年增加，电力变压器成为人们生活 中的一种关键设备。根据g b j 4 5 8 2 高层民用建筑设计防火规范标准规定：油 浸电力变压器不得布置在高层主体建筑内( 含地下室) 。 由于干式电力变压器具有运行安全可靠，维护简单，适用于防火要求高的场 所，能够深入负荷中心等优点。在短短的十几年的时间里，作为一个新兴的变压 器分枝，干式电力变压器在中国的发展非常快，已经成为传统油浸式配电变压器 的主要替代品之一。 树脂绝缘干式电力变压器已是当今我国变压器行业的热点产品，国内生产厂 家纷纷引进国外智力，从而造成了我国树脂绝缘干式电力变压器种类繁多。从而 在干式电力变压器的设计和制造工艺中也存在差异，干式电力变压器的性能也存 在差异，在国内的干式电力变压器计算中没有统一的研究和公式。 根据对这些存在的干式电力变压器种类进行分析，主要是对产量最大的树脂 浇注干式电力变压器进行优化设计研究，端部漏磁场，电场数值分析，局部放电 问题，绝缘水平和抗短路水平以及噪声水平等问题的研究。 对树脂绝缘干式电力变压器s c b l1 - 1 6 0 0 1 0 进行优化设计，并对其端部漏磁 场和电场进行分析，对绝缘距离的选取，局部放电，温升以及抗短路能力等方面 进行了详细论述。 所研发的变压器通过了电力工业设备质量检验测试中心的试验，并获得了合 格的检测报告! 关键词：漏磁场；电场；绕组波过程；局部放电；树脂绝缘干式电力变压器。 山东大学工程硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h em o d e mu r b a nd e v e l o p m e n t ，u r b a np o w e rs u p p l yl o a di n c r e a s e dy e a rb y y e a r , t h ep o w e rt r a n s f o r m e r sb e c o m eak e yd e v i c ei nt h ep e o p l el i f e a c c o r d i n gt o g b j 4 5 - 8 2 ( ( f i r ep r o t e c t i o nd e s i g no ft a l lb u i l d i n g s ) ) s t a n d a r dp r o v i d e s ：o i l - p o w e r t r a n s f o r m e r ss h a l lb ei n s t a l l e di nh i 曲一r i s em a i nb u i l d i n g ( i n c l u d i n gb a s e m e n t ) a st h ed r ) r - t y p e p o w e rt r a n s f o r m e rh a s as a f ea n dr e l i a b l eo p e r a t i o n , e a s y m a i n t e n a n c ea n df i r es a f e t yr e q u i r e m e n t sa p p l i c a b l et oh i g hp l a c e s ，c a ng ot ol o a d c e n t e r sa n ds oo n i nj u s tt e ny e a r st i m e ，a san e wt r a n s f o r m e rb r a n c h e s ，d r yt y p ep o w e r t r a n s f o r m e r si nc h i n a sd e v e l o p m e n ti sv e r yf a s t ，h a sb e c o m eat r a d i t i o n a lo i l - i m m e r s e d d i s t r i b u t i o nt r a n s f o r m e ro fo n eo ft h em a i na l t e r n a t i v e s r e s i ni n s u l a t i o nd r y t y p ep o w e rt r a n s f o r m e ri st h et r a n s f o r m e ri n d u s t r yi nc h i n a t o d a yi s ah o tp r o d u c t s ，d o m e s t i cm a n u f a c t u r e r sh a v et h ei