变压器设计校核和调试

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1、变压器设计校核和调试变压器设计校核和调试江苏省电力试验研究院 万达1 变压器绝缘强度的校核1.1 纵绝缘强度校核1.1.冲击计算和传递过电压1）绕组冲击分布计算，各绕组在全波、截波时，油中场强、饼间场强和匝间场强等均应小于许用场强。2）传递过电压分布校核高压首端全波/截波冲击电压时，低压绕组的传递过电压计算和校核。1.2 主绝缘强度校核1.2.1 全域电场分析通常为便于校核，将雷电冲击、操作冲击试验电压按照一定的冲击系数换算成工频一分钟值，取该换算值与实际工频耐压（一分钟）值的最大值，作为设计绝缘水平（DIL） 。例如特高压升压变的高压线端绝缘水平分别为：雷电冲击 2250kV、操作冲击 18

2、00kV 和工频 5 分钟耐压 1100kV。按照分别的冲击系数 2.7、2.3 和工频电压时间特性系数 0.92 换算为工频一分钟电压值的最大值为 1200kV,作为设计绝缘水平（DIL）进行校核。变压器各部位，包括绕组间、绕组对地、绕组纵绝缘等进行全域电场分析计算，找出各关键部位的电场强度，确保在各种试验电压（雷电冲击、操作冲击、感应和外施工频耐压）下，均不击穿，且不发生局部放电。线圈端绝缘部位的电场解析如图 1 所示。图 1 线圈端部的电场解析1.2.2 无局部放电设计 局部放电发生的概率在超（特）高压变压器中，引入无局部放电设计概念，即局部放电发生概率很低（0.1%1%）的设计。按照韦

3、伯分布 局部放电发生概率 P 如式（1）计算：P 1exp-ln2（E/E50）-m （1）式（1）中：E 对应概率 P 的场强 kV/mm；E50 50局部放电发生概率对应的场强 kV/mm；m 韦伯分布的形状系数，对于不同的绝缘部位和试验电压种类，形状系数不同。例如有的公司给出如表 1 所示 m值：表 1 形状系数 m绝缘部位工频冲击纸隔板间油隙15.29.8纸板外侧油（引线外表面）9.511.3绝缘支架10.112.2 绝缘油的许用场强变压器主绝缘系油纸隔板结果，在工频电压作用下，油隙的强度是关键因素。国际上常用的“魏德曼油曲线”，给出了低局部放电发生概率的场强与油隙长度的关系，如图 2

4、 所示：图 2 “魏德曼”油曲线（局放概率 12）图 2 中：曲线 1 脱气油，绝缘电极；曲线 2 气饱和油，绝缘电极；曲线 3 脱气油，无绝缘电极；曲线 4 气饱和油，无绝缘电极。对于曲线 14 的表达式如式（2）所示：Epd E1d-a kV/mm； （2）式（2）中：Epd 局部放电起始场强 kV/mm ；E1 油隙长度为 1mm 的局部放电起始场强，对应于曲线1、2、3 和 4，E1分别为 21/17.8/17.8/13.5；d 油隙长度 mm；a 指数，对应曲线 1、2、3 和 4，a 分别为0.37、0.364、0.364 和 0.364。（油隙越大，起始场强就越低，发生局方的可能

5、性越大）500kV 变压器的油隙仅 7mm，线圈有轴向油道电极面越大击穿电压于小。按照图 2 或式（2） ，显示油隙长度越小，局部放电起始场强越高。这是变压器设计的基本思想，只要散热条件允许，总是将油隙设计得更小些。图 2 或式（2）所示的“魏德曼油曲线”所列的局部放电起始场强，对应的是 12的发生概率，且是均匀电场的情况。各种试验研究表明，油隙的局部放电起始场强还取决于油的体积、油的特性（水分和颗粒度） ，以及电场的均匀程度等因素。在实际运用中，对图 2 或式（2）所示局部放电许用场强，要留有较大的安全系数。关于油体积效应：超（特）高压变压器的容量大，体积也大，即电极间油体积增加会带来油绝缘

