干式变压器主绝缘分析

TRANSFORMER

干式变压器主绝缘分析

郑殿春，张连星，赵大伟

（哈尔滨理工大学电气与电子工程学院，黑龙江哈尔滨150040）

摘要：通过试验和数值计算对干式变压器主绝缘结构进行了研究。关键词：干式变压器；电场分布；主绝缘中图分类号：TM412

文献标识码：B

文章编号：1001－8425（2010）09－0021－06

MainInsulationAnalysisofDry-TypeTransformer

ZHENGDian-chun,ZHANGLian-xing,ZHAODa-wei

（HarbinUniversityofScienceandTechnology,Harbin150040,China）

Abstract：Basedontestandnumericalcalculation,themaininsulationstructureofdry-typetransformerisresearched.

Keywords：Dry-typetransformer；Electricfielddistribution；Maininsulation

1引言

随着城市化进程的加快和生活水平的提高，人们对生活用电质量的要求日益增高，安全可靠是运行部门应优先考虑的，而降低制造成本增强市场竞争力是生产厂家必须面对的现实[1]。在符合国家相关技术标准的前提下，设计制造出高可靠性、低成本及低损耗的干式变压器是当务之急[2]。

目前，研究变压器主绝缘结构的方法有电场模拟、模型试验和数值仿真。本文中采用模型试验和数值仿真方法，对6kV、10kV级干式变压器以及玻璃丝绕包绝缘干式变压器的主绝缘结构分别进行了工频和雷电冲击试验，同时通过数值分析方法给予校核印证，并提出优化主绝缘结构，降低生产成本的途径，其试验和数值分析结果具有实用价值。

铁轭（铁板）垫块垫块

包封固体绝缘

H高压绕组

U试验电压

低压绕组

M—高、低压绕组间距离(包括包封固体绝缘)；H—绕组端部至铁轭间距离(包括包封固体绝缘)。

图1干式变压器主绝缘结构试验模型

2试验方法

2.1

试验模型

本文中研究的干式变压器主绝缘结构的试验模型如图1所示。

干式变压器高、低压绕组的试验模型是按玻璃丝绕包绝缘工艺制造的层式绕组，直径为90mm～

Fig.1Testmodelofmaininsulationstructurein

dry-typetransformer

别取M为26mm、30mm、35mm和40mm，其中每个绕组包封厚度为2mm的玻璃丝与环氧胶混合绝缘，即M中有4mm的固体绝缘，高压绕组到铁轭绝缘的距离H通过垫块进行调节，本试验中分别取H为

175mm。高、低压绕组间距离M由垫块固定，可通过

。65mm、70mm、75mm、80mm和90mm。绕组端部绝缘，

[***********][1**********]8

第47

卷

M=26M=30M=35M=40

Ub/kV

657075H/mm

808590

图3工频试验电压下Ub与H的关系曲线

Fig.3CurvesofUbandHunderpowerfrequencytestvoltage

[**************]3Ub/kV

H=65H=70H=75H=80H=90

10510095Ub/kV

9085

H=65H=70H=75H=80H=90

3231302928

32M/mm

[***********][1**********]0

M/mm

图2工频试验电压下Ub与M的关系曲线

Fig.2CurvesofUbandMunderpowerfrequencytestvoltage

Fig.4

图4

冲击试验电压下Ub与M的关系曲线

CurvesofUbandMunderimpulsetestvoltage

第9期

100

郑殿春、张连星、赵大伟：干式变压器主绝缘分析23

构，还可以建立对应的电场数学模型，根据描述此模

M=26

M=30M=35M=40

型的数学微分方程及其对应的边界条件，采用数值分析的方法进行数值解析，并验证试验结果。对应干式变压器主绝缘结构的数学模型表述、边界条件及其数值解析方法见文献[3]，这里不再赘述。

Ub/kV

4.1

6kV级干式变压器端部电场分布

由图1可知，研究干式变压器主绝缘结构，实际

上是研究由高、低压绕组端部、铁心和铁轭所构成区域内的电场分布情况。由于此区域内包含多种电介质，不同电位电极，其电场分布十分复杂，只要求出

H/mm

此区域电场分布，知道其中的绝缘弱点，才能给出合理的主绝缘配合。图7为6kV级变压器工作电压下最大电场强度随H和M的关系曲线。从图7中可以看出，M对工作电场的影响比H要大，这与试验结果一致。根据试验结果所选取的主绝缘模型是M=