n t r o d u c t i o no ff o r e i g n i n t e l l i g e n c e ，w h i c hc a u s e do u rr e s i ni n s u l a t i o nd r y - t y p ep o w e rt r a n s f o r m e r sv a r i e t y s o i nt h ed r y - t y p ep o w e rt r a n s f o r m e rd e s i g na n dm a n u f a c t u r i n gp r o c e s s e sa r ea l s od i f f e r e n t ， t h ep e r f o r m a n c eo fd r y - t y p ep o w e rt r a n s f o r m e r sa r ea l s od i f f e r e n c e si nt h ed o m e s t i c d r y - t y p ep o w e rt r a n s f o r m e rc a l c u l a t i o n sa n df o r m u l a sr i ou n i f i e ds t u d y b a s e do nt h e s ee x i s t i n gt y p e so fd r y - t y p ep o w e rt r a n s f o r m e ra n a l y s i s ，t h em a i n y e sr i g h tl a r g e s to u t p u to fr e s i nc a s t i n gd r yt y p ep o w e rt r a n s f o r m e r , d e s i g no p t i m i z a t i o n s t u d i e s ，d i s c h a r g ep r o b l e m s ，s h o r t - c i r c u i tl e v e lo fi n s u l a t i o nt h ep r o b l e mo fn o i s el e v e l r e s i ni n s u l a t i o nd r y - t y p ep o w e r t r a n s f o r m e r ss c b l l - 1 6 0 0 1 0o p t i m i z e d ，a n di t se l e c t r i c f i e l dd i s t r i b u t i o ne n d ，t h ei s s u eo fp a r t i a ld i s c h a r g e ，i n s u l a t i o nl e v e l sa n dr e s i s t a n c et o s h o r t c i r c u i tl e v e la 1 1 dn o i s el e v e l 。ni s s u e ss u c h 嬲a n a l y s i sa n dr e s e a r c h i nt h e m a n u f a c t u r eo ft h ep r o c e s so ft a k i n gm e a s u r e sa i m e da tr e d u c i n gn o i s e f i n a l l yt r a n s f o r m e r , w a st e s t e db ye l e c t r i cp o w e ri n d u s t r yq u a l i t ya n dt e s t c e n t e r st e s t ，a n dr e c e i v e daq u a l i f i e dt e s tr e p o r t ! k e y w o r d s ：l e a k a g em a g n e t i cf i e l d ； e l e c t r i cf i e l d ； w i n d i n gw a v ep r o c e s s ；p a r t i a l d i s c h a r g e ； r e s i ni n s u l a t i o nd r y - t y p ep o w e rt r a n s f o r m e r s i i 山东大学工程硕士学位论文 第一章绪论 1 1 千式电力变压器的发展概况 变压器是指通过电磁感应原理，以相同的频率在两个或更多个绕组间交换交 流电压和电流，而传输交流电能的一种静止电器。 