【正文】 電氣設備故障診斷技術課程論文 ? 變壓器絕緣設計 ? 變壓器預防性試驗 ? 變壓器在線監(jiān)測 ? 變壓器在線監(jiān)測相關研究 ? 變壓器在線監(jiān)測的前沿與展望 變壓器絕緣設計 摘要： 變壓器是電力系統(tǒng)中的主要電氣設備，變壓器絕緣是電力變壓器，特別是超高壓電力變壓器的重要組成部分。電力變壓器的絕緣結構及所用絕緣材料的可靠性，直接影響到電力變壓器運行性能的可靠性。絕緣結構設計是電力變壓器結構設計的一項重要且復雜的技術問題。本文將以其他變壓器絕緣結構設計文獻為基礎，總結變壓器的絕緣設計。 關鍵詞： 變壓器；絕緣 設計；主絕緣；縱絕緣 0 引言 變壓器自其誕生以來，絕緣問題就是它不可避免的技術問題。 。 變壓器作為電力系統(tǒng)的關鍵設備，其質(zhì)量高低直接影響著這個電力系統(tǒng)的可靠性。電力變壓器的絕緣結構及所用絕緣材料的可靠性，直接影響到電力變壓器運行性能的可靠性。電力變壓器向高電壓、大容量方向發(fā)展的同。各種產(chǎn)品都向高可靠性、節(jié)能型、環(huán)保型、緊湊型、個性化方向發(fā)展。各變壓器生產(chǎn)廠商，在研發(fā)高電壓、大容量產(chǎn)品的同時．也在對現(xiàn)有產(chǎn)品性能進行提高。如何設計、制造出高質(zhì)量的產(chǎn)品。已經(jīng)成為廣大電力系統(tǒng)的客戶和各大制造廠家共同關注的問題。 1 變壓器絕緣的分類 變壓器的絕緣分為內(nèi)部絕緣與外部絕緣。外部絕緣指套管本身的外部絕緣和套管間及套管對地的絕緣。內(nèi)部絕緣包括主絕緣和縱絕緣。主絕緣是指繞組（或引線）對地對另一相或?qū)ν幌嗟钠渌@組（或引線）之間的絕緣，而縱絕緣是指同一繞組上各點之間或其相應引線之間的絕緣 [1]。 2 主絕緣的設計 變壓器主絕緣結構的選擇原則 繞組之間、繞組對油箱、繞組對鐵心柱和異相繞組之間的絕緣結構基本上屬于比較均勻的電場，因此，采用把大油距分割成小油距的油隔板結構。分割有兩種類型：一種類型是大油道厚紙筒結 構，它的特點是在工頻和沖擊試驗電壓下，允許油道有放電現(xiàn)象，全部電壓由厚紙筒所承受，且不被擊穿。但這種配合不能保證在試驗電壓下固體絕緣不受損傷。因此，在較高電壓等級的變壓器上已不再采用。由于其制造上比較簡單，所以在電壓等級不高或者距離很大的狀況下選擇使用。另一種類型是薄紙筒小油道結構，它的基本特點是根據(jù)油體積減小時，油的耐電壓強度提高。因此，一般在電壓等級比較高的變壓器上采用。因不同材料具有不同的介電常數(shù) s，故需要進行合理的配置。其設計的原則是使油間隙在局部放電試驗電壓下，其電場強度不超過油間隙起始局部放電電 場強度。 變壓器主絕緣設計基本問題 厚紙筒大油隙結構型式，在此種結構型式中紙筒厚度為 6毫米，汕隙寬度大于 20毫米。這種結構設計的出發(fā)點，是使在所有油隙全部擊穿的情況下，紙筒也能承受全部試驗電壓的作用。此種結構的工頻、沖擊電壓下，其最小擊穿電壓與絕緣距離的關系可用特定公式計算，而這一特定公式適用于中部出線，電場比較均勻的結構。當線圈端部出線時，則距離須放大 30％以上；絕緣必須進行真空處理和真空注油；作為油一隔板的紙筒總厚度占整個油隙的 l/4，即總油隙距離與紙筒總厚 度之比為 3:1,線圈與相鄰紙筒間的油隙不大于 25毫米，紙筒之間油隙一般為 20毫米左右。 