220 kV牵引变压器电场仿真及主绝缘结构分析

马洪亮



220 kV牵引变压器电场仿真及主绝缘结构分析

马洪亮

概述了220 kV AT牵引变压器主绝缘结构方案，并利用电磁仿真软件进行了电场强度计算，定位了主绝缘结构中的高场强位置，并对优化后的结构进行了对比分析。

绝缘；场强；绕组；电场

0 引言

牵引变压器是牵引供电系统的重要组成部分，其安全可靠性直接影响列车的行车安全。为提高供电系统的可靠性，合理设计变压器的绝缘结构，保证变压器的安全可靠运行已成为目前行业内重点关注的问题。

随着电气化铁路的快速发展，牵引变压器的电压等级逐步提高，电压等级有110、220 kV，部分地区甚至达到了330 kV。牵引变压器的功能是将上述电压直接降至27.5 kV，向牵引机车供电。目前高速铁路和重载铁路的主流供电方式为AT供电方式，该供电方式不仅能提高供电的可靠性，减小牵引网对通信线路的干扰，还提高了供电能力，有效延长了供电距离。

本文主要针对AT供电方式下的220 kV单相牵引变压器的主绝缘结构进行分析，重点定位主绝缘结构中的高场强位置，并采取措施降低局部电场强度，确保变压器安全稳定运行。

1 技术要求

AT供电方式接线主要有单相接线、Scott接线、伍德桥接线、十字交叉接线和VX接线。而VX接线是将VV接线和单相接线进行整合，由2台单相牵引变压器组合而成，每台变压器为三绕组变压器，二次侧有2个次边绕组分别为T绕组和F绕组，2个绕组中间接地。现分析某高铁线路的VX接线变压器主绝缘结构方案，该变压器技术参数见表1。

表1 VX接线变压器技术参数表

另外，该变压器2对高中压绕组的阻抗电压百分比为10.5%，其基准容量采用中压绕组的容量。

为使变电所出口能取消自耦变压器，它应满足：

21=31（1）

（321+31-23-1）/4≤0.45W（2）

式中，21为变压器二次侧（TN绕组）在一次侧短路、三次侧（FN绕组）开路时测得的阻抗值；31为变压器三次侧（FN绕组）在一次侧短路、二次侧（TN绕组）开路时测得的阻抗值；23-1为变压器二次侧和三次侧串联回路两端在一次侧短路时测得的阻抗值。

2 技术方案

该变压器铁心采用单相双柱结构，每个柱上各自有3个绕组，从第1柱向外3个绕组分别为绕组T1、F1、H1，从第2柱向外3个绕组分别为F2、T2、H2。为使该单相三绕组变压器在变电所出口能取消自耦变压器，且满足式（1）和式（2）的要求，在结构上T1与T2串联作为供电侧输出端，F1和F2串联作为馈电侧输出端，H1、H2绕组并联作为单相变压器输入端。结构原理如图1所示。

图1 单相三绕组变压器结构原理图

3 电场分布

绝缘系统是变压器的重要组成部分，是考核变压器可靠运行的重要指标，因此设计合理的变压器主绝缘结构成为目前变压器设计的主要任务。变压器油是整个绝缘系统的最薄弱环节，目前主流的设计思路是利用变压器油的体积效应，采用油-隔板绝缘结构将变压器油分割成若干个油隙，以提高变压器的耐电强度。然而在电力线分布较为密集的端部，油隙的耐电强度是整个绝缘系统中强度最大的，它将决定整个绝缘的耐电强度。若端部电场强度超过变压器油的起始放电强度，变压器端部绝缘将会发生表面滑闪放电，在设计中虽然通过加大爬电距离能够提高沿面放电电压，但是当距离增大到一定程度后将会达到饱和状态，因此解决问题的关键在于定位变压器端部的最大场强位置，特别是电场集中处的电场强度，使其低于油的局部放电场强[1]。

cp为均匀电场作用下局部放电电场强度的许用值[2]，且：

cp=·-0.37, MV/m

式中，为与变压器油含气量、油隙位置有关的系数，对于工频50 Hz、1 min的耐压试验，在脱气油、纸板间取= 21.5，对于可能沿油纸交界的切线方向产生的沿面爬电，油纸交界的爬电场强许用值取= 15；为油隙沿电力线方向的长度，mm。