1 9 世纪初英国法拉第( 1 7 9 1 1 8 6 7 ) 确定了电磁感应原理后，在1 8 7 6 年，应 用感应原理制成了世界上第一台配电干式变压器，在其后的一段时间内，制造的 变压器均是以空气为绝缘的介质的干式电力变压器。但直到二十世纪中叶，干式 电力变压器仅局限于低电压和小容量的变压器制造中。 二十世纪五十年代末六十年代初，随着环氧树脂等新材料的出现，世界上研 制成功了环氧树脂真空浇注的干式电力变压器，并迅速在3 5 k v 及以下电压等级的 配电变压器等诸多领域获得广泛应用。据统计，仅3 0 年来，干变得到了迅速发展， 特别是在配电变压器中，干变所占比例愈来愈大，如欧美发达国家已占5 0 以上。 全国干式电力变压器每年以高达2 0 以上的增长率递增：1 9 8 9 年约7 0 0 m v a ，1 9 9 1 年就超过了1 0 0 0 m v a ；1 9 9 5 年- 6 2 0 0 m v a ，1 9 9 6 年- 7 5 0 0 m v a ，1 9 9 7 年 一8 8 0 0 m v a ，1 9 9 8 年近1 0 0 0 0 m v a 。1 1 】 随着城市电网改造工程的加快，我国由于引进了国外的先进技术，不但干式 电力变压器生产厂家主要生产能力有了较大增长，而且干变的技术水平也有了大 幅度提高。目前，国内外变压器生产厂家主要根据绝缘材料的供应情况，多数生 产厂家生产了绝缘材料耐热等级为f 、h 级的干式电力变压器；生产的单台最大容 量为2 0 0 0 0 k v a ，最高电压等级为1 1 0 k v 。国内大多数厂家大批量生产主要集中于6 ， 1 0 k v 电压等级，低压为4 0 0 v ，容量为3 0 3 1 5 0 k v a 的配电干式电力变压器。 我国干式电力变压器制造技术的研究、创新，主要集中性能参数的优化等方 面，特别是在变压器的损耗及声级水平这些世界性课题的研究上，我国已经取得 了诸多可喜的成绩，使得我国干变的损耗( 特别是空载损耗) 及噪声大幅度下降。 目前生产的s c b l l 或s g b l 0 型干式电力变压器符合国家标准g b t 1 0 2 2 8 2 0 0 7 干 式电力变压器技术参数和要求，其性能参数已达到世界先进水平。 随着干式电力变压器的推广应用，其生产制造技术也获得长足发展，向着节 能低噪，高可靠性，环保特性认证，大容量，以及多功能组合方面发展，而且从 单纯的以配电变压器为主，向发电站厂用变、励磁变、地铁牵引整流变、大电流 1 和爆炸的危险。由于干式电力变压器绝缘均为难燃材料，即使运行中变压器发生 故障而引发火灾或有外来火源，也不会使火灾的灾情扩大。 ( 2 ) 、干式电力变压器不会像油浸式变压器那样存在渗漏油问题，更无变压 器油老化等问题，通常干式电力变压器运行维护和检修工作量大为减少，甚至可 以免维修。 ( 3 ) 、干式电力变压器一般为户内式装置，对特殊需要的场所亦可以制成为 户内式。对户内式而言，它可以和开关柜安装于同一室内，并可以和开关柜共用 一个外壳，从而可以减少安装面积。 ( 4 ) 、干式电力变压器由于无油，故其所属附件也少，无储油柜、压力释放 和油门等部件，因此也不存在密封等问题。 2 ： 山东大学工 由于干式电力变压器具有以上优 可以预见，随着国民经济的发展，要求防火的场合还将不断增加，因而干式 电力变压器还将有较大发展。 1 3 干式电力变压器的分类 我国生产的干式电力变压器，按其制造工艺可分为浸渍空气绝缘或普通干式 电力变压器、浇注绝缘干式电力变压器和绕包绝缘干式电力变压器，后两者均为 树脂绝缘干式电力变压器。在全世界范围内，浸渍式干式电力变压器同环氧树脂 浇注干式电力变压器一样，是平行发展的，而需求量也基本相同。 1 浸渍式空气绝缘干式电力变压器 该种变压器生产历史最长，制造工艺也比较简单。随浸渍漆的不同，变压器 绝缘分b 、f 、h 、c 级，主纵绝缘的空道全部以空气为绝缘介质。由于此种变压 器受外界环境的影响比树脂的大，在国内产量趋于减少。 目前国内外能与树脂浇注干式电力变压器相抗衡的是新型的浸渍式干式电 力变压器。这种产品的绝缘耐热等级高，一般为h 级，也有c 级。浸渍工艺有压 力浸渍( v i p ) 工艺及真空浸渍( v i ) 工艺。【7 】 对绕组或器身整体进行真空压力浸漆有：美国杜邦公司推出的r e l i a t r a n 干式 电力变压器，其绝缘结构采用了n o m e x 纸和纸板等绝缘材料，耐热等级为h 级， 超铭牌额定值运行能力强、抗短路能力强，噪声较低。