变压器绝缘结构设计课程设计(哈理工).docx

220 kV 电力变压器绝缘设计专业：电气工程及其自动化班级：学号： 姓名：指导教师：一设计任务1. 对一台双绕组 220 kV 级电力变压器进展绝缘构造设计，并进算绝缘构造在雷电冲击电压全波，1min 工频电压试验下的主、纵绝缘裕度。2. 技术条件：a、全波雷电冲击试验电压 945 kVb、1min 工频试验电压 400 kV感应耐压试验。3. 变压器构造及其它条件：a、低压绕组外外表半径 360mm，高压绕组内外表半径 434mm，绕组间绝缘距离 74mm b、高压绕组匝绝缘厚度 1.95mm 低压绕组匝绝缘厚度 0.45mmc、高压绕组为纠结式，高压绕组中部进线d、高压绕组段间油道尺寸1，3，5 向外油道为 8mm；7，9，11 向外油道为 6mm；8，10， 12 向内油道为 10mm；其他油道均为 6mm；中断点为 15mme、全波梯度 1，3，5 油道为 10；7，9，11 油道为 8；中断点为 15.4. 要求完成的内容：a、确定变压器主绝缘尺寸b、计算主、纵绝缘在各种试验电压下的绝缘裕度c、 画出变压器绝缘装配图d、攥写课程设计报告5. 参考文献：a、路长柏等编著：电力变压器计算第五章；b、刘传彝：电力变压器设计计算方法与实践； c、路长柏：电力变压器绝缘技术；d、“电机工程手册”其次十五篇。二综述针对上述设计要求对 220 kV 电力变压器绝缘构造设计如下：对于主绝缘，凹凸压线圈间主空道为了利用变压器油的体积效应，承受薄纸板小油隙的设计思想，线圈间主绝缘距离为 74mm，变压器油与绝缘纸板交替排布，具体构造为8+4+10+4+10+2+10+4+10+4+8,即Dy=60mm，Dz=14mm,靠近高压线圈的第一个绝缘纸筒厚度取为4 意在增加其机械强度， 以保证高压线圈能够稳固的固定于其上；低压线圈外半径r1=360mm，高压线圈内半径r2=434mm；低压线圈35 kV与铁心间承受厚纸板大油隙的设计思想，其绝缘距离定为27mm；由于 220 kV 级电力变压器的高压线圈承受中部出线的出线方式，所以端部绝缘构造设计可按 110 kV 级绝缘水平设计，其构造为：端部设静电环，静电环承受 1/4 圆曲率半径， S 值取为 5，曲率半径取为10。静电环金属上外表距离压板为90mm，期间设一个端圈、两个角环和三个隔板，并加垫块以填充，期中为了增加沿面爬电距离，至上而下三个隔板在高压线圈一侧分别探出 50、30、15 的长度。由于中部出线，上下端部的绝缘构造相像，下端部构造不再进展具体说明。具体构造尺寸见绝缘构造装配图。三220 kV 电力变压器主绝缘构造装配图四各局部绝缘构造绝缘裕度核算变压器运行过程中，各局部不但要长期承受设备最高工作电压，还要承受住可能消灭 的各种短时过电压，包括雷电冲击过电压、工频过电压单相接地过电压、甩负荷过电压、长期的电容效应所引起的工频电压上升以及内不过电压谐振过电压、操作过电压等， 所以考核各种电压作用下的耐压强度是变压器绝缘设计中的必要步骤。其中试验工程分别 有：全波冲击试验；截波冲击试验；一分钟工频试验；感应耐压试验以及局部放电试验等。1. 高压线圈工频耐压的核算一分钟工频耐压试验主要考核变压器的主绝缘，对于220 kV 电力变压器的工频试验电压为 400 kV，需承受感应试验方法。感应高压试验对主绝缘和纵绝缘都进展了考验， 其优势在于避开了因低压侧电压的上升而引起的铁磁饱和及励磁电流过大，使铁心损耗加大 和线圈发热，电源应承受较高频率，一般为100250Hz。对于分级绝缘的变压器感应耐压实 验时，试验电压沿轴向高度的分布和所在点的总匝数成正比。因此主绝缘和纵绝缘的试验有 其特别之处。