500KV电力变压器主绝缘电场的有限元计算.PDF

第 4 5卷 第 9期 2 0 0 8年 9月 蠢 珏 毫 V o 14 5 N o 9 S e p t e mb e r 2 0 0 8 5 0 0 k V电力变压器主绝缘电场的有限元计算 刘建军 ，一 ， 李 岩 ( 1 沈阳工业大学特种电机研究所，辽宁 沈阳 1 1 0 0 2 3 ； 2 辽宁铁道职业技术学院， 辽宁 锦州 1 2 1 0 0 0 ) 摘要 ： 对一台5 0 0 k V电力变压器进行了主绝缘电场的计算， 得出了各区域中的电位分布和电场强度分布， 并计算了 相关的绝缘裕度。 关键词 ： 变压器 ； 主绝缘 ； 电场强度； 有限元 中图分类号 ： T M4 0 l 1 文献标识码 ： B 文章编号 ： 1 0 0 1 8 4 2 5 ( 2 0 0 8 ) 0 9 0 0 0 1 0 4 _ Cal c u la t i o n o f M a i n l ：n s U l a t ion。 El e c t r i c Fi e l d i n ， 5 0 0 W 。 P o we r Tr a n s f o r mer wit h FEM L I U J ia n -j u n 一 ， L I Y a n ( 1 S h e n y a n g U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， S h e n y a n g 1 1 0 0 2 3 ，Ch i n a ； 2 L i a o n i n g R a i l w a y V o c a t i o n a l a n d T e c h n i c a l C o l le g e 。 J i n z h o u 1 2 1 0 0 0 ，Ch i n a ) Ab s t r a c t ： T h e ma i n i n s u l a t i o n e l e c t r i c f i e l d i n a 5 0 0 k V p o we r t r a n s f o r me r i s c a l c u l a t e d T h e d i s t r i bu t i o n s o f el e c t r i c p o t e n t i a l a n d e l e c t r i c f i eld i n t e n s i t y i n di ff e r e n t a r e a s a r e d e r i v e dT h e i n s u l a t io n ma r gi n i s c a l c u l a t e d K e y w o r d s ： T r a n s f o r me r ；Ma i n i n s u l a t i o n ；E le c t r i c f i e l d i n t e n s i ty；F E M I刖 昌 在超高压电力变压器 中， 5 0 0 k V变压 器在我 国 的应用 比较广泛 ， 其绝缘设计的合理与否 ， 对变压器 运行的可靠性和经济性都有着非常重要的意义。笔 者应用有限元法对一 台 S F P 一 4 0 0 0 0 0 5 0 0电力变压 器主绝缘电场进行了计算。其将主绝缘电场划分为 三个 区域 ， 得到了各部分的电位线分布 、 电场强度分 布和电场强度矢量分布图，并计算 了相关的绝缘裕 度 ， 为变压器的工程设计提供了理论上的参考依据 。 2 S F P 一 4 O 0 0 O O 5 O O电力变压器主绝缘电场 分析 S F P 一 4 0 0 0 0 0 5 0 0电力变压 器为三相双绕组无 励磁调压电力变压器 ， 高压为中部出线 ， 低压为端部 出线 ， 额定 电压为( 5 2 5 + 2 x 2 5 ) 2 0 k V， 其绝缘水平 如下 ： 高压端 ： 雷 电冲击全 波 ： l 5 5 0 k V 雷电冲击截波 ： l 6 7 5 k V 操作 冲击 ： l 1 7 5 k V l mi n工频 ： 6 8 0 k V 高压中性点： 全波冲击 ： 3 2 5 k V l mi n工频 ： 1 4 0 k V 低压端 ： 雷电冲击全波 ： 1 2 5 k V 雷 电 冲击截 波 ： 1 4 0 k V l mi n工频 ： 5 5 k V 计算时将主绝缘电场划分为下端部 、上端部和 中部分别进行计算 。 2 1 下端部电场的计算 对主绝缘电场下端部建立的计算模 型如图 l 所 示 。 高压绕组末端电位为 1 4 0 k V， 低压绕组下端部接 地 ， 电位为零。 模型左边界为铁, b# l- 表面， 电位为零 ， 属于第一类齐次边界。 下边界为下部铁轭的上表面， 电位 为零 ， 为一 类齐 次 边界 1 1 。上边 界和 右边 界为第 二类齐次边界条件 ， 自然满足。 