电气设备故障诊断技术课程论文

电气设备故障诊断技术课程论文变压器绝缘设计变压器预防性试验变压器在线监测变压器在线监测相关研究变压器在线监测的前沿与展望变压器绝缘设计摘要：变压器是电力系统中的主要电气设备，变压器绝缘是电力变压器，特别是超高压电力变压器的重要组成部分。电力变压器的绝缘结构及所用绝缘材料的可靠性，直接影响到电力变压器运行性能的可靠性。绝缘结构设计是电力变压器结构设计的一项重要且复杂的技术问题。本文将以其他变压器绝缘结构设计文献为基础，总结变压器的绝缘设计。关键词：变压器；绝缘设计；主绝缘；纵绝缘0引言变压器自其诞生以来，绝缘问题就是它不可避免的技术问题。。变压器作为电力系统的关键设备，其质量高低直接影响着这个电力系统的可靠性。电力变压器的绝缘结构及所用绝缘材料的可靠性，直接影响到电力变压器运行性能的可靠性。电力变压器向高电压、大容量方向发展的同。各种产品都向高可靠性、节能型、环保型、紧凑型、个性化方向发展。各变压器生产厂商，在研发高电压、大容量产品的同时．也在对现有产品性能进行提高。如何设计、制造出高质量的产品。已经成为广大电力系统的客户和各大制造厂家共同关注的问题。1变压器绝缘的分类变压器的绝缘分为内部绝缘与外部绝缘。外部绝缘指套管本身的外部绝缘和套管间及套管对地的绝缘。内部绝缘包括主绝缘和纵绝缘。主绝缘是指绕组（或引线）对地对另一相或对同一相的其他绕组（或引线）之间的绝缘，而纵绝缘是指同一绕组上各点之间或其相应引线之间的绝缘[1]。2主绝缘的设计2.1变压器主绝缘结构的选择原则绕组之间、绕组对油箱、绕组对铁心柱和异相绕组之间的绝缘结构基本上属于比较均匀的电场，因此，采用把大油距分割成小油距的油隔板结构。分割有两种类型：一种类型是大油道厚纸筒结构，它的特点是在工频和冲击试验电压下，允许油道有放电现象，全部电压由厚纸筒所承受，且不被击穿。但这种配合不能保证在试验电压下固体绝缘不受损伤。因此，在较高电压等级的变压器上已不再采用。由于其制造上比较简单，所以在电压等级不高或者距离很大的状况下选择使用。另一种类型是薄纸筒小油道结构，它的基本特点是根据油体积减小时，油的耐电压强度提高。因此，一般在电压等级比较高的变压器上采用。因不同材料具有不同的介电常数s，故需要进行合理的配置。其设计的原则是使油间隙在局部放电试验电压下，其电场强度不超过油间隙起始局部放电电场强度。2.2变压器主绝缘设计基本问题2.2.1.绕组间绝缘结构设计厚纸筒大油隙结构型式，在此种结构型式中纸筒厚度为6毫米，汕隙宽度大于20毫米。这种结构设计的出发点，是使在所有油隙全部击穿的情况下，纸筒也能承受全部试验电压的作用。此种结构的工频、冲击电压下，其最小击穿电压与绝缘距离的关系可用特定公式计算，而这一特定公式适用于中部出线，电场比较均匀的结构。当线圈端部出线时，则距离须放大30％以上；绝缘必须进行真空处理和真空注油；作为油一隔板的纸筒总厚度占整个油隙的l/4，即总油隙距离与纸筒总厚度之比为3:1,线圈与相邻纸筒间的油隙不大于25毫米，纸筒之间油隙一般为20毫米左右。薄纸筒小油隙结构型式,在此种结构型式中纸筒厚度小于4毫米，油道宽度小于12毫米。对于这种结构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，纸筒也就丧失绝缘能力，因此要求纸筒能耐受住试验电压是没有必要的。此外，在电场比较均匀的情况下，根据变压器油的距离效应，油隙耐电强度随油隙的减小而增大，因此，在同一主绝缘距离、同一纸筒的百分数的情况下，油隙分隔越小则耐电强度越高。由于纸筒只起分隔油隙作用，所以不宜过厚。同时认为线圈的覆盖，对油隙的绝缘强度有很大影响。设置线圈间隔板时还应该注意：将出现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，而绝缘筒之间的油隙尺寸稍大。这是由于考虑到线圈制造中出现的不可避免的缺陷，使靠近线圈的油隙中电场均匀程度较差的缘故。目前，上述两种结构形式均被应用。