第40卷 第10期：3199-3206 高電壓技術(shù) Vol.40, No.10: 3199-3206
2014年10月31日 High Voltage Engineering October 31, 2014
DOI: 10.13336/j.1003-6520.hve.2014.10.036
緊湊型非晶合金油浸式變壓器主絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
劉道生，杜伯學(xué)，肖 萌
（天津大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院電氣工程系，天津300072）
摘 要：為使非晶合金油浸式配電變壓器(以下簡(jiǎn)稱AMDT)更緊湊、更經(jīng)濟(jì)，設(shè)計(jì)了一種AMDT緊湊型主絕緣結(jié)
構(gòu)，采用ANSYS有限元分析軟件分別計(jì)算了AMDT緊湊型與傳統(tǒng)型主絕緣結(jié)構(gòu)的電場(chǎng)分布，比較了緊湊型與傳
統(tǒng)型主絕緣結(jié)構(gòu)的電場(chǎng)分布情況，并配合工頻耐壓和雷電沖擊試驗(yàn)對(duì)緊湊型模型進(jìn)行了測(cè)試。仿真和試驗(yàn)結(jié)果表
明：AMDT緊湊型主絕緣結(jié)構(gòu)的端部電場(chǎng)強(qiáng)度比傳統(tǒng)型分布均勻，最大電場(chǎng)強(qiáng)度小于油隙的最大電場(chǎng)強(qiáng)度值；試
驗(yàn)擊穿電壓的裕度大于 1.6 倍的額定耐壓值，因此緊湊型主絕緣結(jié)構(gòu)是可靠的。通過比較緊湊型與傳統(tǒng)型主絕緣
結(jié)構(gòu)變壓器的主材成本，證明了緊湊型絕緣結(jié)構(gòu)的先進(jìn)性和實(shí)用性。
關(guān)鍵詞：非晶合金變壓器；主絕緣結(jié)構(gòu)；絕緣特性；電場(chǎng)分布；電場(chǎng)計(jì)算；電場(chǎng)強(qiáng)度
Compact Main Insulation Structure Design of Amorphous Alloys Oil-immerse Transformer
LIU Daosheng, DU Boxue, XIAO Meng
(School of Electrical Engineering and Automation, Department of Electrical Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072,China)
Abstract：In order to optimize amorphous alloys oil-immerse distribution transformer (hereafter referred to as AMDT) in
aspects of size and economy, we designed a compact insulation structure for AMDT. The electric field distribution in
AMDTs with compact or conventional main insulation structure is calculated respectively using ANSYS. Reliability of
the compact main insulation structure is tested by power-frequency AC withstand voltage tests and lightning impulse tests.
The simulation and test results show that the electric field of the compact main insulation structure is better distributed
than that of the conventional structure, and its maximum electric field intensity is less than that of oil gap. Moreover, the
breakup voltage margin of the compact main insulation structure is more than 1.6 times of the rated withstand voltage.
The economy comparison between the compact and the conventional main insulation structures indicates that the compact
one is advanced and applicable.