图5冲击试验电压下Ub与H的关系曲线

Fig.5CurvesofUbandHunderimpulsetestvoltage

M=30mm

30mm、H=70mm，在模拟结果中可以看到，工作电压

M=26M=30M=35M=40

1098

·Emax/kVcm-1

4.0

7654321

6466

22201816

Q/pC

3.6

3.2

U/k

6870

727476

7880

8284

8688

9092

657075

H/mm

808590

H/mm

（a）随H变化

图6不同H下局部放电熄灭电压、视在放电量关系

4.24.0·Emax/kVcm-1

Fig.6RelationbetweenUandQunderdifferentH

作为选择干式变压器主绝缘的一个基准。

综合试验结果，可以将6kV级变压器的主绝缘选择为M=30mm，H=70mm，其工频试验电压为

3.83.63.43.230

H=65

H=70H=75H=80H=90

20kV，冲击试验电压为40kV，模型的工频放电电压

值为31.6kV，裕度为1.58，而冲击试验放电电压值为83.7kV，裕度为2.09。根据同样原则，将10kV级变压器的主绝缘选择为M=40mm，H=90mm，其工频试验电压为28kV，冲击试验电压为60kV，模型的工频放电电压值为38.3kV，裕度为1.37，而冲击试验放电电压值为99.9kV，裕度为1.67。

[***********][1**********]940

M/mm（b）随M变化

4数值计算及结果分析

图7工作电压下Emax随H和M的关系曲线（Ⅰ）

Fig.7CurvesⅠofEmax,HandMunderoperating

24第47

卷

（a）横向电场

（a）电位

（b）纵向电场

图9

（b）电场

工频电压下电场分布（Ⅰ）

Fig.9DistributionⅠofelectricfieldunderpowerfrequencyvoltage

图8工频电压下电位和电场分布（Ⅰ）

Fig.8DistributionⅠofpotentialandelectricfield

第9期

7.06.86.66.4·Emax/kVcm-1

郑殿春、张连星、赵大伟：干式变压器主绝缘分析

M=26

M=30M=35M=40

6.26.05.85.65.45.2

H/mm（a）随H变化

808590

7.06.86.66.4·Emax/kVcm-1

H=65

H=70H=75H=80H=90

（a）电位

6.26.05.85.65.45.2

M/mm（b）随M变化

图10工作电压下Emax随H和M的关系曲线（Ⅱ）

Fig.10CurvesⅡofEmax,HandMunderoperatingvoltage

强度随H和M变化的关系曲线。从图7和图10中可以看出，最大工作场强随着工作电压的升高而增大，在6kV级选用M=30mm，H=70mm时最大工作场强为3.92kV/cm，而同样的结构，10kV级变压器最大工作场强为6.4kV/cm，显然增大很多。根据试验结果，10kV级选取主绝缘结构为M=40mm，H=

图11

（b）电场

工频电压下电位和电场分布（Ⅱ）

Fig.11DistributionⅡofpotentialandelectricfieldunderpowerfrequencyvoltage

90mm，此时最大工作场强为5.2kV/cm，此值远小于

最大允许工作场强，因此选取结构合理，能够使干式变压器的制造成本下降，同时保证可靠性。

图11为10kV级变压器工频放电电压下电位和电场分布，其分布情况与图8一致。从图8中可以看出，最大电场强度为20.19kV/cm，与图8中最大电场强度几乎一致，因为包封绝缘的尺寸没有改变，绝缘区域最大场强位于端部包封绝缘表面，而电极的曲率相对较小，所以临界击穿场强几乎不变。

