變壓器絕緣結構設計課程設計

1、<p>　　220 kV電力變壓器絕緣設計</p><p>　　專業(yè)：電氣工程及其自動化</p><p><b>　　班級：</b></p><p><b>　　學號：</b></p><p><b>　　姓名：</b></p><p>&l

2、t;b>　　指導教師： </b></p><p><b>　　一．設計任務</b></p><p>　　1. 對一臺雙繞組220 kV級電力變壓器進行絕緣結構設計，并進算絕緣結構在雷電沖擊電壓（全波），1min工頻電壓試驗下的主、縱絕緣裕度。</p><p><b>　　2. 技術條件：</b><

3、/p><p>　　a、全波雷電沖擊試驗電壓945 kV</p><p>　　b、1min工頻試驗電壓400 kV（感應耐壓試驗）。</p><p>　　3. 變壓器結構及其它條件：</p><p>　　a、低壓繞組外表面半徑360mm，高壓繞組內表面半徑434mm，繞組間絕緣距離74mm </p><p>　　b、高壓

4、繞組匝絕緣厚度1.95mm 低壓繞組匝絕緣厚度0.45mm</p><p>　　c、高壓繞組為糾結式，高壓繞組中部進線</p><p>　　d、高壓繞組段間油道尺寸1，3，5向外油道為8mm；7，9，11向外油道為6mm；8，10，12向內油道為10mm；其他油道均為6mm；中斷點為15mm </p><p>　　e、全波梯度1，3，5油道為10；7，9，

5、11油道為8；中斷點為15.</p><p>　　4. 要求完成的內容：</p><p>　　a、確定變壓器主絕緣尺寸</p><p>　　b、計算主、縱絕緣在各種試驗電壓下的絕緣裕度</p><p>　　c、 畫出變壓器絕緣裝配圖 </p><p>　　d、攥寫課程設計報告</p><p

6、><b>　　5. 參考文獻：</b></p><p>　　a、路長柏等編著：電力變壓器計算第五章；</p><p>　　b、劉傳彝：電力變壓器設計計算方法與實踐；</p><p>　　c、路長柏：電力變壓器絕緣技術；</p><p>　　d、“電機工程手冊”第二十五篇。 </p><

7、p><b>　　二．  綜述</b></p><p>　　來源：(http://blog.sina.com.cn/s/blog_502f73c10100gy4w.html) - 220kV電力變壓器絕緣設計（第一部分）_悠悠地游_新浪博客 針對上述設計要求對220 kV電力變壓器絕緣結構設計如下：對于主絕緣，高低壓線圈間主空道為了利用變壓器油的體積效應，采用薄紙板小油

8、隙的設計思想，線圈間主絕緣距離為74mm，變壓器油與絕緣紙板交替排布，具體結構為（8+4+10+4+10+2+10+4+10+4+8）,即∑Dy=60mm，∑Dz=14mm,靠近高壓線圈的第一個絕緣紙筒厚度取為4意在增加其機械強度，以保證高壓線圈能夠穩(wěn)固的固定于其上；低壓線圈外半徑r1=360mm，高壓線圈內半徑r2=434mm；低壓線圈（35 kV）與鐵心間采用厚紙板大油隙的設計思想，其絕緣距離定為27mm；由于220 kV級電力

9、變壓器的高壓線圈采用中部出線的出線方式，所以端部絕緣結構設計可按110 kV級絕緣水平設計，其結構為：端部設靜電環(huán)，靜電環(huán)采用1/4圓曲率半徑，S值取為5，曲率半徑取為10。靜電環(huán)金屬上表面距離壓板為90mm，期間設一個端圈、兩個角環(huán)和三</p><p>　　在高壓線圈一側分別探出50、30、15的長度。由于中部出線，上下端部的絕緣結構相似，下端部結構不再進行詳細說明。具體結構尺寸見絕緣結構裝配圖。</p