薄紙筒小油隙結構型式 ,在此種結構型式中紙筒厚度小于 4毫米，油道寬度小于 12毫米。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，紙筒也就喪失絕緣能力，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(jù)變壓器油的距離效應，油隙耐電強度隨油隙的減小而增大，因此，在同一主絕緣距離、同一紙筒的百分數(shù)的情況下，油隙分隔越小則耐電強度越高。由于紙筒只起分隔油隙作用，所以不宜過厚。同時認為線 圈的覆蓋，對油隙的絕緣強度有很大影響。設置線圈間隔板時還應該注意：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，而絕緣筒之間的油隙尺寸稍大。這是由于考慮到線圈制造中出現(xiàn)的不可避免的缺陷，使靠近線圈的油隙中電場均勻程度較差的緣故。目前，上述兩種結構形式均被應用。大油隙結構一般被采用于60千伏以下的電壓等級中，因為它在高壓大容量變壓器中，巳暴露出許多缺點。在 110千伏及以上的油浸式電力變壓器中，目前均采用薄紙筒小油隙結構。 由于絕緣結構的擊穿電壓不僅與絕緣間隙的結構 及其尺寸有關，而且還與其中電場分布，即與帶電及接地部分的形狀及其相互之間位置和距離有關，因此，為了正確地選用絕緣結構，了解其中出現(xiàn)最大場強部位，并求得這些部位的電場強度值是非常重要的。采用分析法計算線圈間電場強度時，由于電極形狀及其間隙中油和固體介質(zhì)組合的多樣性，勢必以電場為已知的具有簡單幾何形狀的電極來代替形狀復雜的電極并引入一修正系數(shù)。 必須指出，實際計算的線圈表面并非是連續(xù)的圓柱體，而是具有軸向的段間或匝間油隙，這種不連續(xù)性對電場分布有影響，即段間油隙引起電場呈波紋狀的畸變，特別是線餅圓角附近處?？?利用波紋系數(shù)表示此種附加電場集中。所謂波紋系數(shù)，即距線圈表面某點處的電場強度與相同結構尺寸的同軸圓筒形電極 (即無軸向油隙）該處電場強度之比。在設計線圈間主絕緣時，還應注意到線圈軸向場強對主絕緣的影響。線圈在工頻電壓作用下，電壓分布是均勻的，故軸向電場的合成電場與輻向電場相差不大，一般不超過 10％。在沖擊電壓作用下，線圈進線端的軸向電場強度較高，故對線圈主絕緣的合成電場具有影響，而且輻向場強和軸向場強是不同的兩個時間函數(shù)，從而造成了線圈間電場計算的復雜性。在設計線圈間主絕緣時，若不考慮軸向電場的影響，勢必影響 設計的可靠性。 。 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，而且由于鐵軛是輻向不對稱的，所以電場也是不對稱的。因此，過去對于線圈端部的電場計算是很困難的，甚至是不可能的。自從電子計算機在變壓器設計中得到廣泛應用以來，目前巳能對線圈端部電場進行計算，并得到了較為滿意的結果。由于短路機械強度的要求，線圈必須支撐于鐵軛 (壓板 )上，對 35千伏及以下的變壓器采用墊塊，對60千伏及以上的變壓器采用墊塊與隔板 (角環(huán) )分隔油隙。由于該處電場不均勻，電力線經(jīng)過 兩種介質(zhì) (變壓器油和絕緣紙板 )，并且斜入固體介質(zhì)，即存在著沿固體絕緣表面的電場切線分量，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導致沿面放電。