该变压器采用端部进线结构，忽略引线的影响，由于特殊的运行方式和对称性结构，主绝缘结构的计算分为低压绕组对铁心中下部电场分布和高压绕组对低压绕组中下部电场分布2个模型，通过电磁仿真计算，可以得出2对模型的电场云图。

（1）低压绕组—铁心中下部等电位场如图2所示；图2中沿至、至场线电场强度曲线如图3、图4所示。

图2 低压绕组—铁心的等电位场局部图

图3 沿A至B场线电场强度曲线图

图4 沿C至D场线电场强度曲线图

（2）高压绕组—低压绕组中下部等电位场如图5所示；电场强度局部分布如图6所示；图5中沿至、至、至、至场线电场强度曲线分别如图7—图10所示。

图5 高压绕组—低压绕组的等电位场局部图

图6 高压绕组到—低压绕组的电场强度局部分布图

图7 沿A至B场线电场强度曲线图

图8 沿C至D场线电场强度曲线图

图9 沿E至F场线电场强度曲线图

图10 沿G至H场线电场强度曲线图

通过对图2和图5的研究，发现高压绕组和低压绕组的内表面电力线相对集中，最大场强出现在端部内表面处，图2中点附近低压绕组对铁心的最大电场强度为7.7 MV/m，电场强度许用值cp= 9.96 MV/m，绝缘裕度为1.3，其他部位电场分布均匀，符合设计要求。通过图5可知，高低压线圈中部场强为5 MV/m，绝缘裕度为2，高压下端部最大电场强度为4 MV/m，绝缘裕度为2.4，均符合设计要求。由图8可知，点的最大场强为 17.5 MV/m，点的电场强度为11.5 MV/m，均已超过了电场强度许用值。

为降低端部最大电场强度，一般可采取2种方式：第一种方式是改变静电环的结构尺寸，第二种是增大线圈间绝缘距离。

由图6可看出，静电环的最大场强与线圈中部的平均场强比较接近，该静电环的结构相对合理，只进行结构的改变并不能取得良好的效果。而增大线圈间绝缘距离虽能有效降低最大场强，但却加大了产品制造成本，采取端部部分线段增加内垫条成为了解决这一问题的主要手段。

本台变压器高压绕组每个端部采用8段线饼增加内垫条，其中1—4段内垫5 mm和5—8段内垫条2 mm。经电磁仿真计算，得到图11高压绕组端部垫条到低压绕组的等电位场局部图、图12高压绕组端部垫条到低压绕组的电场强度局部分布图、图13沿至场线电场强度曲线图、图14沿至场线电场强度曲线图。

由图11与图5比较可知，高压绕组端部到低压绕组电力线分布得到了较大改善。图12所示线圈端部场强得到了较大的降低，最大电场强度为8.15 MV/m，出现在静电环内表面的油隙处，绝缘裕度为1.2，沿至场线电场强度值、沿至场线电场强度值均满足了设计要求。

图11 高压绕组端部垫条到低压绕组的等电位场局部图

图12 高压绕组端部垫条到低压绕组的电场强度局部分布图

图13 沿A至B场线电场强度曲线图

图14 沿C至D场线电场强度曲线图

4 试验结果

本技术方案应用于40 MV·A单相牵引变压器，经外施耐压满足高压1 min工频395 kV、低压1 min工频85 kV的技术要求。长时感应耐压试验在1.1m（272.2 kV）持续5 min，局部放电量为50 pC，小于100 pC；1.3m（327.6 kV）持续30 min，局部放电量为70 pC，小于200 pC，满足JB/T 12260 AT供电方式单相牵引变压器技术要求。目前该设备在某高速铁路上运行，效果良好。

5 结语

本文通过电磁仿真计算，有效地定位了变压器绝缘中的高场强位置，并科学有效地对变压器的绝缘优化设计提供了思路，为超高压变压器的研究奠定了基础。

[1] 路长柏. 电力变压器绝缘技术[M]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1997.

[2] 上官远定. 330 kV超高压有载调压整流变压器及主绝缘结构分析[J]. 变压器，2006，43（1）：16-21.

The paper introduces briefly the scheme for main insulation structure of 220 kV AT transformer, the optimized structure is compared and analyzed after calculation of field strength made by means of electromagnetic simulation software and emplacing of high field strength inside the main insulation structure.

Insulation; field strength; winding; electric field

U224.2+2

B

1007-936X(2017)02-0014-04

马洪亮.中铁电气化局集团有限公司设计研究院，工程师，电话：13483205823。

2016-08-05