核算过程如下：线圈间油隙最小击穿场强与距离关系图求最小允许场强Exmin。低压线圈外外表：由于S=0.45/2,油隙宽度Dy=8mm，则 Exmin=74*1.15=85.1 kV/cm 高压线圈内外表：由于S=1.95/2 油隙宽度Dy=8mm，则Exmin=85*1.15=98 kV/cm由式 Umin=EyDy+y/z*Dz求最小允许电压，承受综合修正系数 K=1.25/1.15=1.1 ； 则低压线圈外外表：U1min=85.1*6.0+1.2*0.5/1.1=518.3 kV绝缘裕度为：518.3/400=1.29>1.25 , 能够满足技术要求高压线圈内外表：U2min=98*6.0+0.5*1.2/1.1=596.9 kV 绝缘裕度为：596.9/400=1.49>1.25 ,能够满足技术要求2.高压线圈冲击耐压核算冲击耐压试验是推断变压器绝缘在雷电冲击电压下的耐电强度最根本试验，其列入变压器型式试验，包括全波和截波，本次考察其全波作用下的强度。冲击试验对绝缘构造中的纵绝缘是严格的考验。其核算,步骤如下：查冲击系数表可知，中部出线时的全波冲击系数为2.对于双线圈变压器主绝缘构造，依据冲击测量结果，两个线圈间全波电位差为112%。折算成为工频电压：Ug=1.12*945/(2*2)=1.12*945/2.828=105.28/2.828=374 kV绝缘裕度为：518.3/374=1.38,裕度大于 1.25，能够满足技术要求。3. 低压35 kV线圈对铁芯绝缘的耐电强度核算依据冲击测量结果，在高压线圈入波时，低压线圈中部对地全波感应电位为20%，考虑到低压线圈中振荡频率很高作用时间一般小于78 微秒，同时低压线圈到铁芯主绝缘为厚纸筒大油隙构造，因此冲击系数取为 2，则算成为工频电压：Ug=0.2*945/(2*2)=66.8 kV对于 35 kV 级，低压线圈到铁芯距离取为27mm，由此算出其最小工频击穿电压为： Ugb=28.5*1+2.14/m*m=28.5*1+2.14/2.7*2.7=177 kV其冲击耐电裕度为：177/66.8=2.65 ,能够满足技术要求35 kV 线圈的工频试验电压为 85 kV，考虑到端部出线及铁芯外表电场不均匀，取放大系数为 1.3，则裕度为 177/1.3*85=1.6,能够满足技术要求4. 端部放电电压的核算高压变压器端部绝缘设计是主绝缘设计的重要组成局部。由于该处的电场极不均匀，且由于铁轭是辐向不对称，所以电场也是不对称的。由于短路机械强度的要求，线圈必需支撑于铁轭压板上，对于66 kV 及以上的变压器承受垫块于隔板角环分隔油隙。由于该处电场不均匀，电力线经过两种介质变压器油和绝缘纸板，并且斜入固体介质，即存在着沿固体绝缘外表的电场切向重量，因而属 于滑闪型构造，假设线圈端部消灭局部放电，在电场作用下就可能进展成沿固体绝缘沿面放 电。由于线圈端部各处的场强大小和方向以及近年来从大量模型试验中觉察，变压器线圈端部由油-隔板组成的绝缘构造的破坏，主要是由于电极四周的最大场强到达或超过了油间隙的起始放电场强所致。试验说明，端部绝缘放电主要取决于端部最大场强值，而与沿面放电距离并非比例关系，而加大放电距离只能使贯穿性击穿更加困难。由上述理论可知，端部绝缘的设计方向为设法减小端部最大场强值。实际上影响端部最 大场强的因素很多，如端部绝缘距离H、静电环曲率半径、线圈间主绝缘距离m、静电环绝缘层厚度S，以及角环数目、外形和布置方式与角环分隔油隙的大小等。具体设计的校核如下：分析段不绝缘构造设计可知，端部最大电场强度位于静电环金属外表及静电环绝缘层与角环的第一个油隙之间，因此检验端部绝缘的耐电强度时，主要是核算该两处的最大场强。