10、><p>　　三．220 kV電力變壓器主絕緣結構裝配圖</p><p>　　四．  各部分絕緣結構絕緣裕度核算</p><p>　　變壓器運行過程中，各部分不但要長期承受設備最高工作電壓，還要承受住可能出現(xiàn)的各種短時過電壓，包括雷電沖擊過電壓、工頻過電壓（單相接地過電壓、甩負荷過電壓、長期的電容效應所引起的工頻電壓升高）以及內不過電壓（諧振過電壓

11、、操作過電壓）等，所以考核各種電壓作用下的耐壓強度是變壓器絕緣設計中的必要步驟。其中試驗項目分別有：全波沖擊試驗；截波沖擊試驗；一分鐘工頻試驗；感應耐壓試驗以及局部放電試驗等。</p><p>　　1. 高壓線圈工頻耐壓的核算</p><p>　　一分鐘工頻耐壓試驗主要考核變壓器的主絕緣，對于220 kV電力變壓器的工頻試驗電壓為400 kV，需采用感應試驗方法。感應高壓試驗

12、對主絕緣和縱絕緣都進行了考驗，其優(yōu)勢在于避免了因低壓側電壓的升高而引起的鐵磁飽和及勵磁電流過大，使鐵心損耗加大和線圈發(fā)熱，電源應采用較高頻率，一般為100~250Hz。對于分級絕緣的變壓器感應耐壓實驗時，試驗電壓沿軸向高度的分布和所在點的總匝數(shù)成正比。因此主絕緣和縱絕緣的試驗有其特殊之處。</p><p><b>　　核算過程如下：</b></p><p>　　線圈間

13、油隙最小擊穿場強與距離關系圖求最小允許場強Exmin。</p><p>　　低壓線圈外表面：因為S=0.45/2,油隙寬度Dy=8mm，則Exmin=74*1.15=85.1 kV/cm</p><p>　　高壓線圈內表面：因為S=1.95/2油隙寬度Dy=8mm，則Exmin=85*1.15=98 kV/cm</p><p>　　由式Umin=Ey（∑Dy+ε

14、y/εz*∑Dz）求最小允許電壓，采用綜合修正系數(shù)K=1.25/1.15=1.1 ；</p><p><b>　　則低壓線圈外表面：</b></p><p>　　U1min=85.1*（6.0+1.2*0.5）/1.1=518.3 kV</p><p>　　絕緣裕度為：518.3/400=1.29>1.25 , 能夠滿足技術要求<

15、/p><p>　　高壓線圈內表面：U2min=98*（6.0+0.5*1.2）/1.1=596.9 kV</p><p>　　絕緣裕度為：596.9/400=1.49>1.25 ,能夠滿足技術要求</p><p>　　2.高壓線圈沖擊耐壓核算 </p><p>　　沖擊耐壓試驗是判斷變壓器絕緣在雷電沖擊電壓下的耐電強度

16、最基本試驗，其列入變壓器型式試驗，包括全波和截波，本次考察其全波作用下的強度。沖擊試驗對絕緣結構中的縱絕緣是嚴格的考驗。其核算,步驟如下：</p><p>　　查沖擊系數(shù)表可知，中部出線時的全波沖擊系數(shù)為2.對于雙線圈變壓器主絕緣結構，根據沖擊測量結果，兩個線圈間全波電位差為112%。折算成為工頻電壓：</p><p>　　Ug=1.12*945/(2*√2)=1.12*945/2.828

17、=105.28/2.828=374 kV </p><p>　　絕緣裕度為：518.3/374=1.38,裕度大于1.25，能夠滿足技術要求。</p><p>　　3.低壓（35 kV）線圈對鐵芯絕緣的耐電強度核算</p><p>　　根據沖擊測量結果，在高壓線圈入波時，低壓線圈中部對地全波感應電位為20%，考慮到低壓線圈中振蕩頻率很高作用時間一般小于

