高低高结构发电机变压器主绝缘结构分析

崔丽丽　韩旭东

摘 要：随着电力行业的飞速发展，500kV电力变压器的市场竞争越来越激烈，发电机变压器的单台容量也越来越大，材料消耗也随之上升，如何在保证可靠性的前提下降低成本，成为保证各厂经济效益的前提。文章以电力变压器的主绝缘结构理论为依据，描述了高低高结构发电机变压器主绝缘结构

关键词：高低高结构；发电机变压器；主绝缘

1 概述

目前我公司设计的发电机变压器在保证运输条件的前提下，优先采用高低高结构。以一台单相24万、阻抗为15%的变压器为例，高低高结构要比双柱结构器身轻约8吨左右，可见高低高结构在大容量和大阻抗变压器下的优势。

调查表明，变压器在运行中由于绝缘部件发生故障造成变压器失效占总失效数的一半左右，绝缘性能的良好对运行可靠性具有决定性意义，以电力变压器的主绝缘结构理论为基础，并以DFP-380000/500单相发电机变压器为例，对高低结构变压器的主绝缘结构进行描述，并进行简单分析。

2 电力变压器的主绝缘结构

目前，油浸式电力变压器的主绝缘采用油-隔板结构形式，主绝缘结构中的油隙靠纸筒来间隔。油的耐电强度在理论上是很高的，纯净的油的耐电强度高达4000kV/cm以上，标准油杯中击穿电压一般为40kV/2.5mm。1.0mm纸板的击穿强度为46-50kV/mm，1.5mm纸板的击穿强度为32-45kV/mm，2.0mm纸板的击穿强度为29-35kV/mm。

线圈间的绝缘结构采用薄纸筒小油隙结构。这种结构纸筒厚度为4mm及以下，油隙宽度小于15mm及以下。主绝缘的击穿先发生在油隙中的，而油隙一旦击穿，纸筒也就随着击穿，因此并不要求纸筒能承受住全部试验电压。此外，在电场较均匀的情况下，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大，因此在同一主绝缘距离，同一纸筒占绝缘距离百分数情况下，油隙分割越小，则耐电强度越高。由于纸筒只起到分割油隙的作用，所以不宜太厚，但由于机械强度的要求，纸筒也不能太薄。

在薄纸筒小油隙结构中，纸筒的总厚度一般占主绝缘的1/5左右。每个纸筒的厚度取决于机械强度。一般来说，最小为1.5mm，靠近线圈的纸筒为3mm，由2张1.5mm厚的纸板组成。紧靠线圈内径侧的纸筒由5mm以上的硬纸板滚压而成，纸板先在两端磨成斜梢，然后沿斜梢粘合成纸筒，线圈直接绕在纸筒上。

薄纸筒小油隙结构的最小击穿电压按下式计算：

式中：？撞dy-油间隙的间隙；？撞dz-所有纸筒厚度的综合，包括电极绝缘；？着y-油的介电系数，取为2.2；？着z-油浸纸板的介电系数，取为4.5；Ey-紧靠线圈表面油隙的实际允许场强。

通常与线圈表面相邻油道中的场强较高，为提高此处电气强度，宜将此油道取得窄些。油的电气强度还与处在高场强下油的体积有关，如将处在90～100%最大场强范围内的油体积称作“强油体积”，则不管电极形状是否相同，油的击穿场强Eb与强油体积V的关系不变。由此可知，油道分得越窄，各处的强油体积减小，电气强度可明显提高。但若油道过小，必然影响变压器的散热，所以最小油隙的大小由温升决定。

变压器线圈端部由于油-隔板组成的绝缘结构被破坏，主要是由于电极附近的最大场强达到或超过了油间隙起始放电场强，开始出现局部放电，并由此而引起电场畸变，进而形成沿面放电所致。

设计合理的静电环，除了改善与其相邻各线段的冲击电压分布外，还能使端部电场均匀。由于油-隔板组成的绝缘结构的弱点出现在油隙中，其中负担最重的油隙的耐电强度决定了整个结构的耐电强度。因为最大场强出现于静电环绝缘层表面的油隙中，所以端部绝缘的耐电强度通常由静电环与其靠近的第一个角环之间的第一油隙所决定。

角环的设置原则是作用在所有油隙上的最大场强值应小于这些油隙的许用场强。薄纸筒小油隙是目前布置角环的一个基本准则。研究表明，角环的数目增多，在冲击电压作用下，其沿面放电电压有所提高，但局部放电起始电压几乎不变。为防止沿面放电，最理想的角环形状应与端部等电位面相重合。

3 高低高结构发电机变压器主绝缘结构

以DFP-380000/500为例描述高低高结构变压器的主绝缘结构，高低线圈间采用薄纸筒小油隙结构，主距已100mm为例，具体分割时要保证纸筒的厚度均≤4mm，油隙≤14mm，因为线圈表面相邻油道中的场强较高，所以油道的数值比较小，一般为9mm。

而要想分析线圈端部的绝缘结构设计，先要了解高低高结构的接线原理图和各点处绕组的绝缘水平，此台产品绕组的绝缘水平为：SI1175LI1550AC680-LI325AC140/LI200AC85，从图1中标示出各点的绝缘水平，但连线处的电位需要进行计算。高压Ⅰ匝数为635匝，高压Ⅱ匝数147匝，中性点支撑为40kV，工频耐压试验时电压分布为线性。

可见在工频下U连处的电位约为110kV等级，但在冲击电压下，低压入波时，U连处的振荡电位依据验证结果可以达到1.5倍左右，所以高压Ⅱ下部的绝缘结构设计要加强，图1中表示了高压Ⅱ下部角环和静电环的布置，因为最大场强出现于静电环绝缘层表面的油隙中，将第一个角环与静电环之间的油隙尽量缩小，但为了不影响散热，最终经过验证取6mm。但由于线圈出头处的角环被破坏，为保证连线到铁心的爬电距离，角环在出头处增加一个“靴子”，“靴子”的长短依据爬电距离确定。

4 结束语

DFP-380000/500发电机变压器主绝缘设计时，充分考虑了各种过电压作用，并保证有足够的裕度，目前对连线处电位振荡的幅度还有待深入研究，可以进一步优化高压Ⅱ下部的端绝缘设计。

参考文献

[1]路长柏.电力变压器计算[M].哈尔滨：黑龙江科学技术出版社，1990.6.

[2]崔立君.特种变压器理论与设计[M].北京：科学技术文献出版社，1996.5.

作者简介：崔丽丽（1982-），女，辽宁沈阳人，特变电工沈阳变压器集团有限公司交流产品设计部主管，工程师，从事变压器类产品的研发和设计工作。