Key words：amorphous alloys transformer; main insulation structure; dielectric properties; electric field distribution;
electrical field calculation; electric field intensity
過載能力越來(lái)越被電力用戶關(guān)注[6]。由于變壓器傳
0 引言1
統(tǒng)型主絕緣結(jié)構(gòu)距離過大，造成變壓器成本過高，
CO 排放和能耗是當(dāng)今全球環(huán)境保護(hù)的重要議 已不適應(yīng)競(jìng)爭(zhēng)要求，另外變壓器傳統(tǒng)主絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)
2
題。我國(guó)是世界上能源消耗增長(zhǎng)最快的國(guó)家，CO 計(jì)不合理，電場(chǎng)強(qiáng)度分布不均勻，局部電場(chǎng)強(qiáng)度過
2
的排放量位居世界第二[1]。非晶合金油浸式配電變 大，造成局部絕緣損壞[7-9]。因此有必要對(duì) AMDT
壓器(以下簡(jiǎn)稱 AMDT)以空載損耗低著稱，隨著科 主絕緣結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，從而降低 AMDT 原材料成
學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，AMDT等電氣設(shè)備的應(yīng)用日益 本，提高產(chǎn)品的可靠性，真正達(dá)到節(jié)能降耗的目的。
廣泛[2]。為滿足社會(huì)可持續(xù)性發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護(hù) AMDT 運(yùn)行的可靠性和使用壽命在很大程度上取
的需要，原國(guó)家發(fā)改委已將AMDT列為重點(diǎn)推廣節(jié) 決于其絕緣系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含絕緣結(jié)構(gòu)、材料選用
能產(chǎn)品[3-4]。雖然 AMDT 有良好的節(jié)能特點(diǎn)，但由 及其工藝處理。近20年來(lái)變壓器研發(fā)者正在深入細(xì)
于其磁性材料的飽和磁通密度和疊片系數(shù)比傳統(tǒng)硅 致地探索新的絕緣結(jié)構(gòu)，旨在設(shè)計(jì)和制造出更緊湊、
鋼片低[5]，造成AMDT尺寸比傳統(tǒng)硅鋼片變壓器要 更經(jīng)濟(jì)的變壓器[10-14]。
大。隨著 AMDT 的推廣應(yīng)用，AMDT 的經(jīng)濟(jì)性和 到目前為止，國(guó)內(nèi)外學(xué)者和工程技術(shù)人員還沒
就 AMDT 的主絕緣結(jié)構(gòu)的電場(chǎng)計(jì)算做過相應(yīng)的研
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基金資助項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(51277131)。 究。本文以AMDT變壓器傳統(tǒng)型主絕緣結(jié)構(gòu)不夠優(yōu)
Project supported by National Science Foundation of China (51277131).3200 高電壓技術(shù) 2014, 40(10)
化、不合理，端部電場(chǎng)分布不均勻?yàn)楸尘?，為獲得 AMDT緊湊型主絕緣結(jié)構(gòu)中的主空道為18 mm，鐵
準(zhǔn)確AMDT的主絕緣結(jié)構(gòu)的電場(chǎng)分布，對(duì)主絕緣結(jié) 軛到高壓線圈之間的距離為40 mm。10 kV傳統(tǒng)型
構(gòu)進(jìn)行了大量的計(jì)算與試驗(yàn)，在計(jì)算和試驗(yàn)的基礎(chǔ) 變壓器主絕緣結(jié)構(gòu)中的主空道為 7 mm，鐵軛到高
上設(shè)計(jì)了一種緊湊型主絕緣結(jié)構(gòu)。本文采用ANSYS 壓線圈之間的距離為19 mm；35 kV AMDT傳統(tǒng)型
有限元分析軟件對(duì) AMDT 主絕緣進(jìn)行電場(chǎng)強(qiáng)度計(jì) 主絕緣結(jié)構(gòu)中的主空道為23 mm，鐵軛到高壓線圈
算，比較了兩種主絕緣結(jié)構(gòu)的電場(chǎng)分布情況，制作 之間的距離為65 mm[17]。綜上所述，AMDT緊湊型
了緊湊型主絕緣結(jié)構(gòu)模型并搭建了工頻耐壓與雷電 主絕緣結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)型更加緊湊。
沖擊試驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)，同時(shí)比較了緊湊型結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng) 主絕緣材料主要由絕緣點(diǎn)膠紙(以下簡(jiǎn)稱