18、7~8微秒，同時低壓線圈到鐵芯主絕緣為厚紙筒大油隙結構，因此沖擊系數(shù)取為2，則算成為工頻電壓：</p><p>　　Ug=0.2*945/(2*√2)=66.8 kV</p><p>　　對于35 kV級，低壓線圈到鐵芯距離取為27mm，由此算出其最小工頻擊穿電壓為：</p><p>　　Ugb=28.5*（1+2.14/√m）*m=28.5*（1+2.14/√

19、2.7）*2.7=177 kV</p><p>　　其沖擊耐電裕度為：177/66.8=2.65 ,能夠滿足技術要求</p><p>　　35 kV線圈的工頻試驗電壓為85 kV，考慮到端部出線及鐵芯表面電場不均勻，取放大</p><p>　　系數(shù)為1.3，則裕度為177/（1.3*85）=1.6,能夠滿足技術要求</p><p>　　

20、4.端部放電電壓的核算</p><p>　　高壓變壓器端部絕緣設計是主絕緣設計的重要組成部分。由于該處的電場極不均勻，且由于鐵軛是輻向不對稱，所以電場也是不對稱的。</p><p>　　由于短路機械強度的要求，線圈必須支撐于鐵軛（壓板）上，對于66 kV及以上的變壓器采用墊塊于隔板（角環(huán)）分隔油隙。由于該處電場不均勻，電力線經過兩種介質（變壓器油和絕緣紙板），并且斜入固體介質，即存在著沿

21、固體絕緣表面的電場切向分量，因而屬于滑閃型結構，如果線圈端部出現(xiàn)局部放電，在電場作用下就可能發(fā)展成沿固體絕緣沿面放電。</p><p>　　由于線圈端部各處的場強大小和方向以及近年來從大量模型試驗中發(fā)現(xiàn)，變壓器線圈端部由油-隔板組成的絕緣結構的破壞，主要是由于電極附近的最大場強達到或超過了油間隙的起始放電場強所致。試驗表明，端部絕緣放電主要取決于端部最大場強值，而與沿面放電距離并非比例關系，而加大放電距離只能使貫

22、穿性擊穿更加困難。</p><p>　　由上述理論可知，端部絕緣的設計方向為設法減小端部最大場強值。實際上影響端部最大場強的因素很多，如端部絕緣距離（H）、靜電環(huán)曲率半徑（ρ）、線圈間主絕緣距離（m）、靜電環(huán)絕緣層厚度（S），以及角環(huán)數(shù)目、形狀和布置方式與角環(huán)分隔油隙的大小等。</p><p>　　具體設計的校核如下：</p><p>　　分析段不絕緣結構設計可知，

23、端部最大電場強度位于靜電環(huán)金屬表面及靜電環(huán)絕緣層與角環(huán)的第一個油隙之間，因此檢驗端部絕緣的耐電強度時，主要是核算該兩處的最大場強。</p><p>　　由端部絕緣結構圖知，H=90mm（23+67），m=72mm，當靜電環(huán)取1/4曲率半徑時，因為S=5mm，　ρ=10mm，將H、m、S折算成為純油隙時，因為εy=2.2、εz=4.5，所以可近似取εy/εz=0.5，則H=67+0.5*23=7.85cm；m=60

24、+0.5*12=6.6cm；S=0.5*5=0.25cm。由此算出金屬表面最大場強為：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）</p><p>　　=73 kV/cm</p><p>　　金屬表面允許場強為 Eox=150/1.45=103 kV/c

25、m</p><p>　　則裕度為103/73=1.41,能夠滿足技術要求</p><p>　　核算靜電環(huán)絕緣層油隙場強。因為m/H=0.84; ρ/H=1.27;S/H=0.032,查m/H=0.833，不同覆蓋絕緣上的電場強度不均勻系數(shù)圖可知：Ke=2.15</p><p>　　靜電環(huán)到第一角環(huán)的距離為17mm，折成純油隙距離為14mm查線圈間油隙最小擊穿場強與距

