220 kV电力变压器绝缘设计

专业：电气工程及其自动化

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一．设计任务

1. 对一台双绕组220 kV级电力变压器进行绝缘结构设计，并进算绝缘结构在雷电冲击电压（全波），1min工频电压试验下的主、纵绝缘裕度。

2. 技术条件：

a、全波雷电冲击试验电压945 kV

b、1min工频试验电压400 kV（感应耐压试验）。

3. 变压器结构及其它条件：

a、低压绕组外表面半径360mm，高压绕组内表面半径434mm，绕组间绝缘距离74mm

b、高压绕组匝绝缘厚度1.95mm 低压绕组匝绝缘厚度0.45mm

c、高压绕组为纠结式，高压绕组中部进线

d、高压绕组段间油道尺寸1，3，5向外油道为8mm；7，9，11向外油道为6mm；8，10，12向内油道为10mm；其他油道均为6mm；中断点为15mm

e、全波梯度1，3，5油道为10；7，9，11油道为8；中断点为15.

4. 要求完成的内容：

a、确定变压器主绝缘尺寸

b、计算主、纵绝缘在各种试验电压下的绝缘裕度

c、 画出变压器绝缘装配图

d、攥写课程设计报告

5. 参考文献：

a、路长柏等编著：电力变压器计算第五章；

b、刘传彝：电力变压器设计计算方法与实践；

c、路长柏：电力变压器绝缘技术；

d、“电机工程手册”第二十五篇。

二． 综述

针对上述设计要求对220 kV电力变压器绝缘结构设计如下：对于主绝缘，高低压线圈间主空道为了利用变压器油的体积效应，采用薄纸板小油隙的设计思想，线圈间主绝缘距离为74mm，变压器油与绝缘纸板交替排布，具体结构为（8+4+10+4+10+2+10+4+10+4+8）,即∑Dy=60mm，∑Dz=14mm,靠近高压线圈的第一个绝缘纸筒厚度取为4意在增加其机械强度，以保证高压线圈能够稳固的固定于其上；低压线圈外半径r1=360mm，高压线圈内半径r2=434mm；低压线圈（35 kV）与铁心间采用厚纸板大油隙的设计思想，其绝缘距离定为27mm；由于220 kV级电力变压器的高压线圈采用中部出线的出线方式，所以端部绝缘结构设计可按110 kV级绝缘水平设计，其结构为：端部设静电环，静电环采用1/4圆曲率半径，S值取为5，曲率半径取为10。静电环金属上表面距离压板为90mm，期间设一个端圈、两个角环和三个隔板，并加垫块以填充，期中为了增加沿面爬电距离，至上而下三个隔板

在高压线圈一侧分别探出50、30、15的长度。由于中部出线，上下端部的绝缘结构相似，下端部结构不再进行详细说明。具体结构尺寸见绝缘结构装配图。

三．220 kV电力变压器主绝缘结构装配图

四． 各部分绝缘结构绝缘裕度核算

变压器运行过程中，各部分不但要长期承受设备最高工作电压，还要承受住可能出现的各种短时过电压，包括雷电冲击过电压、工频过电压（单相接地过电压、甩负荷过电压、长期的电容效应所引起的工频电压升高）以及内不过电压（谐振过电压、操作过电压）等，所以考核各种电压作用下的耐压强度是变压器绝缘设计中的必要步骤。其中试验项目分别有：全波冲击试验；截波冲击试验；一分钟工频试验；感应耐压试验以及局部放电试验等。

1. 高压线圈工频耐压的核算

一分钟工频耐压试验主要考核变压器的主绝缘，对于220 kV电力变压器的工频试验电压为400 kV，需采用感应试验方法。感应高压试验对主绝缘和纵绝缘都进行了考验，其优势在于避免了因低压侧电压的升高而引起的铁磁饱和及励磁电流过大，使铁心损耗加大和线圈发热，电源应采用较高频率，一般为100~250Hz。对于分级绝缘的变压器感应耐压实验时，试验电压沿轴向高度的分布和所在点的总匝数成正比。因此主绝缘和纵绝缘的试验有其特殊之处。

