110 kV 環氧澆注乾式變壓器絕緣結構的模擬驗證

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來源 ｜變壓器技術雜誌

110 kV 環氧澆注乾式變壓器絕緣

結構的模擬驗證

（武漢大學電氣工程學院）

（國網山東省電力公司濟南供電公司）

劉超，阮江軍，逯懷東，文武，廖才波

摘 要：環氧澆注乾式變壓器相對於其他乾式變壓器具有很多優點，但是出於經濟性的考慮，其電壓等級及容量的提高受到了制約。本文對一台尚處於設計階段的110kV 環氧澆注變壓器絕緣結構進行了模擬驗證。首先，建立該變壓器的二維電場模擬模型；其次，根據不同的連接位置分別對該二維模型進行有限元電場模擬；再次，分析在不同連接位置下空氣絕緣和環氧樹脂絕緣中的電場強度；最後，根據電場結果分析得知該絕緣結構能夠滿足工頻耐壓試驗的要求，並對後續工作進行了展望。

關鍵詞：環氧澆注；乾式變壓器；絕緣結構；電場

引 言

電力變壓器是我國輸配電系統中大量使用的電氣設備，在電力系統中發揮著重要的角色。乾式變壓器由於具有以下特點：（1）安全，難燃防火，無污染，可直接安裝在負荷中心；（2）免維護、安裝簡便，綜合運行成本低；（3）防潮性能好，可在100％濕度下正常運行，不經預乾燥即可投入運行；（4）體積小、重量輕；（5）可靠性高［1-2］ 。其中，環氧澆注乾式變壓器和其他的乾式變壓器相比，在過載能力、絕緣水平和耐受短路能力方面都有著較大的優勢［3］ 。環氧澆注乾式變壓器在我國的發展也經歷了一個從厚絕緣到薄絕緣，電壓等級從10kV 到35kV 的發展過程。

隨著電壓等級和容量的提高，環氧乾式變壓器油浸式變壓器具有損耗低、節能效果高等優勢，在電力領域中的應用非常廣泛。但是，傳統型非晶合金油浸式變壓器在設計過程中主絕緣結構的距離過大，大大提高了變壓器的製造成本，不利於變壓器產業的經濟發展， 還需要不斷進行完善。所需要的設計尺寸也會大幅度增加，其中較大部分來自於對絕緣距離的需求，因此對於絕緣結構的設計成為了其發展的關鍵［4］ 。本文的研究對象是一種新型的仍處於設計階段的110kV 環氧澆注乾式變壓器絕緣結構，通過對該變壓器不同連接方式下進行有限元電場模擬分析，得到了絕緣電場分布情況，為該變壓器絕緣結構的最終選型提供一定的參考依據。

計算原理

由於變壓器的尺寸遠小於工頻下電磁波的波長，因此工頻耐壓下的時諧場屬於似穩電場，該時諧場的計算問題可以通過靜電場的求解來等效進行，求解電壓最大時刻的靜電場即可［5-8］ 。由於變壓器各部件中導體的電位都是已知的，所以該問題為第一類邊界條件問題，其控制方程如式（1）所示。

式中Ω 為電位φ 的求解域，ε 為介質的相對介電常數，ρ 為求解域內電荷密度；Γ Ｄ為狄里克萊邊界，u 為已知電位邊界參數。

變壓器模擬模型

本文研究的對象為三相平面環氧澆注乾式變壓器，高壓為線繞分段圓筒澆注式，低壓為銅箔纏繞式，無填料澆注。變壓器容量為20000kVA，高壓側額定電壓為110kV，低壓側額定電壓為10kV，絕緣耐熱等級為Ｆ 級。

變壓器自身模型是通過其實際尺寸建立的，計算模型中其中上端邊界是變壓器本體高度的4 倍，右端邊界是變壓器本體半徑的4 倍，故對於該計算問題能達到計算精度的要求，圖1 所示為計算的變壓器二維軸對稱模型（不含外邊界空氣）。

圖１變壓器二維模型軸對稱模型

該變壓器絕緣結構的創新點在於：在絕緣筒的內外兩側分別布置了一層銅箔，如圖1 中的絕緣筒局放放大圖所示。其中內層的銅箔通過銅線與低壓繞組外層相連，外層的銅箔通過銅線與高壓繞組內層某個線圈段處相連。這樣就能將本應由空氣和絕緣筒共同承受的電位差變為主要由絕緣筒來承受，絕緣筒的擊穿場強要比空氣大很多，所以可以有效的減小高、低繞組之間的絕緣距離。變壓器的結構件比較多，進行電場分析的需要對變壓器的結構進行簡化。由於本文主要對變壓器繞組的絕緣結構進行驗證，因此計算模型中主要包含為變壓器鐵心、高壓繞組、低壓繞組、繞組絕緣、絕緣筒、絕緣筒高壓銅箔和低壓銅箔。其中絕緣筒和繞組絕緣為環氧樹脂和玻璃纖維的複合絕緣材料，對應的材料屬性如表1 所示。