26、離關系圖曲線得：E1min=67*1.15=77.05 kV/cm</p><p>　　因此，第一油隙的擊穿電壓為：U1min= E1min*H/Ke=77.05*7.85/2.15=281.3 kV</p><p>　　所以其裕度為281.3/200=1.48，能夠滿足技術要求</p><p>　　高壓線圈上部第一線段外側到壓板沿面放電電壓的核算。沿面距離為：

27、90+31+[(2*30+6)+(2*50+6)]=293mm。由式1350*∑Eai*di≥U求得：</p><p>　　U=135*[(90+31)*1+(2*50+6+2*30+6)*0.3]=172.6*135=233.1 kV>200 kV</p><p>　　所以此處沿面距離能夠滿足技術要求。</p><p>　　5.主空道絕緣紙筒油隙的耐電強

28、度核算</p><p>　　此處采用薄紙筒小油隙的結構形式。在此中結構形式下，紙筒厚度為4和2，油隙寬度為8和11.對于這種結構一般認為主絕緣的擊穿主要是油隙的擊穿，而油隙一旦擊穿，紙筒就喪失了絕緣能力，因此要求紙筒能耐受住試驗電壓是沒有必要的。此外，在電場比較均勻的情況下，根據變壓器油的體積效應，油隙耐電強度隨油隙的減小而增加，因此，在同一主絕緣距離，同一紙板的百分數(shù)情況下，油隙分隔越小，則耐電強度越高。由于紙

29、筒只起分隔油隙的作用，所以不宜過厚，但由于機械強度的要求，紙筒也不能太薄，此處在靠近高壓線圈的第一個紙筒厚度取為4mm，其余取2mm。同時認為，線圈的覆蓋，對油隙的絕緣強度有較大的影響。薄紙筒小油隙絕緣結構的最小擊穿電壓可按下式進行計算：</p><p>　　Ubmin=Ey（∑Dy+εy/εz*∑Dz）</p><p>　　其中：∑Dy---油間隙的總和</p><p

30、>　　∑Dz---紙板厚度的總和</p><p>　　εy ------變壓器油的介電系數(shù)，取為2.2</p><p>　　εz------油浸紙介電系數(shù)，取為4.5</p><p>　　Ey------緊靠低壓或高壓線圈表面油隙的實際允許場強</p><p>　　當考慮電場集中和結構工藝等不利因素的綜合修正系數(shù)K時，則Ey=Ebmin

31、/K，其中Ebmin為油隙最小擊穿場強，取K為1.25</p><p>　　在設計線圈間隔板時，將出現(xiàn)最低擊穿場強的油隙放在中間，即使靠近線圈的油隙尺寸小，而絕緣紙筒間的油隙取得稍微大些。這是由于考慮到線圈制造過程中出現(xiàn)的不可避免的缺陷，使靠近紙圈的油隙中電場均勻程度差的緣故。</p><p>　　具體設計及校核如下所述：由于線圈間各油隙的耐電強度一致，故求出任一油隙的耐電強度即可。由絕緣

32、結構圖所示的尺寸，可算出列于小表中的數(shù)據。</p><p><b>　　絕緣半徑計算數(shù)據表</b></p><p>　　計算r3處油隙上的電場強度,利用同心圓電容器場強計算公式求得：</p><p>　　E3=1.25*400/[38.3*(0.14+0.5*0.034)]</p><p><b>　　=83.

33、1 kV</b></p><p>　　查線圈間油隙最小擊穿場強與距離關系圖得：</p><p>　　S=1.95/2，油隙寬度為11mm時，最小擊穿場強為</p><p>　　Emin=80*1.2=96 kV/cm</p><p>　　故絕緣裕度為：96/83.1*1.15=1.33   能夠滿足技術要求

34、</p><p>　　由上可知，主絕緣結構合理，各處尺寸均具有足夠的絕緣裕度。</p><p>　　6. 縱絕緣耐電強度的核算</p><p>　　變壓器線圈縱絕緣結構中的電場，由于考慮到線圈段間梯度而產生軸向電場，同時相鄰線匝間存在輻向電場，因而作用于線圈縱絕緣上應為復合電場。</p><p>　　在實際結構中，由于線圈在器身裝配

