10 kV 所用干式變壓器的絕緣優(yōu)化設(shè)計(jì)

王丹璐，常 軍

0 引言

10/0.4 kV 干式變壓器廣泛應(yīng)用于鐵路線路的變電所中，其可靠性影響變電所的正常工作，進(jìn)而影響電力機(jī)車的可靠運(yùn)行。絕緣結(jié)構(gòu)和絕緣水平影響干式變壓器的電氣性能，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化對(duì)于產(chǎn)品的制造具有重要的安全和經(jīng)濟(jì)意義。本文采用有限元分析，定位干式變壓器絕緣結(jié)構(gòu)中高場(chǎng)強(qiáng)位置，得出10 kV 干式變壓器絕緣結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。

1 絕緣距離確定

1.1 干式變壓器試驗(yàn)電壓

鐵路變電所用干式變壓器一般安裝于戶內(nèi)，配備封閉的外殼，放置在高壓柜和低壓柜之間。根據(jù)GB 311《絕緣配合》系列標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，外絕緣是空氣間隙及設(shè)備固體絕緣暴露在大氣中的表面，其承受電壓作用并受大氣和其他現(xiàn)場(chǎng)的外部條件（如污穢、濕度、蟲害等）的影響；內(nèi)絕緣是不受大氣和其他外部條件影響的設(shè)備的固體、液體或氣體絕緣。本文將干式變壓器與其所處的封閉外殼看作一個(gè)整體，其高低壓繞組之間主空道的絕緣可視作為絕緣。

按GB 311《絕緣配合》和GB/T 1094.11—2022《電力變壓器 第11 部分：干式變壓器》規(guī)定，10 kV 干式變壓器試驗(yàn)電壓如表1 所示。

表1 10 kV 干式變壓器試驗(yàn)電壓 kV

1.2 絕緣距離的確定

絕緣介質(zhì)的最小厚度d滿足

式中：Ug為工頻試驗(yàn)電壓，對(duì)于10 kV 干式變壓器，內(nèi)絕緣取30 kV，考慮雷電沖擊時(shí)，沖擊系數(shù)取2.5，折算至工頻電壓，則系列1 取60 kV/2.5=24 kV，系列2 取75 kV/2.5=30 kV；Kg為絕緣介質(zhì)的單位耐電強(qiáng)度，可由試驗(yàn)測(cè)出。環(huán)氧樹脂的單位耐電強(qiáng)度取1.75 MV/m，空氣的單位耐電強(qiáng)度為0.70～0.85 MV/m[1]。

低壓繞組電壓為0.4 kV，鐵心接地，電位為0，因此低壓繞組對(duì)鐵心柱的絕緣距離為3.5～4.3 mm，實(shí)際應(yīng)用中需考慮機(jī)械特性，一般取10 mm。

變壓器的主空道是指高低壓繞組銅（鋁）線面間的距離。在不同外施電壓、不同絕緣介質(zhì)下，高低壓繞組間主空道a取值見表2。

表2 不同絕緣介質(zhì)中高低壓繞組間主空道a 取值 mm

可以看出，雷電沖擊電壓下，絕緣強(qiáng)度與工頻耐壓下的絕緣強(qiáng)度相當(dāng)。

線圈端部絕緣與主空道絕緣處于相同的環(huán)境條件與耐壓條件下，二者擁有一致的絕緣裕度。

樹脂澆注絕緣的耐壓強(qiáng)度要高于空氣的耐壓強(qiáng)度，但其流動(dòng)性遠(yuǎn)低于空氣流動(dòng)性，因此工程實(shí)際中考慮散熱、樹脂材料的機(jī)械強(qiáng)度等問題，一般只會(huì)在繞組外層澆注厚度2～5 mm 的樹脂絕緣層。由于樹脂澆注絕緣層的存在，可以在保證絕緣性能的前提下進(jìn)一步縮小主空道a的寬度。

2 絕緣距離的優(yōu)化

現(xiàn)以1 臺(tái)125 kV·A 的10/0.4 kV 干式變壓器為例，進(jìn)行二維仿真計(jì)算，擬將主空道a從現(xiàn)行的37～40 mm縮減至35 mm[1]，進(jìn)行優(yōu)化可行性分析。

變壓器主絕緣可以采用同心圓柱電場(chǎng)強(qiáng)度[2]計(jì)算。由高斯定理，可得

式中：τ為電極單位長度上的電荷量，C/m；ε0為真空中的介電系數(shù)，取8.85×10-14F/cm；εr為極板間介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)。

式中：r為內(nèi)側(cè)線圈外半徑或外側(cè)線圈內(nèi)半徑，mm；r1為外側(cè)線圈內(nèi)半徑，mm；r0為內(nèi)側(cè)線圈外半徑，mm。

進(jìn)而可得r處電場(chǎng)強(qiáng)度Er：

通常認(rèn)為繞組端部鐵軛是垂直于心柱軸線的無限大平板，忽略引線對(duì)端部電場(chǎng)的影響，將其簡(jiǎn)化為二維對(duì)稱場(chǎng)求解。電場(chǎng)邊值問題可表示為

式中：Ω為定解場(chǎng)域；Γ1為電位已知的邊界；2?！錇殡娢坏姆ㄏ?qū)?shù)等于0 的邊界；2?！錇椴煌橘|(zhì)分界線；ε為介質(zhì)的介電常數(shù)，空氣為1.0，環(huán)氧樹脂為4.5，DMD 絕緣材料為3.1。

