超高压电力变压器纵绝缘电场分布计算与分析

刘飞达 马嫱

摘要：绝缘故障是变压器最主要的问题，改进变压器的绝缘结构，提升绝缘能力是设计过程中的首要任务。故开展大型电力变压器绝缘电场分析确定绝缘结构设计中电场强度的分布并且进行绝缘结构的设计优化，对输变电系统的可靠运行和提高变压器经济指标具有重要理论意义。

关键词：变压器；主绝缘；电场强度；绝缘裕度

随着国民经济的快速发展及国内用电量的大幅增涨，国内外变压器技术发展迅猛，容量也快速增长，目前可达到1000MVA以上[1]，电压等级也随之快速提高，变压器在数量和类别上也有明显得提升。针对变压器纵绝缘电场，本文基于变压器绕组波过程计算的研究情况，建立了简化的绕组模型和等值电路，合理地提取了电感和电容等参数，进行了雷电过电压作用下波过程计算，得到了变压器绕组电位及梯度分布，计算绝缘欲度找出绝缘薄弱点，为工程设计提供了理论依据。对变压器绝缘设计具有一定的指导意义。

1.变压器线圈等值电路

要想分析清楚绕组整个波过程，首先需要做的就是弄清楚变压器绕组的等值电路。这个等值电路实际上包含了电容、电感以及电阻等元件，是一个非常复杂的网络。实际上由于绕组匝间及绕组对地产生的分布电容是比较小的，影响也是能够忽略的。但是，一旦处于雷电冲击电压或者其它高频电压的激励作用之下，整个变压器绕组的等值电路就会转变的非常复杂，一定要综合考虑电感、电容以及电阻等元件之间的影响作用。我们以连续式绕组当作例子，其等值电路如图1.1所示。

L0为线圈的单元电感，整体表现出线圈存储的磁场能量特性。

C0为相邻线圈匝间电容，K0为相邻饼间电容，他们都属于纵向电容的范畴。

C10为线圈对地的电容，C20为绕组对油箱的电容，他们同样都是属于辐向电容的范畴。

冲击电压波可以看作是一个等值且频率的波峰的最大值较大，由于冲击波的作用，绕组成了一个复杂的网络。冲击波开始运行的那一刻，这时电容其主要作用，随之冲击波作用过程的发展，电容、电感和电阻同时作用，当频率降到足够低，这时冲击波对绕组的作用由电感决定[2]。

通过冲及测量结果及计算分析表明，按绕组简化等效电路分析变压器的冲击特性是可行的。

2. 波过程计算结果及分析

目前，对变压器绕组冲击电压分布的计算是一个难题，它也是变压器产品的绝缘结构设计中十分关键的一个步骤，冲击电压分布的电位最大值对主绝缘具有决定作用，纵绝缘也会受最大梯度的影响。

冲击电压分布计算对确定变压器产品的主纵绝缘结构非常重要。本文以SFP-370000/500产品结构为例进行波过程计算。高压绕组为内屏连续式结构采用换位导线结构，低压绕组为双层螺旋式结构采用网包换位导线。以高压绕组上半柱全波电位与梯度计算结果为例进行显示，如图2.1。

通过计算结果可知，不论是全波还是截波，它们在繞组上的分布的共同点是都是非线性的，它们的起始端的电位变化迅速，梯度从起始端到尾端逐渐减小，全波存在震荡现象。从计算数据可知，全波时最大梯度出现屏蔽段处，电位梯度值是6.14%。该油道降落的电压为95.2kV，油道的大小是6mm。截波时电位最大梯度仍然出现在屏蔽端，梯度值达到6.17%。该油道降落的电压为103.3kV。结合工程实践及软件校核标准，以上数值均能够满足设计要求。

通过同样方法对低压绕组波过程进行计算，可以得出低压绕组中部线饼之间电位最高。中间向两端逐渐减小，直至为零，其在分布上是均匀的，全波的最大梯度为1.4 %，绝缘裕度更大。

通过以上对高压绕组和低压绕组的分析来看，就绕组绝缘性的角度考虑，截波和全波的关注重点都应该集中在高压绕组上。

3.结语

本章介绍了变压器线圈的等值电路原理，主要工作在分析变压器中的绕组，对其开展了波程计算，计算了变压器高绕组及低绕组在雷电冲击的影响下的电压分布情况，考虑到软件及工程实践，所得到的安全裕度是符合设计标准的。相较于高压绕组而言，低压绕组的绝缘裕度更高，不用着重考虑，类似产品设计时在纵绝缘方面需要重点考核的是高压绕组。

参考文献

[1] 谢毓城.电力变压器手册[M].北京：机械工业出版社，2009.

[2] 吕晓德.各向异性非线性直流电场数值算法研究[J].电工技术学报，1998，13（4）：60-64.

（作者单位：特变电工沈阳变压器集团有限公司）