變壓器絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)

1、<p>　　220 kV電力變壓器絕緣設(shè)計(jì)</p><p>　　專業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化</p><p><b>　　班級(jí)：</b></p><p><b>　　學(xué)號(hào)：</b></p><p><b>　　姓名：</b></p><p>&l

2、t;b>　　指導(dǎo)教師： </b></p><p><b>　　一．設(shè)計(jì)任務(wù)</b></p><p>　　1. 對(duì)一臺(tái)雙繞組220 kV級(jí)電力變壓器進(jìn)行絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并進(jìn)算絕緣結(jié)構(gòu)在雷電沖擊電壓（全波），1min工頻電壓試驗(yàn)下的主、縱絕緣裕度。</p><p><b>　　2. 技術(shù)條件：</b><

3、/p><p>　　a、全波雷電沖擊試驗(yàn)電壓945 kV</p><p>　　b、1min工頻試驗(yàn)電壓400 kV（感應(yīng)耐壓試驗(yàn)）。</p><p>　　3. 變壓器結(jié)構(gòu)及其它條件：</p><p>　　a、低壓繞組外表面半徑360mm，高壓繞組內(nèi)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(jié)式，高壓繞組中部進(jìn)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(nèi)油道為10mm；其他油道均為6mm；中斷點(diǎn)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(diǎn)為15.</p><p>　　4. 要求完成的內(nèi)容：</p><p>　　a、確定變壓器主絕緣尺寸</p><p>　　b、計(jì)算主、縱絕緣在各種試驗(yàn)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(shè)計(jì)報(bào)告</p><p

6、><b>　　5. 參考文獻(xiàn)：</b></p><p>　　a、路長柏等編著：電力變壓器計(jì)算第五章；</p><p>　　b、劉傳彝：電力變壓器設(shè)計(jì)計(jì)算方法與實(shí)踐；</p><p>　　c、路長柏：電力變壓器絕緣技術(shù)；</p><p>　　d、“電機(jī)工程手冊(cè)”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(shè)計(jì)（第一部分）_悠悠地游_新浪博客 針對(duì)上述設(shè)計(jì)要求對(duì)220 kV電力變壓器絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如下：對(duì)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(yīng)，采用薄紙板小油

8、隙的設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)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(gè)絕緣紙筒厚度取為4意在增加其機(jī)械強(qiáng)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(nèi)半徑r2=434mm；低壓線圈（35 kV）與鐵心間采用厚紙板大油隙的設(shè)計(jì)思想，其絕緣距離定為27mm；由于220 kV級(jí)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可按110 kV級(jí)絕緣水平設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)為：端部設(shè)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(shè)一個(gè)端圈、兩個(gè)角環(huán)和三</p><p>　　在高壓線圈一側(cè)分別探出50、30、15的長度。由于中部出線，上下端部的絕緣結(jié)構(gòu)相似，下端部結(jié)構(gòu)不再進(jìn)行詳細(xì)說明。具體結(jié)構(gòu)尺寸見絕緣結(jié)構(gòu)裝配圖。</p

10、><p>　　三．220 kV電力變壓器主絕緣結(jié)構(gòu)裝配圖</p><p>　　四．  各部分絕緣結(jié)構(gòu)絕緣裕度核算</p><p>　　變壓器運(yùn)行過程中，各部分不但要長期承受設(shè)備最高工作電壓，還要承受住可能出現(xiàn)的各種短時(shí)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(fù)荷過電壓、長期的電容效應(yīng)所引起的工頻電壓升高）以及內(nèi)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(qiáng)度是變壓器絕緣設(shè)計(jì)中的必要步驟。其中試驗(yàn)項(xiàng)目分別有：全波沖擊試驗(yàn)；截波沖擊試驗(yàn)；一分鐘工頻試驗(yàn)；感應(yīng)耐壓試驗(yàn)以及局部放電試驗(yàn)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(yàn)主要考核變壓器的主絕緣，對(duì)于220 kV電力變壓器的工頻試驗(yàn)電壓為400 kV，需采用感應(yīng)試驗(yàn)方法。感應(yīng)高壓試驗(yàn)

12、對(duì)主絕緣和縱絕緣都進(jìn)行了考驗(yàn)，其優(yōu)勢在于避免了因低壓側(cè)電壓的升高而引起的鐵磁飽和及勵(lì)磁電流過大，使鐵心損耗加大和線圈發(fā)熱，電源應(yīng)采用較高頻率，一般為100~250Hz。對(duì)于分級(jí)絕緣的變壓器感應(yīng)耐壓實(shí)驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)電壓沿軸向高度的分布和所在點(diǎn)的總匝數(shù)成正比。因此主絕緣和縱絕緣的試驗(yàn)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(qiáng)與距離關(guān)系圖求最小允許場強(qiáng)Exmin。</p><p>　　低壓線圈外表面：因?yàn)镾=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(nèi)表面：因?yàn)镾=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(shù)要求<