6、强度的降低。通常认为油体积增大带来较多的杂质，从而导致绝缘击穿的概率上升，绝缘强度降低。图 3 给出，油体积从 106cm3 到 10 5cm3的范围，油击穿场强的下降情况。在雷电冲击电压下，也存在类似的下降。图 3 工频 1min 的击穿场强与电场油体积的关系关于油颗粒度和水分的影响：图 4 给出油中水分和颗粒污染对油绝缘强度的影响。较清洁油 轻污油 重污油图 4 工频分级加电压下，同轴圆柱电极的 1概率耐受强度试验数据国际大电网会议资料介绍了多起因油中颗粒导致变压器故障的实例。例如，委内瑞拉的两台新 800kV 变压器因滤油机的滤芯损坏，投运仅 15 分钟左右，在低场强区的纸隔板处发生故障

7、。巴西四台800kV 变压器，运行仅 26 周，因冷却器内的油漆剥落，高压引线对油箱壁故障。该批冷却器曾在户外不当储存，水进入其中。加拿大的 765kV 变压器在近 30 年的时间里，先后有约 40 只 765kV 套管均压球或引线在出线绝缘处发生放电，均压球与油箱壁的距离 d 为400mm，该部位对油中颗粒比较敏感，如图 5 所示。图 5 765kV 套管均压球故障部位各种电极和颗粒情况的试验结果汇总，如表 2 所示。表 2 颗粒对裸电极油绝缘强度的影响 大于 5 m/100ml 颗粒数序号电极形状升电压速度含水量(ppm)颗粒类型清洁/污染油击穿电压或耐受电压下降1半球盖 VDE d1mm

8、0.5 kV/s无金属1900/7800035%2半球盖 VDE d 1mm 0.5 kV/s金属6000/10900045%3半球盖 VDE d 2mm 0.5 kV/s20铁 45 m2000/20000050%4半球盖 VDE d 2mm0.5 kV/s20铜 45 m2000/2000040%5半球盖 VDE d 2mm0.5 kV/s20纤维 45 m2000/10000025%6半球盖 VDE d 1mm0.5 kV/s10铝5000/100000257IEC d 2.5mm连续 2 kV/s10工厂自然3500、1300048半球盖 VDE d 2mm0.5 kV/s10碳200

9、/20000159半球盖 VDE d 2mm1min1kV10碳200/200002910圆柱 d 0.5mm1min1kV10碳200/1000005611圆柱 d 2mm1min1kV10碳200/200002712半球盖 VDE d .5mm1min1kV15现场自然200/200004213半球盖 VDE d 2mm1min1kV15现场自然200/200002814圆柱 d 2mm1min1kV15现场自然200/200003815圆柱 d 1mm1min5kV15纤维粒3016圆柱 d 1mm1min5kV15纤维丝63由表 2 看出，序号 1 与序号 2 相比，金属颗粒比无金属颗

10、粒的影响大（因序号 2 的 a 值大） ；序号 3、4 与序号 5 相比，铁和铜金属颗粒的影响比纤维颗粒的影响大；序号 8 与序号 9 相比，升电压速度慢时，颗粒影响大；序号 13 与序号 14 相比，后者是圆柱电极，油体积大，颗粒的影响也大；序号 15 与序号 16 相比，纤维丝的影响比纤维粒大。有资料对交流电压下油中颗粒度对大油隙的击穿电压的影响进行了研究。直径 280mm 的球形平板电极，间隙距离 600mm，油中添加纤维颗粒或搅动油均使击穿电压明显降低，如图 6 所示（图中电压为峰值，不是有效值） 。油中不添加纤维颗粒也不搅动（静放4 天）的击穿电压最高约 1100kV；搅动油后，击穿

11、电压为 660kV，下降约 40；添加纤维颗粒并搅动，击穿电压进一步降低。油中即使不人为添加纤维颗粒，其原有的少量颗粒仍会因搅动而移动至高压电极，导致击穿电压降低。不搅动搅动带纤维颗粒并搅动图 6 油中添加纤维颗粒或搅动对击穿电压的影响 设计合理的绝缘结构设计合理的绝缘结构，主要着力点是使电场均匀并防止沿纸板绝缘表面爬电。如图 1 所示的端绝缘，线圈端部静电板的边沿圆整化，降低表面场强；设置多层绝缘角环，合理分割端部油隙，提高油隙的许用场强；绝缘角环的圆弧与电场的等位面重合，使固体绝缘表面场强降低，防止沿面放电等。此外，在绝缘结构的设计中还应避免出现长油隙，例如线圈对油箱，以及同一绝缘螺栓穿透