高壓側繞組分上下兩部分，且兩部分的結構是完全一樣的，因此只需要分析上側的繞組電壓分布即可。上側繞組根據尺寸及匝數差別共有A、D 及E 三種線圈段，其中Ａ線圈段有21 匝，共16 段；Ｄ線圈段有34 匝，共6 段；E 線圈段有35 匝，共2 段。因此上側共有繞組610 匝，線圈段的連接方式如圖2 所示。

圖2 高壓繞組連接方式示意圖

其中第一列和第二列都是Ａ 線圈段，第三列的第1個和第3 個是Ｅ線圈段，其他的６個是Ｄ線圈段。工頻電壓作用下，可以認為電壓降在每匝繞組上是均勻分布的。考慮載入的工頻試驗電壓為200kV，根據上圖所示的高壓繞組的連接方式，可以求得每個線圈段的壓降。其中，Ａ 線圈段的壓降為6.885kV，Ｄ線圈段的壓降為11.148 kV，Ｅ線圈段的壓降為11.475kV。如果假設每個線圈段的電壓相同，則可以得到從高壓端到中性點的電位分布情況，高壓繞組下側的線圈段電壓分布也可以通過這個方法得到。以每個線圈段上的電位值為約束條件，即可求得整個空間的電位及電場分布情況。

在進行有限元法電場數值模擬的時候，還需要考慮對單元網格剖分的控制。對主要的分析對象，如繞組及其澆注的環氧樹脂，需要進行加密剖分，對其他組件及邊界部分可適當粗略剖分。這樣既可以保證結果的精度，又能節省計算資源。

不同連接位置的電場模擬分析

如圖2 所示，高壓繞組內側共有８個電位不同的線圈段，絕緣筒高壓銅箔等電位連接到某個位置，則其他位置就會與絕緣筒高壓銅箔之間存在一個電位差，這個電位差將作用在兩者的空氣絕緣上。因此需要對８個連接位置時的電場分別進行模擬分析，從中選擇空氣絕緣和環氧樹脂絕緣都能滿足的位置。對於低壓繞組，由於其本身電壓較低，且為箔式繞組，所以連接位置無需做太多考慮。以位置１連接到絕緣筒高壓銅箔為例，進行了靜電場的模擬計算，不同位置處的結果如圖３所示。

由圖中可知，高壓絕緣介質中的最大場強為77.1 kV/cm，出現在高壓繞組下端內層的絕緣介質中；絕緣筒中的最大場強為326.02 kV/cm，出現在高壓銅箔的末端均勻環周圍；高壓繞組氣道中的場強最大值為53.12 kV/cm，出現在高壓繞組與絕緣筒之間的氣道下端，位置對應於高壓銅箔所在處。同理，可以對絕緣筒高壓銅箔連接到其他７個位置處的電場進行模擬分析，其結果如表2 所示。

圖3變壓器電場強度結果圖

表2 不同連接位置處最大場強值對比

由於變壓器的內部結構可知，其間電場為同軸圓柱形稍不均勻電場，空氣的擊穿場強可以認為是30 kV/cm，環氧樹脂與玻璃纖維所組成的固體絕緣擊穿場強可以達到 180kV/cm ～ 220kV/cm，這裡按照最小值180kV/cm 進行考慮［9］ 。需要說明的是，變壓器絕緣筒的實際耐受場強水平也受到澆注工藝的影響，但本文在模擬過程中將只對結構進行驗證，不考慮生成工藝方面的因素。

經過上述的計算和分析可知，絕緣筒高壓銅箔連接到高壓繞組位置５和位置６處的線圈段時，絕緣介質中的場強和空氣中的場強都滿足要求，方案是可行的，其他６ 個位置不滿足工頻耐壓試驗的要求。

結束語

對一台處於設計階段的110kV 環氧澆注乾式變壓器進行了建模分析，模擬分析了８個不同連接位置處的場強情況。計算結果表明，在位置１處進行連接時絕緣筒的場強值最大，其值為326kV/cm，不滿足環氧樹脂擊穿場強要求；在位置８處進行連接時繞組絕緣的場強值最大，其值為77kV/cm，但空氣絕緣部分不滿足擊穿場強要求；在位置５和位置６處進行連接時，空氣絕緣和環氧樹脂絕緣都能夠滿足工頻耐壓的要求。

本文從工頻耐壓的角度進行了分析，而實際中變壓器耐受衝擊電壓的能力也是變壓器設計中的一個重要考量因素［10］ 。因此後續還需要對候選方案耐受衝擊電壓的能力進行模擬分析，從而確定該方案是否可行、是否需要對絕緣結構做進一步的改進。

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