建立干式變壓器仿真模型如圖1 所示。圖中，a為高低壓繞組間主空道，包括包封固體絕緣；h為繞組端部至鐵軛間距離，包括包封固體絕緣。

圖1 干式變壓器仿真模型

設(shè)置主空道為37 mm，進(jìn)行仿真計(jì)算，場(chǎng)強(qiáng)仿真值與計(jì)算值對(duì)比見表3。

表3 電場(chǎng)強(qiáng)度的仿真與計(jì)算結(jié)果對(duì)比

對(duì)比結(jié)果可知，模型仿真值與計(jì)算值的偏差較小，故模型建立合理。

高低壓繞組間等電位場(chǎng)分布如圖2 所示，最大場(chǎng)強(qiáng)可由系統(tǒng)分析生成。圖中，最大場(chǎng)強(qiáng)出現(xiàn)在AB 處，為高低壓繞組間。分別將高低壓繞組包封設(shè)置為空氣絕緣和環(huán)氧樹脂絕緣，根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)可得兩種情況時(shí)主空道的電場(chǎng)強(qiáng)度曲線，結(jié)果如圖3所示。

圖2 高低壓繞組間等電位場(chǎng)分布

圖3 主空道電場(chǎng)強(qiáng)度曲線

對(duì)比兩種絕緣下的主空道電場(chǎng)強(qiáng)度曲線可以看出，采用環(huán)氧樹脂絕緣時(shí)，高低壓繞組表面的電場(chǎng)強(qiáng)度大幅降低，空氣間隙的電場(chǎng)強(qiáng)度有小幅提高。因此，采用環(huán)氧樹脂澆注的方式可以提高干式變壓器的絕緣水平。

分別設(shè)置不同主空道寬度進(jìn)行仿真計(jì)算，最大電場(chǎng)強(qiáng)度如表4 所示。

表4 不同主空道時(shí)最大電場(chǎng)強(qiáng)度 kV/m

由表4 可以看出，在采用環(huán)氧樹脂澆注結(jié)構(gòu)時(shí)，主空道縮小至35 mm，最大電場(chǎng)強(qiáng)度為369.19 kV/m，比主空道為37 mm、采用空氣絕緣時(shí)的456.82 kV/m 減小約18%，故優(yōu)化方案合格。

對(duì)比表4 中數(shù)據(jù)可以看出，采用環(huán)氧樹脂絕緣后，主空道29 mm 時(shí)的電場(chǎng)強(qiáng)度與空氣絕緣37 mm主空道時(shí)相當(dāng)。理論上，采用環(huán)氧樹脂絕緣可進(jìn)一步縮小主空道至29 mm；但在工程實(shí)際中，需要綜合考慮繞組散熱、機(jī)械強(qiáng)度和阻抗電壓的要求，往往無法選取過小的主空道。

3 低壓箔繞對(duì)電場(chǎng)強(qiáng)度的影響

對(duì)于大容量10 kV 干式變壓器，低壓繞組由于電流過大，普通導(dǎo)線無法滿足電流密度的要求，需要換成銅箔。低壓繞組采用銅箔時(shí)，絕緣材料使用整張DMD 與銅箔共同疊繞，而高壓繞組仍然采用環(huán)氧樹脂包封絕緣。采用不同絕緣材料時(shí)高低壓繞組的等電位場(chǎng)分布如圖4 所示。

圖4 高低壓繞組不同絕緣材料時(shí)電位場(chǎng)分布

由圖4 可以看出，此時(shí)最大場(chǎng)強(qiáng)出現(xiàn)在端部CD 處。與采用空氣絕緣時(shí)主空道的電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)比曲線如圖5所示，端部的電場(chǎng)強(qiáng)度曲線如圖6 所示。

圖5 高低壓繞組不同絕緣材料時(shí)主空道電場(chǎng)強(qiáng)度曲線

圖6 高低壓繞組不同絕緣材料時(shí)端部電場(chǎng)強(qiáng)度曲線

由圖5、圖6 可以看出，當(dāng)高低壓繞組絕緣材料不同時(shí)，相間場(chǎng)強(qiáng)依然遵循絕緣相同時(shí)的規(guī)律，但最大場(chǎng)強(qiáng)出現(xiàn)在端部[3]，表現(xiàn)出復(fù)雜性和無規(guī)律性。端部絕緣易在空氣與絕緣介質(zhì)表面發(fā)生滑閃局部放電，降低絕緣的耐電強(qiáng)度，故須為出線留出足夠的絕緣裕度。

繞組端部拐角是電場(chǎng)集中的部位。本算例的10 kV 干式變壓器h取65 mm，由仿真結(jié)果可知，采用不同絕緣材料時(shí)，場(chǎng)強(qiáng)最大為320 kV/m。空氣的臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)為(25～30)×105V/m，環(huán)氧樹脂的臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)為(200～300)×105V/m。此時(shí)的最大場(chǎng)強(qiáng)值小于空氣和環(huán)氧樹脂的臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)值，滿足絕緣裕度要求。

4 實(shí)際應(yīng)用

本次優(yōu)化擬將10 kV 干式變壓器高低壓繞組間主空道縮小至35 mm。優(yōu)化方案應(yīng)用于系列產(chǎn)品后，均通過了變壓器型式試驗(yàn)，表明優(yōu)化結(jié)果可靠。

5 結(jié)語

本文通過電磁仿真分析，科學(xué)有效地定位10 kV 干式變壓器主縱絕緣薄弱部位，通過優(yōu)化絕緣結(jié)構(gòu)，降低了生產(chǎn)成本，結(jié)果直觀、準(zhǔn)確、高效，為干式變壓器的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考。