图12

为临界击穿时电场的横向与纵向分布，其最可

与图9对比，横向和纵向最大临界电场分别减小

0.04kV/cm和0.09kV/cm，由此可以看出增大空气绝

缘对主绝缘的临界击穿场强影响不明显。

5结论

本文中采取模型试验和数值计算两种方法对干式变压器主绝缘结构进行了研究。对不同的高、低压绕组间距和绕组端部至铁轭间距进行工频放电试验和雷电冲击试验，根据所得结果选择了6kV级和

，

26第47

卷

（

a）横向（b）纵向

图12工频电压下电场分布（Ⅱ）

Fig.12DistributionⅡofelectricfieldunderpowerfrequencyvoltage

收稿日期：2009-12-09

作者简介：郑殿春(1956-)，男，黑龙江哈尔滨人，哈尔滨理工大学教授，从事电介质失效诊断机理、高压电器绝缘结构设计

及优化的教学研究工作；

张连星(1983-)，男，黑龙江黑河人，哈尔滨理工大学硕士研究生，从事高电压与绝缘技术的研究工作。

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

大型变压器用取向硅钢国产化步伐将加快

工业与信息化部近日在武汉召开大型变压器用取向硅钢国产化推进会，要求各电力设计研究部门、变压器制造厂家及产权单位落实钢铁产业调整振兴规划和装备制造业调整和振兴规划，利用钢铁新技术、新产品研发，完善大型变压器装备、特高压输变电等变电设备自主化。

工信部要求下游行业积极支持钢铁行业提高技术、提高产品质量，要与钢铁企业建立起互利互惠的战略合作关系，大力推进重大装备材料国产化工作，争取在今年年底之前完成用国产材料试验制作的第一台500kV大型变压器，为明在推进会上，国内一些大型变压器制造厂家通报了使用

武汉钢铁（集团）公司硅钢产品制造220kV变压器的情况及检测结果，介绍了武钢取向硅钢产品在S13节能变压器上替代进口材料的试用情况。会议认为，武钢生产的取向硅钢已在220kV电压等级变压器制造过程中使用，产品经检测各项指标合格，基本达到国外同类产品的质量水平，这对于我国逐步摆脱长期依赖进口、受制于人的局面有着极为重要的意义。

据了解，武钢生产的冷轧硅钢片中的高磁感取向硅钢，具有磁感应强度高、铁损低等优点，可广泛用于大型变压器。

TRANSFORMER

干式变压器主绝缘分析

郑殿春，张连星，赵大伟

（哈尔滨理工大学电气与电子工程学院，黑龙江哈尔滨150040）

摘要：通过试验和数值计算对干式变压器主绝缘结构进行了研究。关键词：干式变压器；电场分布；主绝缘中图分类号：TM412

文献标识码：B

文章编号：1001－8425（2010）09－0021－06

MainInsulationAnalysisofDry-TypeTransformer

ZHENGDian-chun,ZHANGLian-xing,ZHAODa-wei

（HarbinUniversityofScienceandTechnology,Harbin150040,China）

Abstract：Basedontestandnumericalcalculation,themaininsulationstructureofdry-typetransformerisresearched.