35、厚壓緊，當匝絕緣厚度較大而且導線絕緣包扎較松時，則匝絕緣與墊塊可能形成密實接觸，該處耐電強度提高，因而段間絕緣弱點將移于油隙中。</p><p>　　段間油道最大場強隨段間油道尺寸變化符合一定規(guī)律。當匝絕緣厚度大于1.35mm時，段間油道增大到一定尺寸后，最大場強則趨于平直。因此，可認為過大地增加段間油道尺寸，對于匝絕緣厚度較大的220kV電力變壓器的高壓線圈而言，由于Edm的降低不明顯而無實際意義，但適當減小段

36、間油道尺寸，從而使線圈高度降低，無疑可取得良好的技術經濟效果。</p><p>　　對于220kV級變壓器的高壓線圈全部采用糾結式、插入電容式線圈，其匝間絕緣厚度為1.95mm。220 kV級變壓器的高壓線圈均為中部出線結構。為了保證匝絕緣厚度，采用0.45mm高密度紙或0.05mm高壓電纜紙作為絕緣厚度。</p><p>　　在糾結式線圈中，當每段為偶數(shù)匝時，為了改善沿撐條的向內油道沖擊

37、梯度，可改進糾結線段的出線方式，即由第二匝引出引線，這樣，向內油道沖擊梯度可小于1.5倍的向外油道沖擊梯度。</p><p>　　查段間油隙沖擊全波最小擊穿電壓表可知：</p><p>　　當匝絕緣厚度為1.95mm時，各油道的最小擊穿電壓分別為：</p><p>　　1，3，5向外油道，8mm，Umin=160 kV</p><p>　　

38、7，9，11向外油道，6mm，Umin=143 kV</p><p>　　中斷點，15mm，Umin=198 kV</p><p>　　由各油道沖擊全波梯度分布求得：</p><p>　　1，3，5向外油道，U=0.1*945=94.5 kV</p><p>　　7，9，11向外油道，U=0.08*945=75.6 kV</p&

39、gt;<p>　　中斷點,U=0.15*945=141.75 kV  </p><p><b>　　各處絕緣裕度為：</b></p><p>　　1，3，5向外油道：160/94.5=2.47</p><p><b>　　能夠滿足技術要求；</b></p><p>

40、;　　7，9，11向外油道：143/75.6=1.89</p><p><b>　　能夠滿足技術要求；</b></p><p>　　中斷點 ：198/141.75=1.4  </p><p><b>　　能夠滿足技術要求。</b></p><p>　　由此可知，縱絕緣結構合理。</p

41、><p><b>　　五．結論</b></p><p>　　通過上述核算得知，各部分主絕緣、縱絕緣結構在個類試驗電壓作用下均具有足夠的絕緣裕度，本次所設計的220kV級電力變壓器絕緣結構滿足技術要求，是可行的。</p><p><b>　　六．總結</b></p><p>　　本次課程設計為期2周，卻是

42、對幾年的大學課程學習的融匯和貫通的過程。</p><p>　　通過完成本次設計任務，首先對220 kV級電力變壓器的主、縱絕緣結構有了更深一層的了解，鞏固了原有的絕緣結構計算方法和思想，并能夠將其運用到絕緣結構復雜的電力變壓器絕緣中；也基本掌握了在各種試驗電壓作用下，電力變壓器各部分絕緣結構的絕緣裕度之求取方法；更是對絕緣結構的設計思想有了更深體會。對于以后走向工作崗位，完成實際設計任務奠定了很好的基礎。<

43、;/p><p>　　本次設計任務完成過程中得到了老師的大力幫助，在此表示感謝。</p><p><b>　　參考文獻：</b></p><p>　　a、路長柏等編著：電力變壓器計算第五章；</p><p>　　b、劉傳彝：電力變壓器設計計算方法與實踐；</p><p>　　c、路長柏：電力變壓器絕緣技