此外，还有江苏中电设备 制造公司引进了美国杜邦技术，生产的s g l 0 系列浸渍式干式电力变压器，该产品 采用n o m e x 纸作为导线绝缘，绝缘耐热等级为h 级，敞开式通风冷却。 采用真空浸漆工艺的是以德国m o r a 干式电力变压器为代表，其导线采用玻璃 丝布绝缘，线段间采用瓷垫块，高压绕组为连续式，低压绕组采用线绕或箔绕导 线直接绕于玻璃钢筒上。高、低压绕组及绝缘筒在真空罐中进行常压下浸渍h 绝 缘漆，再加热烘干。 由于散热条件好，浸渍式干式电力变压器绕组的最热点温度比平均温升高出 不多，温度比较均匀，所以热寿命长。 2 环氧树脂浇注绝缘干式电力变压器 环氧树脂浇注绝缘干式电力变压器是指低压绕组用箔板( 铝或铜) 或扁线绕 制，高压绕组用箔带( 铝或铜) 或用扁、圆线绕成分段式圆筒式，然后装入浇注 3 山东大学工程硕士学位论文 模。用树脂浇注或加石英粉的树脂浇注。树脂浇注厚度一般为2 3 m m 厚。同时树 脂浇注比加石英粉的浇注变压器成本要高1 0 , - - 1 5 。为了节约成本，并且变压器 外观美观，大多数厂家采用加有填料( 即添加石英粉) 浇注方式，而且如今国内 树脂生产厂家直接生产加好填料的树脂，在使用时，再与固化剂相配合即可以进 行浇注，从而使变压器生产厂既节约了成本，又能提高效率。 树脂浇注绝缘干式电力变压器的特点： ( 1 ) 阻燃。环氧树脂为基料的绝缘胶，由于其自身的难燃性，因而不会在发 生火灾时助燃。 ( 2 ) 防潮和耐尘。 ( 3 ) 结构坚固。 ( 4 ) 超铭牌额定值运行能力强。 ( 5 ) 维护简便。 3 树脂绕包绝缘干式电力变压器 低压绕组结构与前种结构相同。高压绕组在绕线机上绕包，内模为环氧玻璃 布筒。绕包时，边绕导线，边绕玻璃纤维( 占8 0 ) ，经过一树脂槽将浸好树脂的 纤维复绕在已绕好的导线上面。待整个绕组绕完后，进烘箱加热固化，使其成为 一整体。这种结构不需要浇注模，制造成本低，经济性能好，但是表面质量稍差 于环氧树脂浇注干式电力变压器。 4 混合式树脂绝缘干式电力变压器 混合式绝缘干式电力变压器有两种形式：一种是高压绕组采用浇注绝缘，而 低压绕组部分采用浸渍绝缘。另外一种是高压绕组采用绝缘浇注的绕组，而低压 绕组用箔绕制的箔式绕组，层间绝缘采用预浸玻璃丝布，经过加热固化形成一整 体，绕组有环氧树脂端封。1 1 l 这种类型变压器是生产最多，最普遍的干式电力变压器。本文研究 和开发的产品s c b l l 1 6 0 0 1 0 树脂绝缘干式电力变压器即是低压为箔 式绕组，高压为树脂浇注的混合式树脂绝缘结构。 1 4 千式电力变压器的标准 4 现阶段我国有效的干式电力变压器标准是g b l 0 9 4 1 1 2 0 0 7 ( ( 电力变压器第1 l 山东大学工程硕士学位论文 部分：干式电力变压器，与g b t 1 0 2 2 8 2 0 0 8 干式电力变压器技术参数和要求， 该标准是干式电力变压器设计的唯一依据，也是产品性能参数及质量要求的规范。 在标准中规定了使用条件、定额、冷却方式和温升、绝缘水平、试验和技术要求 等内容。同样也必须符合g b l 0 9 4 1 1 9 9 6 电力变压器第一部分总则， g b l 0 9 4 2 1 9 9 6 电力变压器第二部分温升，g b l 0 9 4 3 2 0 0 3 电力变压器 第三部分绝缘水平和绝缘距离和g b l 0 9 4 5 2 0 0 8 电力变压器第五部分抗 短路能力。 1 5 课题来源及研究内容 本课题来源于所在工作单位济南清河电气有限公司的树脂绝缘干式电力变压 器产品，对产品型号是s c b l l 1 6 0 0 1 0 ，即高压电压为1 0 k v 、低压电压为4 0 0 v 的 树脂浇注干式电力变压器进行设计，并使其通过国家检验机构的检测。在设计中 主要针对以下内容进行研究，包括：1 、根据最优设计技术的研究在满足性能 指标的条件下，降低变压器的有效材料成本及损耗是变压器最优设计原则，调整 有效材料费用比是实现变压器的最优设计。2 、应用有限元法，对干式电力变压器 端部电场进行了数值分析计算，通过对不同u 、h 的多方案计算，得出了影响干式 电力变压器端部电场的主要因素，对干式电力变压器端部绝缘结构进行设计。3 、 在设计中温升的计算通过对散热系统的分析，在确保产品安全可靠性的前 提下，改善产品结构，达到降低产品损耗、噪音和局放，增强产品抗短路性，提 高产品质量的目的。4 、对最热点位置的分析一分析额定负载下干式电力变压器 铁心和绕组内部温度场分布情况，选用有限差分法进行分析对比，以进一步确定 变压器内部最热点位置。5 、在设计和生产中为降低树脂浇注干式电力变压器局部 放电量采取的有效措施。