Keywords：Dry-typetransformer；Electricfielddistribution；Maininsulation

1引言

铁轭（铁板）垫块垫块

包封固体绝缘

H高压绕组

U试验电压

低压绕组

M—高、低压绕组间距离(包括包封固体绝缘)；H—绕组端部至铁轭间距离(包括包封固体绝缘)。

图1干式变压器主绝缘结构试验模型

2试验方法

2.1

试验模型

本文中研究的干式变压器主绝缘结构的试验模型如图1所示。

干式变压器高、低压绕组的试验模型是按玻璃丝绕包绝缘工艺制造的层式绕组，直径为90mm～

Fig.1Testmodelofmaininsulationstructurein

dry-typetransformer

175mm。高、低压绕组间距离M由垫块固定，可通过

。65mm、70mm、75mm、80mm和90mm。绕组端部绝缘，

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第47

卷

M=26M=30M=35M=40

Ub/kV

657075H/mm

808590

图3工频试验电压下Ub与H的关系曲线

Fig.3CurvesofUbandHunderpowerfrequencytestvoltage

[**************]3Ub/kV

H=65H=70H=75H=80H=90

10510095Ub/kV

9085

H=65H=70H=75H=80H=90

3231302928

32M/mm

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M/mm

图2工频试验电压下Ub与M的关系曲线

Fig.2CurvesofUbandMunderpowerfrequencytestvoltage

Fig.4

图4

冲击试验电压下Ub与M的关系曲线

CurvesofUbandMunderimpulsetestvoltage

第9期

100

郑殿春、张连星、赵大伟：干式变压器主绝缘分析23

构，还可以建立对应的电场数学模型，根据描述此模

M=26

M=30M=35M=40

Ub/kV

4.1

6kV级干式变压器端部电场分布

由图1可知，研究干式变压器主绝缘结构，实际

H/mm

图5冲击试验电压下Ub与H的关系曲线

Fig.5CurvesofUbandHunderimpulsetestvoltage

M=30mm

30mm、H=70mm，在模拟结果中可以看到，工作电压

M=26M=30M=35M=40

1098

·Emax/kVcm-1

4.0

7654321

6466

22201816

Q/pC

3.6

3.2

U/k

6870

727476

7880

8284

8688

9092

657075

H/mm

808590

H/mm

（a）随H变化

图6不同H下局部放电熄灭电压、视在放电量关系

4.24.0·Emax/kVcm-1

Fig.6RelationbetweenUandQunderdifferentH

作为选择干式变压器主绝缘的一个基准。

综合试验结果，可以将6kV级变压器的主绝缘选择为M=30mm，H=70mm，其工频试验电压为

3.83.63.43.230

H=65

H=70H=75H=80H=90

20kV，冲击试验电压为40kV，模型的工频放电电压

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M/mm（b）随M变化

4数值计算及结果分析

图7工作电压下Emax随H和M的关系曲线（Ⅰ）

Fig.7CurvesⅠofEmax,HandMunderoperating

24第47

卷

（a）横向电场

（a）电位

（b）纵向电场

图9

（b）电场

工频电压下电场分布（Ⅰ）

Fig.9DistributionⅠofelectricfieldunderpowerfrequencyvoltage

图8工频电压下电位和电场分布（Ⅰ）

Fig.8DistributionⅠofpotentialandelectricfield

第9期

7.06.86.66.4·Emax/kVcm-1

郑殿春、张连星、赵大伟：干式变压器主绝缘分析

M=26

M=30M=35M=40

6.26.05.85.65.45.2

H/mm（a）随H变化

808590

7.06.86.66.4·Emax/kVcm-1

H=65

H=70H=75H=80H=90

（a）电位

6.26.05.85.65.45.2

M/mm（b）随M变化

图10工作电压下Emax随H和M的关系曲线（Ⅱ）

Fig.10CurvesⅡofEmax,HandMunderoperatingvoltage

图11

（b）电场

工频电压下电位和电场分布（Ⅱ）

Fig.11DistributionⅡofpotentialandelectricfieldunderpowerfrequencyvoltage

90mm，此时最大工作场强为5.2kV/cm，此值远小于

最大允许工作场强，因此选取结构合理，能够使干式变压器的制造成本下降，同时保证可靠性。

图12

为临界击穿时电场的横向与纵向分布，其最可

与图9对比，横向和纵向最大临界电场分别减小

0.04kV/cm和0.09kV/cm，由此可以看出增大空气绝

缘对主绝缘的临界击穿场强影响不明显。

5结论

，

26第47

卷

（

a）横向（b）纵向

图12工频电压下电场分布（Ⅱ）

Fig.12DistributionⅡofelectricfieldunderpowerfrequencyvoltage

收稿日期：2009-12-09

作者简介：郑殿春(1956-)，男，黑龙江哈尔滨人，哈尔滨理工大学教授，从事电介质失效诊断机理、高压电器绝缘结构设计

及优化的教学研究工作；

张连星(1983-)，男，黑龙江黑河人，哈尔滨理工大学硕士研究生，从事高电压与绝缘技术的研究工作。

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大型变压器用取向硅钢国产化步伐将加快

据了解，武钢生产的冷轧硅钢片中的高磁感取向硅钢，具有磁感应强度高、铁损低等优点，可广泛用于大型变压器。

干式变压器主绝缘分析

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