近年來，從大量模型試驗中發(fā)現(xiàn)，變壓器線圈端部由油一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了油間隙起始放電場，開始出現(xiàn)局部放電，并由此而引起電場畸變，進而形成沿面放電所致。試驗表明：端部絕緣放電主要決定于端部最大場強值，而與沿面放電距離沒有直接關系，加長放電距離只能使貫穿性擊穿更加困難 [2]。 3 縱絕緣結構設計 變 壓器運行過程中會遇到各種過電壓，過電壓分內(nèi)部過電壓與外部過電壓。內(nèi)部過電壓 發(fā)生在電力系統(tǒng)本身，是當變壓器或線路在分、合閘時由于系統(tǒng)中能量發(fā)生劇烈變化而產(chǎn)生 的一種具有周期性波的操作過電壓 。而當系統(tǒng)發(fā)生不對稱短路和間歇電弧時將產(chǎn)生故障過電 壓。外部過電壓也稱大氣過電壓，是由于雷電直接落在輸電線上或者由于帶電荷的云層彼此 間發(fā)生放電或?qū)Φ胤烹姸鴮旊娋€產(chǎn)生電磁感應或者由于帶電云層移過輸電線上空時產(chǎn)生靜電感應所引起的非周期性過電壓波。 變壓器在過電壓作用下，起始階段在繞組的線端引起了很大的電壓梯度，隨后 將在繞組 其他部位引起電壓振蕩，并使繞組的對地電壓大大增高，這對繞組絕緣非常不利。變壓器的 過電壓保護，一方面是采取各種措施降低進入變壓器的過電壓波的幅值 :例如在輸電線上部 設架空地線 。采用合理的絕緣配合 (在接近變電所的輸電線路上裝設避雷器 )。另一方面是 加強變壓器本身的電氣強度，使起始電壓分布和整個過渡過程的電壓分布可得以改善。 變壓器的縱絕緣 [3]，包括繞組的匝間、層間、線段間的絕緣結構與尺寸，由沖擊試驗電壓 (全波和截波 )與繞組的起始分布電壓 (電壓梯度 )確定。下面列出了不同電壓等級的油浸式電 力變壓器的縱絕緣結構尺寸。 (1)35KV及其以下變壓器的縱絕緣 ① 圓筒式繞組 圓筒式繞組匝間絕緣按導線規(guī)格選擇。紙包圓線的兩邊絕緣厚為 垃垃，紙包扁線的兩邊絕緣厚為 ()垃垃，括號內(nèi)數(shù)值為計算值。 層間絕緣 :一般用 ，其張數(shù)由繞組兩層間最大工作電壓選取。油浸電纜紙的電場強度取 3000～ 4000V/垃垃，層間絕緣電纜紙最少為 2張。在層間電壓較高而要求電纜紙張數(shù)很多 (一般超過 4張 )時，可采用圖 31所示的分級絕緣結構，以減小繞組的輻向尺寸。 圖 31 層間分級絕緣 層間油道 :為使變壓器運行時繞組溫升不超過規(guī)定值，有時在層間設置油道以增加繞組 的散熱面積。油道的寬度應隨繞組的高度增加而增加，否則收不到應有的冷卻效果。一般取 油道尺寸為繞組高度的 1/100，但不小于4mm。油道個數(shù)對 35KV級容量在 及其以上時取一個，油道設在總層數(shù)的1/3~2/5處 (從內(nèi)層算起 )，而當繞組內(nèi)外兩側都散熱時，油道應設在總層數(shù)的一半處。層間油道是由 10～ 15垃垃寬的層壓紙板撐條構成的，兩撐條之間的周向間距為 120～150mm (弧長 )。油道也可用瓦楞紙板構成。 ② 連續(xù)式繞組 連續(xù)式繞組的匝間絕緣及段間絕緣見表 31。段間紙圈伸出繞組外徑每 邊至少 8mm。三相容量為 下、電壓為 35KV時，繞組首末端各 4段的匝 數(shù)應為正常段匝數(shù)的 70%左右。