15、/p><p>　　高壓線圈內(nèi)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(shù)要求</p><p>　　2.高壓線圈沖擊耐壓核算 </p><p>　　沖擊耐壓試驗(yàn)是判斷變壓器絕緣在雷電沖擊電壓下的耐電強(qiáng)度

16、最基本試驗(yàn)，其列入變壓器型式試驗(yàn)，包括全波和截波，本次考察其全波作用下的強(qiáng)度。沖擊試驗(yàn)對(duì)絕緣結(jié)構(gòu)中的縱絕緣是嚴(yán)格的考驗(yàn)。其核算,步驟如下：</p><p>　　查沖擊系數(shù)表可知，中部出線時(shí)的全波沖擊系數(shù)為2.對(duì)于雙線圈變壓器主絕緣結(jié)構(gòu)，根據(jù)沖擊測量結(jié)果，兩個(gè)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(shù)要求。</p><p>　　3.低壓（35 kV）線圈對(duì)鐵芯絕緣的耐電強(qiáng)度核算</p><p>　　根據(jù)沖擊測量結(jié)果，在高壓線圈入波時(shí)，低壓線圈中部對(duì)地全波感應(yīng)電位為20%，考慮到低壓線圈中振蕩頻率很高作用時(shí)間一般小于

18、7~8微秒，同時(shí)低壓線圈到鐵芯主絕緣為厚紙筒大油隙結(jié)構(gòu)，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(duì)于35 kV級(jí)，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(shù)要求</p><p>　　35 kV線圈的工頻試驗(yàn)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(shù)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(shè)計(jì)是主絕緣設(shè)計(jì)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(duì)稱，所以電場也是不對(duì)稱的。</p><p>　　由于短路機(jī)械強(qiáng)度的要求，線圈必須支撐于鐵軛（壓板）上，對(duì)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(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

21、固體絕緣表面的電場切向分量，因而屬于滑閃型結(jié)構(gòu)，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(qiáng)大小和方向以及近年來從大量模型試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，變壓器線圈端部由油-隔板組成的絕緣結(jié)構(gòu)的破壞，主要是由于電極附近的最大場強(qiáng)達(dá)到或超過了油間隙的起始放電場強(qiáng)所致。試驗(yàn)表明，端部絕緣放電主要取決于端部最大場強(qiáng)值，而與沿面放電距離并非比例關(guān)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(shè)計(jì)方向?yàn)樵O(shè)法減小端部最大場強(qiáng)值。實(shí)際上影響端部最大場強(qiáng)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(shè)計(jì)的校核如下：</p><p>　　分析段不絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可知，

23、端部最大電場強(qiáng)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(gè)油隙之間，因此檢驗(yàn)端部絕緣的耐電強(qiáng)度時(shí)，主要是核算該兩處的最大場強(qiáng)。</p><p>　　由端部絕緣結(jié)構(gòu)圖知，H=90mm（23+67），m=72mm，當(dāng)靜電環(huán)取1/4曲率半徑時(shí)，因?yàn)镾=5mm，　ρ=10mm，將H、m、S折算成為純油隙時(shí)，因?yàn)棣舮=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(qiáng)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(qiáng)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(shù)要求</p><p>　　核算靜電環(huán)絕緣層油隙場強(qiáng)。因?yàn)閙/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(qiáng)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(qiáng)與距

26、離關(guān)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(shù)要求</p><p>　　高壓線圈上部第一線段外側(cè)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(shù)要求。</p><p>　　5.主空道絕緣紙筒油隙的耐電強(qiáng)

28、度核算</p><p>　　此處采用薄紙筒小油隙的結(jié)構(gòu)形式。在此中結(jié)構(gòu)形式下，紙筒厚度為4和2，油隙寬度為8和11.對(duì)于這種結(jié)構(gòu)一般認(rèn)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(yàn)電壓是沒有必要的。此外，在電場比較均勻的情況下，根據(jù)變壓器油的體積效應(yīng)，油隙耐電強(qiáng)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?jǐn)?shù)情況下，油隙分隔越小，則耐電強(qiáng)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(jī)械強(qiáng)度的要求，紙筒也不能太薄，此處在靠近高壓線圈的第一個(gè)紙筒厚度取為4mm，其余取2mm。同時(shí)認(rèn)為，線圈的覆蓋，對(duì)油隙的絕緣強(qiáng)度有較大的影響。薄紙筒小油隙絕緣結(jié)構(gòu)的最小擊穿電壓可按下式進(jìn)行計(jì)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(shí)際允許場強(qiáng)</p><p>　　當(dāng)考慮電場集中和結(jié)構(gòu)工藝等不利因素的綜合修正系數(shù)K時(shí)，則Ey=Ebmin