結(jié)構(gòu)變壓器的經(jīng)濟(jì)性，為AMDT的大規(guī)模推廣應(yīng)用 DDP)、皺紋紙(以下簡(jiǎn)稱CRP)和油隙組成(注：本文
奠定了良好的理論基礎(chǔ)。 中主絕緣忽略了在主絕緣中起支撐作用的紙板等絕
緣材料)。10 kV AMDT傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1(a)、緊湊型
1 AMDT緊湊型主絕緣結(jié)構(gòu)
主絕緣結(jié)構(gòu)見圖 1(b)；10kV AMDT 兩種主絕緣結(jié)
AMDT主絕緣系統(tǒng)由絕緣結(jié)構(gòu)、絕緣材料及其 構(gòu)距離及絕緣材料的詳細(xì)構(gòu)成詳見表 1。35 kV
工藝組成。本文主要涉及10 kV和35 kV AMDT主 AMDT傳統(tǒng)型主絕緣結(jié)構(gòu)見圖2(a)、緊湊型主絕緣
絕緣結(jié)構(gòu)。所涉及的AMDT絕緣材料耐熱等級(jí)以A 結(jié)構(gòu)如圖2(b)；35 kV AMDT兩種主絕緣結(jié)構(gòu)距離
級(jí)為主[15]。 及絕緣材料的詳細(xì)構(gòu)成詳見表2。
1.1 主絕緣距離選取與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 本 文 以 SBH15-315-10 和 SBH15-1000-35
針對(duì)電力用戶和制造廠家普遍關(guān)心的 AMDT AMDT 為研究對(duì)象，10 kV 高壓線圈輻向尺寸 28
經(jīng)濟(jì)性問題，采用現(xiàn)有 2605SA1 和 2605HB1(日立 mm，低壓線圈輻向尺寸19.5 mm，窗高205 mm；
金屬非晶合金帶材牌號(hào))非晶合金帶材，其飽和磁通 35 kV高壓線圈輻向尺寸39 mm，低壓線圈輻向尺
密度分別為1.57 T和1.64 T，疊片系數(shù)為0.84[16]， 寸20 mm，窗高555 mm。
對(duì) AMDT 主絕緣結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。為使 AMDT 變壓器的等效油隙計(jì)算式為[17]：
結(jié)構(gòu)更緊湊，成本更低，本文將對(duì)傳統(tǒng)型與緊湊型
主絕緣結(jié)構(gòu)材料構(gòu)成、電場(chǎng)分布與經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行對(duì)比
研究。
主絕緣距離的選取以油隙耐電強(qiáng)度為依據(jù)。變
壓器油的耐壓達(dá)45 kV/2.5 mm=18 kV/mm(45 kV為
油的耐壓值，2.5 mm 為球形電極間隙)，局部放電
起始場(chǎng)強(qiáng)可達(dá)10~14 kV/mm[17]，從放電機(jī)理來(lái)看，
油中若不出現(xiàn)局部放電，則不可能產(chǎn)生閃絡(luò)放電，
所以該值也就是爬電的起始場(chǎng)強(qiáng)。由此觀之，對(duì)于
10 kV等級(jí)變壓器而言，高低壓之間的絕緣距離(以
下簡(jiǎn)稱主空道)的最小值為 35 kV/(10 kV·mm?1)＝
3.5 mm(35 kV為工頻耐壓值)，35 kV變壓器主空道 圖1 10 kV AMDT主絕緣結(jié)構(gòu)
只需85 kV/(10 kV·mm?1)＝8.5 mm(85 kV為工頻耐 Fig.1 10 kV AMDT main insulation structure
壓值)。為了改善端部電場(chǎng)分布，線圈到鐵軛距離按
1.5~4 倍的主空道距離考慮[17]，為了減小 35 kV 表1 10 kV AMDT主絕緣距離及其組成
AMDT線圈到鐵軛的距離，充分發(fā)揮小油隙結(jié)構(gòu)的 Table 1 Main distance and structure of 10 kV AMDT
油紙復(fù)合絕緣耐壓特性，本文35 kV AMDT主空道 高低壓之間絕緣距離/mm， 鐵軛與高壓線圈距離/mm，
項(xiàng)目
絕緣材料組成 絕緣材料組成
最小絕緣距離為18 mm。
緊湊型主3.6，1 mm DDP+2×0.8 mm 12.5，5.45 mm油隙+2×0.8 mm
通過大量的仿真計(jì)算與試驗(yàn)，本文選取10 kV
絕緣結(jié)構(gòu) CRP+1mm DDP CRP+5.45 mm油隙
AMDT 緊湊型主絕緣結(jié)構(gòu)中的主空道為 3.6 mm， 傳統(tǒng)型主
7，1 mm紙板+6 mm瓦楞 19，全為油隙組成
鐵軛到高壓線圈之間的距離為 12.5 mm；35 kV 絕緣結(jié)構(gòu)劉道生，杜伯學(xué)，肖 萌：緊湊型非晶合金油浸式變壓器主絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3201
表2 35 kV AMDT主絕緣距離及其組成
Table 2 Main distance and structure of 35 kV AMDT
高低壓之間絕緣距離/mm， 鐵軛與高壓線圈距離/mm，
項(xiàng)目