12、多层绝缘隔板等情况。如图 7 所示，左图为同一绝缘螺栓穿透多层绝缘隔板，在螺栓处形成“长油隙”；右图则巧妙地采用两只绝缘螺栓交错布置，即避免了“长油隙”，又实现了多层绝缘隔板的紧固。图 7 避免同一绝缘螺栓穿透多层绝缘隔板为避免绝缘螺栓处形成密闭空腔，应在螺帽垫块处开槽，以便对螺纹间隙抽真空和浸油。1.3 引线绝缘校核超（特）高压变压器中的高电压引线，包括绕组至高压套管引线、分接引线和高低高线圈间的引线等。特别是后者，如图 8所示的高压 I 与高压 II 线圈间的连线，在冲击（雷电、操作）电压下，可能出现较高的振荡，必须予以关注。图 8 高低高结构的连线绝缘高压II低压高压I铁心高压I与高压I

13、I间连线对于具体的引线绝缘应分别进行在各种试验电压下的绝缘强度校核，例如 220kV 级分接引线，在引线导体外包纸绝缘，引线导体绝缘外设多层纸隔板，纸板间以及纸板与导体绝缘间有一定的油隙。对于纸板间以及纸板与导体绝缘间油隙的许用场强，可按照一般的小油体积的许用场强考虑，但对于最外层纸板（例如图 9 中的第 2层纸板）外表面的许用场强，要考虑与变压器夹件或油箱壁间的大油体积所带来的许用场强降低，即考虑油体积效应。为此要优化引线的绝缘结构，确保引线绝缘不发生局部放电。图 9 变压器分接引线绝缘示例引线导体引线绝缘第1层纸板第2层纸板此外，线圈端部静电板及其引出线部位的电场较复杂，也应进行校核。要严

14、格相关部位的包扎工艺，注意静电板等位线的焊接和引出。2 变压器控制漏磁发热和绕组温升2.1 变压器漏磁场计算和控制漏磁发热的措施准确计算漏磁场及其分布对确定变压器短路阻抗、绕组短路机械力、结构件杂散损耗和绕组温升等参数至关重要。如图 10 为双绕组变压器的漏磁分布示意，高低压绕组间的漏磁通，在绕组端部弯曲，并进入铁心和上下轭铁等结构件。为此，一方面需在绕组端部设置磁分路，尽量将漏磁通导入上下轭铁，减少绕组端部的横向漏磁通量，控制绕组热点温升和机械力；另一方面，在上下夹件和油箱壁采取一定的磁屏蔽措施，防止局部过热。图 10 双绕组变压器漏磁示意上轭铁下轭铁铁心油箱低 压 绕 组高 压 绕 组2.

15、2 绕组温升控制在控制和计算漏磁通的基础上，选择合理的绕组导线类型（换位导线、组合导线或常规导线）和电流密度，并结合绕组内部的冷却油流量，可计算出绕组平均温升和热点温升。由于漏磁通、冷却油流量以及热点温度等计算方面存在一些不确定因素，绕组的温升设计计算结果，应留有一定裕度。必须指出，变压器绕组平均温升和油箱壁的热点温升可直接通过温升试验予以考核和验证。绕组热点温升，一般根据GB1094.7（2008）可按照式（3）计算： h i H （ W i m） （3）式（3）中： h 绕组热点温升 （K） ； i 顶层油温升 （K） ；H 热点系数，取 H 1.3； W 绕组平均温升 （K） ； i m 油平均温升 （K） 。式（3）中的热点系数 H 是关键参数，国标给出 H1.3 是统计值。因此，对于实际变压器绕组热点温升，需埋设光纤测温准确取得。该光纤测温数据对同类型变压器有借鉴意义。所谓“同类型”是指有类似的磁分路和磁屏蔽措施，有类似的导线类型和电流密度以及类似的冷却方式和冷却效果。目前，国内有两个制造厂在特高压升压变上埋设了光纤测温，取得不少经验。3 变压器承受短路能力的校核变压器承受短路能力的校核3.1 校核的基本原则变压器电气强度和漏磁发热问题的校核，一般可通过在制造厂的出厂试验予以验证，唯有承受短路的能力不能直接考核，因此