31、/K，其中Ebmin為油隙最小擊穿場強(qiáng)，取K為1.25</p><p>　　在設(shè)計(jì)線圈間隔板時(shí)，將出現(xiàn)最低擊穿場強(qiáng)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(shè)計(jì)及校核如下所述：由于線圈間各油隙的耐電強(qiáng)度一致，故求出任一油隙的耐電強(qiáng)度即可。由絕緣

32、結(jié)構(gòu)圖所示的尺寸，可算出列于小表中的數(shù)據(jù)。</p><p><b>　　絕緣半徑計(jì)算數(shù)據(jù)表</b></p><p>　　計(jì)算r3處油隙上的電場強(qiáng)度,利用同心圓電容器場強(qiáng)計(jì)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(qiáng)與距離關(guān)系圖得：</p><p>　　S=1.95/2，油隙寬度為11mm時(shí)，最小擊穿場強(qiáng)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(shù)要求

34、</p><p>　　由上可知，主絕緣結(jié)構(gòu)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(qiáng)度的核算</p><p>　　變壓器線圈縱絕緣結(jié)構(gòu)中的電場，由于考慮到線圈段間梯度而產(chǎn)生軸向電場，同時(shí)相鄰線匝間存在輻向電場，因而作用于線圈縱絕緣上應(yīng)為復(fù)合電場。</p><p>　　在實(shí)際結(jié)構(gòu)中，由于線圈在器身裝配

35、厚壓緊，當(dāng)匝絕緣厚度較大而且導(dǎo)線絕緣包扎較松時(shí)，則匝絕緣與墊塊可能形成密實(shí)接觸，該處耐電強(qiáng)度提高，因而段間絕緣弱點(diǎn)將移于油隙中。</p><p>　　段間油道最大場強(qiáng)隨段間油道尺寸變化符合一定規(guī)律。當(dāng)匝絕緣厚度大于1.35mm時(shí)，段間油道增大到一定尺寸后，最大場強(qiáng)則趨于平直。因此，可認(rèn)為過大地增加段間油道尺寸，對(duì)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(shí)際意義，但適當(dāng)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(shù)經(jīng)濟(jì)效果。</p><p>　　對(duì)于220kV級(jí)變壓器的高壓線圈全部采用糾結(jié)式、插入電容式線圈，其匝間絕緣厚度為1.95mm。220 kV級(jí)變壓器的高壓線圈均為中部出線結(jié)構(gòu)。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(jié)式線圈中，當(dāng)每段為偶數(shù)匝時(shí)，為了改善沿?fù)螚l的向內(nèi)油道沖擊

37、梯度，可改進(jìn)糾結(jié)線段的出線方式，即由第二匝引出引線，這樣，向內(nèi)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(dāng)匝絕緣厚度為1.95mm時(shí)，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(diǎn)，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(diǎn),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(shù)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(shù)要求；</b></p><p>　　中斷點(diǎn) ：198/141.75=1.4  </p><p><b>　　能夠滿足技術(shù)要求。</b></p><p>　　由此可知，縱絕緣結(jié)構(gòu)合理。</p

41、><p><b>　　五．結(jié)論</b></p><p>　　通過上述核算得知，各部分主絕緣、縱絕緣結(jié)構(gòu)在個(gè)類試驗(yàn)電壓作用下均具有足夠的絕緣裕度，本次所設(shè)計(jì)的220kV級(jí)電力變壓器絕緣結(jié)構(gòu)滿足技術(shù)要求，是可行的。</p><p><b>　　六．總結(jié)</b></p><p>　　本次課程設(shè)計(jì)為期2周，卻是

42、對(duì)幾年的大學(xué)課程學(xué)習(xí)的融匯和貫通的過程。</p><p>　　通過完成本次設(shè)計(jì)任務(wù)，首先對(duì)220 kV級(jí)電力變壓器的主、縱絕緣結(jié)構(gòu)有了更深一層的了解，鞏固了原有的絕緣結(jié)構(gòu)計(jì)算方法和思想，并能夠?qū)⑵溥\(yùn)用到絕緣結(jié)構(gòu)復(fù)雜的電力變壓器絕緣中；也基本掌握了在各種試驗(yàn)電壓作用下，電力變壓器各部分絕緣結(jié)構(gòu)的絕緣裕度之求取方法；更是對(duì)絕緣結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思想有了更深體會(huì)。對(duì)于以后走向工作崗位，完成實(shí)際設(shè)計(jì)任務(wù)奠定了很好的基礎(chǔ)。<

43、;/p><p>　　本次設(shè)計(jì)任務(wù)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(xiàn)：</b></p><p>　　a、路長柏等編著：電力變壓器計(jì)算第五章；</p><p>　　b、劉傳彝：電力變壓器設(shè)計(jì)計(jì)算方法與實(shí)踐；</p><p>　　c、路長柏：電力變壓器絕緣技