6 、提高树脂浇注干式电力变压器承受短路能力的措施等 等。 5 e ( 1 2 0 。c ) 、b ( 1 3 0 。c ) 、f ( 1 5 5 。c ) 、h ( 1 8 0 。c ) 和c ( 2 2 0 。c ) 级。环氧树脂浇注变压器一 般为f 级绝缘等级的绝缘材料制成。 2 2 树脂浇注干式电力变压器绝缘材料 ( 1 ) 、浇注树脂绝缘材料：应用较为普通的环氧树脂配料是瑞士c i b a g e i g y 生 产的c y l 9 2 环氧树脂和h y 9 1 8 固化剂，按照1 0 0 ：1 0 0 的重量比配合，并加入少 量的d y 0 6 2 促进剂，以及少量的色浆和2 0 0 重量比的填料。1 4 5 1 1 4 8 1 i 、环氧树脂 环氧树脂分子中至少带有两个环氧基c h 。o c h 2 ，固化前是线性分子结构， 使用固化剂使其交联成网状结构的不熔的大分子固化物，以使其具有优异的电气、 机械性能。 环氧树脂种类较多，但产量最大，应用最广的是双酚a 型环氧树脂，它是由 双酚a 与环氧丙烷在n a o h 存在下缩合时生成的双缩水甘油醚型环氧树脂。这种 树脂的原料来源方便，成本低。但是双酚a 型的环氧树脂属于户内用环氧树脂。 根据用户要求也可以生产户外用环氧树脂浇注变压器，但是要采用脂环族环 6 山东大学工程硕士学位论文 氧树脂，这种树脂是既耐高温( 可作为h 级绝缘用) 而粘度又很小，固化慢，需 要加热固化的环氧树脂；由于无其他极性基，介电性也较好，同时它比双酚环氧 树脂耐紫外线，具有较大的热稳定性和较高的机械强度。 i i 、环氧树脂固化剂 环氧树脂的固化剂种类很多，固化反应各异。环氧树脂浇注变压器多采用酸 酐类固化剂。它的毒性较小，固化时低分子物极少，固化时放热慢，不易产生开 裂，固化物的电气性能，机械性能和耐热性好，特别是液体酸酐使用方便。 随着科技的发展，如今的固化剂生产厂家为了提高产品使用的简单性，在固 化剂中增加了促进剂、阻燃剂以及增塑剂，并且对于需要添加填料的树枝和固化 剂，也提前按照比例加入。从而环氧树脂浇注干式电力变压器生产厂家在对浇注 线圈配料时直接把树脂和固化剂按照1 0 0 ：1 0 0 的重量比直接加入预混罐中或混料 罐中，既节约了时间又节约了设备。 i i i 、色浆( 染色剂) 在环氧树脂混合料中加入少量的色浆，其目的是使浇注体着色，以获得所需 要的颜色。条件是：着色力强，分散性好，优良的耐热性，对于f 级的应在1 5 5 。c 不分解，不褪色，具有良好的电气性能。 、填料 在浇注绝缘时，环氧树脂固化过程中加以适量的填料，不仅可以减少环氧树 脂用量，降低制造成本，同时还可以改善固化物的机械特性，降低固化时的收缩 率和热膨胀系数，增加导热系数，提高耐热性。在浇注绝缘中通常加以石英粉、 瓷粉等作为填料。 ( 2 ) 、f 级d m d 高熔点的聚酯薄膜和用热轧法制造的聚酯纤维非织布并以f 级胶粘合剂粘合 而成，属于f 级绝缘。一般用于高压线圈导线之间的层间绝缘。 ( 3 ) 、f 级d m d 环氧预浸布 在f 级d m d 的外层浸上f 级环氧树脂胶，用于低压铜箔之间作为层间绝缘， 当线圈绕制后，直接进入烘箱中加热，使铜箔于层间绝缘成为一体。 ( 4 ) 、环氧玻璃网格 环氧玻璃网格放在线圈的内外层，浇注的树脂通过f 级环氧玻璃网格形成浇 注层，起到支撑作用。它与浇注线圈的环氧树脂牢固地结合在一起，好比混凝土 7 山东大学工程硕士学位论文 中的钢筋框架，它可防止浇铸件由于冷热效应以及线圈突发短路时的巨大电动力 引起的线圈外绝缘层开裂，它大大提高了线圈的整体机械强度。 ( 5 ) 、玻璃纤维短切毡 主要成分为s i 0 2 ，无机纤维材料，耐高温，在2 5 0 0 c 以下机械、电气性能稳定。 抗张强度是纤维中最好的。特点：具有与树脂良好的亲和性，脱泡性，易成型等。 用于高压线圈段和段之间，以及引线凸台处的填充，从而使浇注线圈更加坚固。 8 山东大学工程硕士学位论文 3 1 概述 第三章干式电力变压器的漏磁场分析 s c b l l 1 6 0 0 1 0 干式电力变压器低压线圈为箔式线圈，虽然箔式线圈以其工艺 制造机械化程度高与铁窗填充系数好和节材、节能等特点，日益受到变压器制造 企业与配电网用户的关注，其市场需求和容量也在不断地增加。但是，由于箔式 变压器漏磁场会在箔式绕组导体中产生极不均匀的涡流和涡流损耗，尤其是随着 变压器容量的不断增加，箔式变压器绕组漏磁场、附加损耗和温升问题会更加突 出。而目前传统的负载损耗设计方法难以反映绕组布置结构和导体材料( 铜或铝， 导体或箔导体) 对绕组涡流损耗分布的影响。所以，下面对绕组的漏磁场、涡流 和涡流损耗等的分布特性进行数值分析。 