核算过程如下：

线圈间油隙最小击穿场强与距离关系图求最小允许场强Exmin。

低压线圈外表面：因为S=0.45/2,油隙宽度Dy=8mm，则Exmin=74*1.15=85.1 kV/cm

高压线圈内表面：因为S=1.95/2油隙宽度Dy=8mm，则Exmin=85*1.15=98 kV/cm

由式Umin=Ey（∑Dy+εy/εz*∑Dz）求最小允许电压，采用综合修正系数K=1.25/1.15=1.1 ；

则低压线圈外表面：

U1min=85.1*（6.0+1.2*0.5）/1.1=518.3 kV

绝缘裕度为：518.3/400=1.29>1.25 , 能够满足技术要求

高压线圈内表面：U2min=98*（6.0+0.5*1.2）/1.1=596.9 kV

绝缘裕度为：596.9/400=1.49>1.25 ,能够满足技术要求

2.高压线圈冲击耐压核算

冲击耐压试验是判断变压器绝缘在雷电冲击电压下的耐电强度最基本试验，其列入变压器型式试验，包括全波和截波，本次考察其全波作用下的强度。冲击试验对绝缘结构中的纵绝缘是严格的考验。其核算,步骤如下：

查冲击系数表可知，中部出线时的全波冲击系数为2.对于双线圈变压器主绝缘结构，根据冲击测量结果，两个线圈间全波电位差为112%。折算成为工频电压：

Ug=1.12*945/(2*√2)=1.12*945/2.828=105.28/2.828=374 kV

绝缘裕度为：518.3/374=1.38,裕度大于1.25，能够满足技术要求。

3.低压（35 kV）线圈对铁芯绝缘的耐电强度核算

根据冲击测量结果，在高压线圈入波时，低压线圈中部对地全波感应电位为20%，考虑到低压线圈中振荡频率很高作用时间一般小于7~8微秒，同时低压线圈到铁芯主绝缘为厚纸筒大油隙结构，因此冲击系数取为2，则算成为工频电压：

Ug=0.2*945/(2*√2)=66.8 kV

对于35 kV级，低压线圈到铁芯距离取为27mm，由此算出其最小工频击穿电压为：

Ugb=28.5*（1+2.14/√m）*m=28.5*（1+2.14/√2.7）*2.7=177 kV

其冲击耐电裕度为：177/66.8=2.65 ,能够满足技术要求

35 kV线圈的工频试验电压为85 kV，考虑到端部出线及铁芯表面电场不均匀，取放大

系数为1.3，则裕度为177/（1.3*85）=1.6,能够满足技术要求

4.端部放电电压的核算

高压变压器端部绝缘设计是主绝缘设计的重要组成部分。由于该处的电场极不均匀，且由于铁轭是辐向不对称，所以电场也是不对称的。

由于短路机械强度的要求，线圈必须支撑于铁轭（压板）上，对于66 kV及以上的变压器采用垫块于隔板（角环）分隔油隙。由于该处电场不均匀，电力线经过两种介质（变压器油和绝缘纸板），并且斜入固体介质，即存在着沿固体绝缘表面的电场切向分量，因而属于滑闪型结构，如果线圈端部出现局部放电，在电场作用下就可能发展成沿固体绝缘沿面放电。

由于线圈端部各处的场强大小和方向以及近年来从大量模型试验中发现，变压器线圈端部由油-隔板组成的绝缘结构的破坏，主要是由于电极附近的最大场强达到或超过了油间隙的起始放电场强所致。试验表明，端部绝缘放电主要取决于端部最大场强值，而与沿面放电距离并非比例关系，而加大放电距离只能使贯穿性击穿更加困难。

由上述理论可知，端部绝缘的设计方向为设法减小端部最大场强值。实际上影响端部最大场强的因素很多，如端部绝缘距离（H）、静电环曲率半径（ρ）、线圈间主绝缘距离（m）、静电环绝缘层厚度（S），以及角环数目、形状和布置方式与角环分隔油隙的大小等。