此時，匝間應均勻墊以絕緣紙條，使線段外徑與正 常段的 一致。 表 31 連續(xù)式繞組的匝間絕緣及段間絕緣 (2)110KV變壓器的縱絕緣 對于中性點直接接地、高壓繞組接法為 YN、調(diào)壓范圍≤10%、三相容量為 ，采用端部出線結構，見圖 32(a)。12500～，采用端部出線結構，見圖32(b)； ，采用中部出線結構，見圖 32(c)。圖 914中繞組均為糾結 連續(xù)式，標號 A、 B、 C各線段為糾結式，其余線段為連續(xù)式，匝間絕緣均為 。調(diào)壓線 段 H也可采用兩段糾結式。 圖 32 110KV變壓器繞組的絕緣結構 4 套管的絕緣結構設計 套管是一種典型的電場具有強垂直分量的絕緣結構 [4]。它表面的電壓分布很不均勻，在中間法蘭邊緣處電場十分集中，很容易從此處開始電暈及滑閃放電。同時．法蘭和導桿間的電場也很強，絕緣介質(zhì)易被擊穿。為適應工作電壓的提高，必須改善法蘭及導桿附近的電場。高壓套管在電氣性能方面通常應滿足下述要求；①長期工作電壓下不發(fā)生有害的局部放電；② — 分鐘工頻耐壓試驗 (約為工頻測試電壓的 90％ )時，不發(fā)生滑閃 放電； ?沖加試驗電壓下不擊穿。 瓷套管由瓷件、安裝法蘭及導體裝配而成、純資套管以電瓷 (或還有空氣 )絕 緣，結構簡單，維護方便。套管具有以下特點： (1)它是電氣絕緣結構中惟一的既有外絕緣又有內(nèi)絕緣問題的裝置。在外部嚴酷的環(huán)境下同時承受很高的電、熱和機械應力，其運行條件比其他絕緣子苛刻。 (2)電場復雜。如前所述，套管是一種典型的插入式結構，其電場垂直分雖 大，沿表面電壓分布極不均勻。在中間法蘭邊緣處電場十分集中，很容易從此處開 始電暈及滑閃放電。同時，法蘭和導桿問的電場也很強，絕緣介質(zhì)易被擊穿。 (3)作為電氣設備主要組件的套管，要求其結構緊湊和尺寸小。套管又是有機、無機、氣體、液體和固體材料的組合絕緣結構。在強電場作用下，各種介質(zhì)特性復雜，局部放電問題突出。 (4)另外還有導體發(fā)熱、介質(zhì)損耗、熱擊穿和密封等問題。 5 結語 變壓器絕緣設計是變壓器結構設計的重要環(huán)節(jié)，其設計的優(yōu)越性將直接影響到變壓器性能的好壞。不僅如此，絕緣設計的好壞還會影響到變壓器運行的穩(wěn)定性與可靠性，同時也決定了變壓器壽命的長短。本文對變壓器的絕緣設計進行了總結，變壓器的絕緣分為內(nèi)部絕緣與外部絕緣。外部絕緣指套管本身的外部 絕緣和套管間及套管對地的絕緣。內(nèi)部絕緣包括主絕緣和縱絕緣。主絕緣是指繞組（或引線）對地對另一相或?qū)ν幌嗟钠渌@組（或引線）之間的絕緣，而縱絕緣是指同一繞組上各點之間或其相應引線之間的絕緣。 參考文獻： [1] 尹克寧 .變壓器設計原理 . 北京：中國電力出版社 .2022 [2]張植保 變壓器原理與應用 .北京：化學工業(yè)出版社 .2022 [3]路長柏 .電力變壓器絕緣技術 .哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社 .1997 [4]關志成 .絕緣子及輸變電設備外絕緣 .北京：清華大學出版社 .2022 變壓器預防性試驗 摘要： 變壓器投入運行后，能否穩(wěn)定、可靠地工作取決于變壓器出廠時的預防性試驗的全面性與準確性。根據(jù)過去長期的運行經(jīng)驗及試驗研究，已逐步確立了