3 2 简化计算模型 1 6 0 0 k v a 1 0 k v 箔式变压器为多层圆筒式双绕组结构。其中，低压绕组采用铝 箔，并用轴向气道将绕组分成3 层，高压绕组采用扁导线，在轴向上分为6 段。 缈 口 口 口 口 口 图3 1 简化计算模型 根据箔式变压器绕组的结构布置特点，利用有限元方法计算时的模型如图3 1 所示，并作如下假定： ( 1 ) 根据箔式变压器绕组漏磁场和附加损耗等的计算要求和三相结构对称性， 计算按单相模型并取铁心中心对称剖面的二分之一。 ( 2 ) 由于求解对象为开域问题，因此，除模型左侧边界为铁心中心线外，其余 边界取至铁心或绕组足够远的距离；上、下、左、右边界均施加一类齐次边界条 山东大学工程硕士学位论文 卜- 迨 谗 ! 鞲 帮 噢 宦 辎 绕组高度1 3 n 图3 7 高压绕组横向磁通密度分布 从图3 2 图3 7 可以看出，绕组漏磁场分布上、下对称，纵向漏磁场密度沿 本身高度呈波浪形分布，其最大值为0 0 5 1 3 t ；低压绕组各层横向磁通密度沿本身 高度的分布在绕组端部具有最大值，并且从靠近铁心的低压内层n 多 i - 层的最大磁 通密度分别为0 0 3 2 t 、0 0 2 8 t 和0 0 2 2 8 t 。因此，横向磁通密度在低压绕组内层的 端部将产生较大的涡流与涡流损耗。由于受到高压绕组段间气隙的影响，高压绕 组各层横向磁通密度沿本身高度的分布出现几个不同的峰值，其横向漏磁通最大 值并不一定在绕组端部。靠近主气道的高压绕组内层到外层的最大横向磁通密度 分别为0 0 11 7 t 和0 0 1 5 3 t ，并分别出现在靠近绕组端部的段间气隙附近和绕组端 部，因此，横向磁通密度在高压绕组对应的部位将产生较大的涡流损耗。 3 , 3 2 箔式绕组导体涡流损耗 对于普通扁导线和圆导线组成的绕组导体通常忽略涡流的去磁作用，但对于 箔式绕组导体，由于其面积大、厚度薄的特点，因此，由漏磁通在其中产生的涡 流效应不容忽视。利用有限元方法得到矢量磁位彳后，利用下列公式可以得到箔 式绕组导体的涡流密度和总的电流密度。 謦 涡流密度上的计算公式为： 正= 一扣仃彳( 3 2 ) 总电流密度，的计算公式为： ，= 五一j o ) a a( 3 3 ) 根据上述公式可以获得箔式变压器绕组导体考虑涡流影响后的总的电流密度 沿绕组高度的分布，如图3 8 图3 1 0 所示( 图中虚线表示电流密度平均值) 。 1 2 山东大学工程硕士学位论文 甲 仁 虹 溢 椎 签 甲 虹 溢 搬 套 o绷锄 7 5 0 l 咖 绕组高度nr y l 图3 - 8 低压绕组第一层的电流密度 oz 孙锄7 即舢 麴高度n n 图3 - 9 低压绕组第二层的电流密度分布 o2即57 即l l l o a 绕组高度n n 图3 10 低压绕组第三层的电流密度分布 由此可知，最大电流密度出现在绕组端部，并且从靠近铁心的低压绕组内层 到外层的最大值分别为7 5 9 a m m 2 、6 3 3 a r a m 2 和5 10 a m m 2 ，己知低压绕组电流 密度设计值( 不含涡流) 为1 1 5 5 a m m 2 ，因此，低压绕组最大电流密度设计值是 设计值的6 5 倍，沿绕组高度极不均匀的电流密度在低压绕组中易出现损耗密度过 大和局部过热问题。 3 3 3 负载损耗及其分析验证 利用变压器漏磁场及特性参数计算软件，我们可以得出1 6 0 0 k v a 箔式变压器 绕组各层涡流损耗。表3 1 中列出了箔式变压器在1 2 0 。c 时的绕组各层损耗与单 位体积最大涡流损耗密度p v ，表中的p e v 表示绕组单位体积最大涡流损耗密度，p w 一 1 3 山东大学工程硕士学位论文 表示绕组单位体积直流电阻损耗密度。 表3 11 6 0 0 k v a 1 0 k v 箔式变压器绕组各层的损耗计算结果 绕组低压 高压 层号 123 1 直流电阻损耗p ，( k w ) 1 3 21 5 21 7 1 6 4 2 涡流损耗p 。( k w ) o 0 8o 1 2 o 2 l0 3 8 5 p 。与p ，之比值 o 0 60 0 7 90 1 2 2 8o 0 6 p 。v 与p 之比值 5 9 34 9 44 0 70 2 6 5 p v k w m - 3 1 1 2 09 2 57 8 32 9 9 7 绕组总损耗( k w ) 4 9 66 8 0 5 从表3 1 中的计算结果可知，由于绕组涡流损耗与磁通密度及导体的截面尺寸 的平方呈正比。因此，根据绕组横向漏磁通密度分布结果，横向漏磁通在绕组两 端部会产生较大的横向涡流损耗。