大油隙结构一般被采用于60千伏以下的电压等级中，因为它在高压大容量变压器中，巳暴露出许多缺点。在110千伏及以上的油浸式电力变压器中，目前均采用薄纸筒小油隙结构。2.2.1绕组间的电场强度由于绝缘结构的击穿电压不仅与绝缘间隙的结构及其尺寸有关，而且还与其中电场分布，即与带电及接地部分的形状及其相互之间位置和距离有关，因此，为了正确地选用绝缘结构，了解其中出现最大场强部位，并求得这些部位的电场强度值是非常重要的。采用分析法计算线圈间电场强度时，由于电极形状及其间隙中油和固体介质组合的多样性，势必以电场为已知的具有简单几何形状的电极来代替形状复杂的电极并引入一修正系数。必须指出，实际计算的线圈表面并非是连续的圆柱体，而是具有轴向的段间或匝间油隙，这种不连续性对电场分布有影响，即段间油隙引起电场呈波纹状的畸变，特别是线饼圆角附近处。可利用波纹系数表示此种附加电场集中。所谓波纹系数，即距线圈表面某点处的电场强度与相同结构尺寸的同轴圆筒形电极(即无轴向油隙）该处电场强度之比。在设计线圈间主绝缘时，还应注意到线圈轴向场强对主绝缘的影响。线圈在工频电压作用下，电压分布是均匀的，故轴向电场的合成电场与辐向电场相差不大，一般不超过10％。在冲击电压作用下，线圈进线端的轴向电场强度较高，故对线圈主绝缘的合成电场具有影响，而且辐向场强和轴向场强是不同的两个时间函数，从而造成了线圈间电场计算的复杂性。在设计线圈间主绝缘时，若不考虑轴向电场的影响，势必影响设计的可靠性。2.2.3线圈端部绝缘设计。高压变压器端部绝缘设计是主绝缘设计的重要组成部分。由于该处的电场极不均匀，而且由于铁轭是辐向不对称的，所以电场也是不对称的。因此，过去对于线圈端部的电场计算是很困难的，甚至是不可能的。自从电子计算机在变压器设计中得到广泛应用以来，目前巳能对线圈端部电场进行计算，并得到了较为满意的结果。由于短路机械强度的要求，线圈必须支撑于铁轭(压板)上，对35千伏及以下的变压器采用垫块，对60千伏及以上的变压器采用垫块与隔板(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表面的电场切线分量，因而属于滑闪型结构，如果线圈端部出现局部放电，在电场作用下就可能导致沿面放电。近年来，从大量模型试验中发现，变压器线圈端部由油一隔板组成的绝缘结构的破坏，主要是由于电极附近的最大场强达到了油间隙起始放电场，开始出现局部放电，并由此而引起电场畸变，进而形成沿面放电所致。试验表明：端部绝缘放电主要决定于端部最大场强值，而与沿面放电距离没有直接关系，加长放电距离只能使贯穿性击穿更加困难[2]。3纵绝缘结构设计变压器运行过程中会遇到各种过电压，过电压分内部过电压与外部过电压。内部过电压发生在电力系统本身，是当变压器或线路在分、合闸时由于系统中能量发生剧烈变化而产生的一种具有周期性波的操作过电压;而当系统发生不对称短路和间歇电弧时将产生故障过电压。外部过电压也称大气过电压，是由于雷电直接落在输电线上或者由于带电荷的云层彼此间发生放电或对地放电而对输电线产生电磁感应或者由于带电云层移过输电线上空时产生静电感应所引起的非周期性过电压波。变压器在过电压作用下，起始阶段在绕组的线端引起了很大的电压梯度，随后将在绕组其他部位引起电压振荡，并使绕组的对地电压大大增高，这对绕组绝缘非常不利。变压器的过电压保护，一方面是采取各种措施降低进入变压器的过电压波的幅值:例如在输电线上部设架空地线;采用合理的绝缘配合(在接近变电所的输电线路上装设避雷器)。另一方面是加强变压器本身的电气强度，使起始电压分布和整个过渡过程的电压分布可得以改善。变压器的纵绝缘[3]，包括绕组的匝间、层间、线段间的绝缘结构与尺寸，由冲击试验电压(全波和截波)与绕组的起始分布电压(电压梯度)确定。下面列出了不同电压等级的油浸式电力变压器的纵绝缘结构尺寸。(1)35KV及其以下变压器的纵绝缘①圆筒式绕组圆筒式绕组匝间绝缘按导线规格选择。纸包圆线的两边绝缘厚为0.3垃垃，纸包扁线的两边绝缘厚为0.45(0.5)垃垃，括号内数值为计算值。