由端部绝缘构造图知，H=90mm23+67，m=72mm，当静电环取 1/4 曲率半径时，由于 S=5mm， =10mm，将 H、m、S 折算成为纯油隙时，由于 y=2.2、z=4.5，所以可近似取 y/z=0.5，则 H=67+0.5*23=7.85cm；m=60+0.5*12=6.6cm；S=0.5*5=0.25cm。由此算出金属外表最大场强为：E0max=1.34*U/m0.53H0.150.27=1.34*200/6.6 0.53*7.85 0.15*1 0.27=1.34*200/2.7*1.36*1=73 kV/cm金属外表允许场强为 Eox=150/1.45=103 kV/cm 则裕度为 103/73=1.41,能够满足技术要求核算静电环绝缘层油隙场强。由于m/H=0.84; /H=1.27;S/H=0.032,查m/H=0.833，不同掩盖绝缘上的电场强度不均匀系数图可知：Ke=2.15静电环到第一角环的距离为 17mm，折成纯油隙距离为 14mm 查线圈间油隙最小击穿场强与距离关系图曲线得：E1min=67*1.15=77.05 kV/cm因此，第一油隙的击穿电压为：U1min= E1min*H/Ke=77.05*7.85/2.15=281.3 kV 所以其裕度为 281.3/200=1.48，能够满足技术要求高压线圈上部第一线段外侧到压板沿面放电电压的核算。沿面距离为： 90+31+(2*30+6)+(2*50+6)=293mm。由式 1350*Eai*diU 求得：U=135*(90+31)*1+(2*50+6+2*30+6)*0.3=172.6*135=233.1 kV>200 kV所以此处沿面距离能够满足技术要求。5. 主空道绝缘纸筒油隙的耐电强度核算此处承受薄纸筒小油隙的构造形式。在此中构造形式下，纸筒厚度为4 和 2，油隙宽度为 8 和 11.对于这种构造一般认为主绝缘的击穿主要是油隙的击穿，而油隙一旦击穿，纸筒就丧失了绝缘力量，因此要求纸筒能耐受住试验电压是没有必要的。此外，在电场比较均匀 的状况下，依据变压器油的体积效应，油隙耐电强度随油隙的减小而增加，因此，在同一主 绝缘距离，同一纸板的百分数状况下，油隙分隔越小，则耐电强度越高。由于纸筒只起分隔油隙的作用，所以不宜过厚，但由于机械强度的要求，纸筒也不能太薄，此处在靠近高压线圈的第一个纸筒厚度取为 4mm，其余取 2mm。同时认为，线圈的掩盖，对油隙的绝缘强度有较大的影响。薄纸筒小油隙绝缘构造的最小击穿电压可按下式进展计算：Ubmin=EyDy+y/z*Dz 其中：Dy-油间隙的总和Dz-纸板厚度的总和y变压器油的介电系数，取为2.2z油浸纸介电系数，取为 4.5Ey紧靠低压或高压线圈外表油隙的实际允许场强当考虑电场集中和构造工艺等不利因素的综合修正系数K 时，则Ey=Ebmin/K，其中Ebmin 为油隙最小击穿场强，取K 为 1.25在设计线圈间隔板时，将消灭最低击穿场强的油隙放在中间，即使靠近线圈的油隙尺寸小，而绝缘纸筒间的油隙取得略微大些。这是由于考虑到线圈制造过程中消灭的不行避开的缺陷，使靠近纸圈的油隙中电场均匀程度差的原因。具体设计及校核如下所述：由于线圈间各油隙的耐电强度全都，故求出任一油隙的耐电强度即可。由绝缘构造图所示的尺寸，可算出列于小表中的数据。