其中，低压箔绕绕组的单位体积最大涡流损耗 密度可达直流电阻损耗密度值的6 倍，其对应的单位体积最大损耗密度值为 1 1 2 o k w m 3 ，并且出现在低压绕组内层两端部附近；而高压绕组的单位体积最大 涡流密度值约为直流电阻损耗密度值的0 2 6 5 倍，其对应的单位体积最大损耗密度 值为2 9 9 7k w m 3 ，并且出现在高压绕组内层两端部附近。由此- i 失n ，低压箔式绕 组较高压绕组易产生局部过热，利用单位体积最大损耗密度计算结果可以合理控 制和预防局部过热的发生。 1 4 - 山东大学工程硕士学位论文 第四章干式电力变压器的绝缘分析 4 1 千式电力变压器的绝缘 干式电力变压器的绝缘主要是高耐热等级的绝缘材料和空气组合的复合绝缘 系统。干式电力变压器的绝缘固体绝缘材料通常是起承重、隔离及支持作用。而 空气，为主要绝缘材料。 空气在标准状态( 气压约在1 m p a , 2 7 3 k ) l c m 距离在雷电电压下约可承受不 住3 0 k v 的电压。【4 6 】 当施加于气体上的场强增大到一定程度时，气体由绝缘状态变为导电状态， 这种现象称为气体放电或气体击穿。 干式电力变压器的绝缘对于产品能否安全运行起着决定性作用，因此干式电 力变压器的绝缘结构极其绝缘材料要求很高，同时它应具有难燃性。 干式电力变压器绕组在短路电流作用下，即在外部短路时的热、动稳定效应 下应无损伤。 树脂绝缘干式电力变压器，具有良好的电气、机械性能外，由于树脂的优异 化学稳定性，因此该产品对潮湿、尘埃等大气污染的承受能力强。 但是在树脂浇注绝缘干式电力变压器在浇注中，若含有气泡，就会在高电场 作用下发生局部放电。时间长久了，局部放电会腐蚀绝缘，导致绝缘劣化，甚至 发生绝缘击穿。【1 4 】 干式电力变压器的局部放电量1 0 p c 。 干式电力变压器的局部放电量，是对产品设计，特别是对制造工艺的严格要 求。 4 1 1 干式电力变压器绝缘结构中的电场 干式电力变压器的绝缘结构分为主绝缘和纵绝缘。 主绝缘是指绕组( 导电部分) 对地部分( 试验时一绕组接试验电压，另一绕组接地 部分) ；纵绝缘则指绕组的线匝间、层间的绝缘。 在试验电压作用下，在绝缘结构中会产生一定的电场强度。如果设计的绝缘结 构和选用的绝缘材料不尽合理和不当，绝缘结构的耐电强度就不能承受试验电压， 1 5 山东大学工程硕士学位论文 则绝缘结构将产生损坏。由此可见，对于干式电力变压器而言，分析、计算绝缘结 构中的电场分布具有重要意义。【2 1 1 为了合理而又可靠的确定干式电力变压器的绝缘结构，必须对变压器绝缘结 构中的电场分布进行分析和试验研究，因此电场的解析在绝缘研究中已成为十分 重要的课题。 干式电力变压器绕组间在工频电压下，可以认为是均匀电场；但在雷电冲击电 压下，由于存在轴向电场分量而使绕组问形成复合电场，但仍近似地认为是均匀电 场，可按同心圆柱电容器电场进行分析。对于绕组端部到铁轭间的不均匀电场，采 用分析方法是不可能的。 近年来，由于电子计算机应用范围的日益扩大，对于变压器绝缘结构中的电 场采用了数值计算方法，如采用有限差分法和有限元法等对线圈之间及高压线圈 端部到铁轭之间的电场进行了计算。在此，仅采用有限元法来研究。 有限元法是以变分原理和剖分插值为基础的种数值计算方法。在采用有限 元法时，为便于问题的处理，首先要对实际的电场及场域进行适当的简化。在实 际的绝缘结构中，严格来说一般的电场都是三维场，但当场强或电位受某一变量 的影响很小时，则可忽略该变量，而将三维场简化为二维场，否则，必须按三维 场处理。 对于二维场，场域为一平面区域；对于三维场，场域为三维空间区域。场域 的确定与边界条件的确定是密切相关的，因为所确定的场域边界上的边界条件必 须能通过某种方法定出或者是已知的。场域和边界条件的确定直接影响计算工作 量和计算精度。一般来说，当边界离所关心的区域越远时，由边界条件确定所造 成的误差就越小，但这往往使场域过大，使计算工作量增加。因此，在保证计算 结果油足够的精度的条件下，应尽量减小计算场域。 对于二维场，通常做以下假设： ( 1 ) 忽略引线对端部电场的影响； ( 2 ) 认为线圈端部的金属压板或夹件为垂直于铁芯轴线的无限大平板。 这样，线圈端部场域可简化为轴对称场。 下面就二维有限元法作介绍： 1 边值问题及等价的变分问题 一般情况下，变压器中二维电场的求解，可归结为如下的边值问题： 1 6 山东大学工程硕士学位论文 v 2 9 = 窘+ 窘一。舡川酗 妒= “( x ，多) ，( x ，y ) r l 譬= o ，( 1 w ) 。- - r 2 1 。- - l j ， 一 ( s 。譬) 一= ( s ：罢) + ，( w ) r 2 t - 式中q 定解区域： r l 电位己知的边界。 