层间绝缘:一般用0.12垃垃电缆纸，其张数由绕组两层间最大工作电压选取。油浸电缆纸的电场强度取3000～4000V/垃垃，层间绝缘电缆纸最少为2张。在层间电压较高而要求电缆纸张数很多(一般超过4张)时，可采用图3-1所示的分级绝缘结构，以减小绕组的辐向尺寸。图3-1层间分级绝缘层间油道:为使变压器运行时绕组温升不超过规定值，有时在层间设置油道以增加绕组的散热面积。油道的宽度应随绕组的高度增加而增加，否则收不到应有的冷却效果。一般取油道尺寸为绕组高度的1/100，但不小于4mm。油道个数对35KV级容量在100KV.A及其以上时取一个，油道设在总层数的1/3~2/5处(从内层算起)，而当绕组内外两侧都散热时，油道应设在总层数的一半处。层间油道是由10～15垃垃宽的层压纸板撑条构成的，两撑条之间的周向间距为120～150mm(弧长)。油道也可用瓦楞纸板构成。②连续式绕组连续式绕组的匝间绝缘及段间绝缘见表3-1。段间纸圈伸出绕组外径每边至少8mm。三相容量为2500KV.A及其以下、电压为35KV时，绕组首末端各4段的匝数应为正常段匝数的70%左右。此时，匝间应均匀垫以绝缘纸条，使线段外径与正常段的一致。表3-1连续式绕组的匝间绝缘及段间绝缘(2)110KV变压器的纵绝缘对于中性点直接接地、高压绕组接法为YN、调压范围≤10%、三相容量为10000KV.A及其以下时，采用端部出线结构，见图3-2(a);12500～20000KV.A时，采用端部出线结构，见图3-2(b)；20000KV.A以上时，采用中部出线结构，见图3-2(c)。图9-14中绕组均为纠结-连续式，标号A、B、C各线段为纠结式，其余线段为连续式，匝间绝缘均为1.35垃垃。调压线段H也可采用两段纠结式。图3-2110KV变压器绕组的绝缘结构4套管的绝缘结构设计套管是一种典型的电场具有强垂直分量的绝缘结构[4]。它表面的电压分布很不均匀，在中间法兰边缘处电场十分集中，很容易从此处开始电晕及滑闪放电。同时．法兰和导杆间的电场也很强，绝缘介质易被击穿。为适应工作电压的提高，必须改善法兰及导杆附近的电场。高压套管在电气性能方面通常应满足下述要求；①长期工作电压下不发生有害的局部放电；②—分钟工频耐压试验(约为工频测试电压的90％)时，不发生滑闪放电；冲加试验电压下不击穿。瓷套管由瓷件、安装法兰及导体装配而成、纯资套管以电瓷(或还有空气)绝缘，结构简单，维护方便。套管具有以下特点：(1)它是电气绝缘结构中惟一的既有外绝缘又有内绝缘问题的装置。在外部严酷的环境下同时承受很高的电、热和机械应力，其运行条件比其他绝缘子苛刻。(2)电场复杂。如前所述，套管是一种典型的插入式结构，其电场垂直分虽大，沿表面电压分布极不均匀。在中间法兰边缘处电场十分集中，很容易从此处开始电晕及滑闪放电。同时，法兰和导杆问的电场也很强，绝缘介质易被击穿。(3)作为电气设备主要组件的套管，要求其结构紧凑和尺寸小。套管又是有机、无机、气体、液体和固体材料的组合绝缘结构。在强电场作用下，各种介质特性复杂，局部放电问题突出。(4)另外还有导体发热、介质损耗、热击穿和密封等问题。5结语变压器绝缘设计是变压器结构设计的重要环节，其设计的优越性将直接影响到变压器性能的好坏。不仅如此，绝缘设计的好坏还会影响到变压器运行的稳定性与可靠性，同时也决定了变压器寿命的长短。本文对变压器的绝缘设计进行了总结，变压器的绝缘分为内部绝缘与外部绝缘。外部绝缘指套管本身的外部绝缘和套管间及套管对地的绝缘。内部绝缘包括主绝缘和纵绝缘。主绝缘是指绕组（或引线）对地对另一相或对同一相的其他绕组（或引线）之间的绝缘，而纵绝缘是指同一绕组上各点之间或其相应引线之间的绝缘。参考文献：[1]尹克宁.变压器设计原理.北京：中国电力出版社.2003[2]张植保变压器原理与应用.北京：化学工业出版社.2007[3]路长柏.电力变压器绝缘技术.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社.199