具体设计的校核如下：

分析段不绝缘结构设计可知，端部最大电场强度位于静电环金属表面及静电环绝缘层与角环的第一个油隙之间，因此检验端部绝缘的耐电强度时，主要是核算该两处的最大场强。

由端部绝缘结构图知，H=90mm（23+67），m=72mm，当静电环取1/4曲率半径时，因为S=5mm，

ρ=10mm，将H、m、S折算成为纯油隙时，因为εy=2.2、εz=4.5，所以可近似取εy/εz=0.5，则H=67+0.5*23=7.85cm；m=60+0.5*12=6.6cm；S=0.5*5=0.25cm。由此算出金属表面最大场强为：E0max=1.34*U/（m0.53H0.15ρ0.27）=1.34*200/（6.6 0.53*7.85 0.15*1 0.27）=1.34*200/（2.7*1.36*1）

=73 kV/cm

金属表面允许场强为 Eox=150/1.45=103 kV/cm

则裕度为103/73=1.41,能够满足技术要求

核算静电环绝缘层油隙场强。因为m/H=0.84; ρ/H=1.27;S/H=0.032,查m/H=0.833，不同覆盖绝缘上的电场强度不均匀系数图可知：Ke=2.15

静电环到第一角环的距离为17mm，折成纯油隙距离为14mm查线圈间油隙最小击穿场强与距离关系图曲线得：E1min=67*1.15=77.05 kV/cm

因此，第一油隙的击穿电压为：U1min= E1min*H/Ke=77.05*7.85/2.15=281.3 kV

所以其裕度为281.3/200=1.48，能够满足技术要求

高压线圈上部第一线段外侧到压板沿面放电电压的核算。沿面距离为：90+31+[(2*30+6)+(2*50+6)]=293mm。由式1350*∑Eai*di≥U求得：

U=135*[(90+31)*1+(2*50+6+2*30+6)*0.3]=172.6*135=233.1 kV>200 kV

所以此处沿面距离能够满足技术要求。

5.主空道绝缘纸筒油隙的耐电强度核算

此处采用薄纸筒小油隙的结构形式。在此中结构形式下，纸筒厚度为4和2，油隙宽度为8和11.对于这种结构一般认为主绝缘的击穿主要是油隙的击穿，而油隙一旦击穿，纸筒就丧失了绝缘能力，因此要求纸筒能耐受住试验电压是没有必要的。此外，在电场比较均匀的情况下，根据变压器油的体积效应，油隙耐电强度随油隙的减小而增加，因此，在同一主绝缘距离，同一纸板的百分数情况下，油隙分隔越小，则耐电强度越高。由于纸筒只起分隔油隙的作用，所以不宜过厚，但由于机械强度的要求，纸筒也不能太薄，此处在靠近高压线圈的第一个纸筒厚度取为4mm，其余取2mm。同时认为，线圈的覆盖，对油隙的绝缘强度有较大的影响。薄纸筒小油隙绝缘结构的最小击穿电压可按下式进行计算：

Ubmin=Ey（∑Dy+εy/εz*∑Dz）

其中：∑Dy---油间隙的总和

∑Dz---纸板厚度的总和

εy ------变压器油的介电系数，取为2.2

εz------油浸纸介电系数，取为4.5

Ey------紧靠低压或高压线圈表面油隙的实际允许场强

当考虑电场集中和结构工艺等不利因素的综合修正系数K时，则Ey=Ebmin/K，其中Ebmin为油隙最小击穿场强，取K为1.25

在设计线圈间隔板时，将出现最低击穿场强的油隙放在中间，即使靠近线圈的油隙尺寸小，而绝缘纸筒间的油隙取得稍微大些。这是由于考虑到线圈制造过程中出现的不可避免的缺陷，使靠近纸圈的油隙中电场均匀程度差的缘故。

具体设计及校核如下所述：由于线圈间各油隙的耐电强度一致，故求出任一油隙的耐电强度即可。由绝缘结构图所示的尺寸，可算出列于小表中的数据。