r 2 电位的法向导数等于零的边界； ( 4 1 ) r 2 ”不同介质的分界线； 介质的介电系数。 边值问题式( 4 1 ) 可化为下列等价的变分问题： 伽】= 牲1 洲川tv 妒 螂= 1 1 1 i n ( 4 - 2 ) 妒= u ( x ，y ) ，( x ，y ) r l j 式中 v 9 】- 罄挈】r ， 0 x 们 由于i 1 甜v 妒】r 【v 9 】表示能量密度，所以上式的积分称为能量积分( 或能量泛 函) 。在变分问题中，只出现一个边界条件，这是因为第二类边界条件和介质分界 面的边界条件为变分问题的极值解自动满足，无需作为定解条件列出。因此，称 这类边界条件为自然边界条件。但是，对于第一类边界条件，必须作为定解条件 列出，就是说，极值解必须在满足这个条件的函数中去探求，因此，这类边界条 件称为强加边界条件。 铁 心 图4 1变压器线圈端部简化模型 1 7 山东大学工程硕士学位论文 菪 = 一_ 2 l 。r a 以, a 6 ，j b 口m ” 芝u j c 4 - 2 ， 周界上的节点往往与几个单元相关，该处的场强可取有关单元的e x 和e 。加权平均 e ，= a “e x , a “l i 1 气1 ( 4 - 3 ) e y = 钆e i z a “l 行数值分 应一最大 山东大学工程硕士学位论文 表4 11 0 k v 变压器端部不同结构尺寸下的e 蛾( k v m m ) 一 6 07 0 +8 09 0 m ( 舳) 、 3 50 0 5 3 40 0 5 2 30 0 4 9 7 0 0 4 8 6 4 00 0 4 7 10 0 4 6 10 0 4 4 5 0 0 4 3 4 4 50 0 4 4 70 0 4 3 60 0 4 1 90 0 4 0 7 5 00 0 4 2 80 0 4 1 70 0 3 9 90 0 3 8 7 为伯牾冀 r o ( i 1 n ) o日为 h ( r v l p i ) 图4 - 41 0 k v 干式变压器端部岛懈聊图4 51 0 k v 干式变压器端部e 煅 计算结果表明，干式电力变压器的结构尺寸对其端部电场的影响m ( 高、低 压线圈之间的距离) 大于h ( 线圈端部至铁轭距离) 。由磊蛾明的关系曲线可知， 场强的变化随着干式电力变压器高、低压线圈之间距离m 的改变而不同。由图4 4 曲线可以看出，e 慨所呈抛物线状，随着m 的增大，厶娜趋于一定值。当m 在 较小的尺寸范围变化时，己懈变化幅度较大。当m 在较小的尺寸范围变化时，毛蛾 变化幅度较大，随着m 的增大，不同的日值的变化曲线呈现出己煅的变化率随着 h 的增加而增加的趋势。即随着m 的增大日对邑煅的影响也在增大。 图4 5 中给出了干式电力变压器岛煅丑关系曲线。此曲线表明，当m 一定 时，随着h 的逐渐增加，b 搬变化率也逐渐减缓，当日增大到一定尺寸后，日对 磊斌将不会有太大的影响。 由曲线的变化规律可以看出，对干式电力变压器端部己燃影响最大的是m ， 其次是线圈端部到铁轭距离日。所以，在保证结构有足够裕度的前提下，m 值尽 量选得小一些。另外，干式电力变压器端部的己蛾出现在高压线圈的拐角处，故 2 l e1vpo艾1ciu 1vpo交1ciu 山东大学工程硕士学位论文 在进行绝缘结构设计时，应该设法加强该部位的绝缘，以提高其耐局部放电强度 因而提高，十式电力变压器的使用寿命。 4 2 干式电力变压器绝缘距离的确定 干式电力变压器的绝缘距离是保证运行可靠性的指标，自然也是考核设计署 制造工艺水平的重要标志。【4 2 】 4 2 1 千式电力变压器主绝缘距离确定 1 、按电场分析确定主绝缘距离 绝缘距离应满足表4 2 规定的工频和雷电冲击试验电压要求，并留有裕度。 表4 2 电压等级设备最高电压额定短时工频耐受电额定雷电冲击耐受 ( k v )( 方均根值) ( k v )压( 方均根值) ( i ( v )电压( 峰值) ( k v l 66 92 56 0 1 01 1 53 57 5 3 54 0 58 52 0 0 前面 下，则线8 部到铁轭0 树脂坌 乏 5 3 j j 一 工 i 八暮 r4 9 昌 ；= 鬯牾 翻一 墨 窭4 l 霉 盏 0 箦4 04 55 0 弱6 0 0 - 6 0 7 0 9 0i u 0 绕组阔的绝缘距商n ( n n ) 端部绝缘砸离h ( n f y l ) 图4 - 61 0 k v 干式变压器厶一m 曲线图4 7l o k v 干式变压器磊h 曲纣 电场数值计算结果表明：l o k v 级绕组间的绝缘距离，在雷电电压下m 与最多 2 2 一 山东大学工程硕士学位论文 场强的关系