绝缘半径计算数据表绝缘半径绝缘介质LnxXX12低压外半径 R1油Ln358/3500.023R2绝缘纸板Ln360/2580.006R3油Ln371/3600.03R4绝缘纸板Ln373/3710.005R5油Ln384/3730.03R6绝缘纸板Ln386/3840.008R7油Ln397/3860.03R8绝缘纸板Ln399/3970.005R9油Ln410/3990.027R10绝缘纸板Ln414/4100.01高压内半径油Ln422/4140.019合计0.140.034计算 r3 处油隙上的电场强度,利用同心圆电容器场强计算公式求得： E3=1.25*400/38.3*(0.14+0.5*0.034)=83.1 kV查线圈间油隙最小击穿场强与距离关系图得： S=1.95/2，油隙宽度为 11mm 时，最小击穿场强为Emin=80*1.2=96 kV/cm故绝缘裕度为：96/83.1*1.15=1.33能够满足技术要求由上可知，主绝缘构造合理，各处尺寸均具有足够的绝缘裕度。6. 纵绝缘耐电强度的核算变压器线圈纵绝缘构造中的电场，由于考虑到线圈段间梯度而产生轴向电场，同时相邻线匝间存在辐向电场，因而作用于线圈纵绝缘上应为复合电场。在实际构造中，由于线圈在器身装配厚压紧，当匝绝缘厚度较大而且导线绝缘包扎较松时，则匝绝缘与垫块可能形成密实接触，该处耐电强度提高，因而段间绝缘弱点将移于油隙中。段间油道最大场强随段间油道尺寸变化符合肯定规律。当匝绝缘厚度大于1.35mm 时， 段间油道增大到肯定尺寸后，最大场强则趋于平直。因此，可认为过大地增加段间油道尺寸， 对于匝绝缘厚度较大的 220kV 电力变压器的高压线圈而言，由于 Edm 的降低不明显而无实际意义，但适当减小段间油道尺寸，从而使线圈高度降低，无疑可取得良好的技术经济效果。对于 220kV 级变压器的高压线圈全部承受纠结式、插入电容式线圈，其匝间绝缘厚度为1.95mm。220 kV 级变压器的高压线圈均为中部出线构造。为了保证匝绝缘厚度，承受 0.45mm 高密度纸或 0.05mm 高压电缆纸作为绝缘厚度。在纠结式线圈中，当每段为偶数匝时，为了改善沿撑条的向内油道冲击梯度，可改进纠结线段的出线方式，即由其次匝引出引线，这样，向内油道冲击梯度可小于 1.5 倍的向外油道冲击梯度。查段间油隙冲击全波最小击穿电压表可知：当匝绝缘厚度为 1.95mm 时，各油道的最小击穿电压分别为： 1，3，5 向外油道，8mm，Umin=160 kV7，9，11 向外油道，6mm，Umin=143 kV 中断点，15mm，Umin=198 kV由各油道冲击全波梯度分布求得： 1，3，5 向外油道，U=0.1*945=94.5 kV7，9，11 向外油道，U=0.08*945=75.6 kV中断点,U=0.15*945=141.75 kV各处绝缘裕度为：1，3，5 向外油道：160/94.5=2.47 能够满足技术要求；7，9，11 向外油道：143/75.6=1.89 能够满足技术要求；中断点 ：198/141.75=1.4能够满足技术要求。由此可知，纵绝缘构造合理。五结论通过上述核算得知，各局部主绝缘、纵绝缘构造在个类试验电压作用下均具有足够的绝缘裕度，本次所设计的 220kV 级电力变压器绝缘构造满足技术要求，是可行的。六总结本次课程设计为期 2 周，却是对几年的大学课程学习的融汇和贯穿的过程。通过完本钱次设计任务，首先对220 kV 级电力变压器的主、纵绝缘构造有了更深一层的了解，稳固了原有的绝缘构造计算方法和思想，并能够将其运用到绝缘构造简单的电力变压器绝缘中；也根本把握了在各种试验电压作用下，电力变压器各局部绝缘构造的绝缘裕度之求取方法；更是对绝缘构造的设计思想有了更深体会。对于以后走向工作岗位，完成实际设计任务奠定了很好的根底。本次设计任务完成过程中得到了教师的大力帮助，在此表示感谢。参考文献：a、路长柏等编著：电力变压器计算第五章；b、刘传彝：电力变压器设计计算方法与实践； c、路长柏：电力变压器绝缘技术；d、“电机工程手册”其次十五篇。