对此模型进行计算得 维普资讯 http:/ 2 变 珏罄 第4 5 卷 绝缘纸筒 、 油 高 油 低 道 压 压 绕 道 绕 组 组 铁心 ， 角环下铁轭 一 ， b n _ l c f _ 端 圈 I 图 1下 端 部计 算 模 型 Fi g 1 Ca l c ul a t i on mode l o f t he fie l d r e gi o n o n th e b e l o w e n d 到的端部 电位线分布如图 2所示 ， 电场强度矢量分 布 如图 3所 示 。 图 2下 端 部 电位 线 分 布 Fi g 2 El e c t r i c p o t e n t i a l H n e d i s t r i b u ti o n i n b e l o w e n d r e gi o n 图 3电场强度矢量分布 ng 3 D i s t r i b u ti o n o f e l e c t r i c fi e l d i n t e n s i t y v ect o r 由图 2和图 3可以看出，电位最高点在高压绕 组 内表面处 ，且高压 绕组端 部 内侧拐角处 的 电位线 比较密集 ， 场强最大点在高压绕组端部内侧拐角处 ， 最大值约为 8 7 k V m m。由矢量分布图也可以看出 越是 临近 高压绕组 内表 面拐角处 ，场 强矢量分 布越 不均匀。高、 低压绕组之间的最大油隙是 9 mm， 查表 得其允许击穿场强为 1 0 5 k V m m f 2 3 1 ，绝缘裕度为 1 0 5 8 7 - - 1 l 。 其他油道均小于 9 mm， 允许击穿场强 更大 绝缘裕度在 1 2 l 之上。 对下端部主绝缘电场 ， 选取 了两条典型路径 和 c d ( 如图 l 所示 ) ， 计算了沿这两条路径的电场分 布， 计算结果如图4和图 5 所示。由图 4可以看出， 场强最大点在高压绕组内表面上， 在 线上 a点处 场强最 大 ， 为 8 8 k V m m ， 与 图 2所示 的值 吻合 。沿 c d线 分布 时 ， 场强最 大值 出现在 高压 绕组端 部 的 内 表 面 c点处 ， 由图 5可得 场 强最 大值 为 7 3 k V mm， 说明沿 c d方向的场强小于沿 方向的值。 图 4沿高 、 低压绕组之间 a 6线场强分布 Fi g 4 El e c t r i c fi e l d i n t e n s i t y d i s t r i b u t i o n a l o n g Li n e a b b e t we e n HV a n d LV wi n d i n g s 图 5沿 高 压绕 组 与 铁 轭 间 c d线 场强 分 布 Fi g5 El e c t r i c fie l d i nt er L s i t y d i s t rib ut i on a l ong Li ne c d b et we e n HV wi nding a nd yo ke 2 2上端 部电场计 算 上端部电场计算模型如图 6所示。对于上端部 维普资讯 http:/ 第 9期 刘建军、 李 岩： 5 0 0 k V电力变压器主绝缘电场的有限元计算 3 图 6上 端 部 电场 计 算 模 型 F i g 6 El e c t r i c fi e l d c a l c u l a tio n m o d e l i n t h e u p p e r e n d r e , o n 电场的计算 ， 采用全域计算方法。考虑高压 、 低压绕 组之间以及低压绕组和铁心之间的电场 ， 低压绕组 应该给零电位 。但是 ， 下端部已经考虑了低压绕组 为零电位的情况 ， 而且下端部对铁轭绝缘距离小 于 上端 部 ， 显然其 电场 强度 大于 上端部 的值 。因此 ， 上 端部为零电位 的情况可以不考虑 ， 而低压绕组给非 零 电位主要 是考核低压绕组 与铁心之间 的电场分 布情况。所以， 低压绕组端部施加 5 5 k V电压 ， 高压 绕组末端仍然施加 1 4 O k V电压。 模型左边界为铁心 表面， 电位为零 ， 为一类齐次边界条件。上边界是上 部铁轭的下表面， 电位为零 ， 为一类齐次边界条件 。 下边界和右边界属于第二类齐次边界条件 ， 自然满 足。利用 A N S 0 F T软件闱 对该模型进行计算 ， 得到的 端部电位线和电场分布如图 7和图 8所示 。 图 7上端 部 区域 中等 位 线 分 布 F i g 7 Di s t r i b u t i o n o f e p 6 a l l i n e i n t h e u p pe r e nd r e g i o n 由图 7和图 8可以看出， 高电位 出现在高压绕 组 内表面处 ， 高 、 低压绕组端部 内表面拐角处电位 线最密集 ， 两处都有 电场集 中现象 ， 且高压绕组端 部 内表 面 拐角处 的电压 最高 ，场 强最 大值 约 为 图 8上端部区域 中电场 强度分布 F i g 8 Di s t r i b u ti o n o f e l ect c fie l d int e n s i t y in the u p p e r e n d r i o n 4 6 k V mm 。 此值 比下端部的最大场强小 ， 因为低压 绕组施加了 5 5 k V的电压 ， 高 、 低压绕组间的电位差 减小 了， 所以场强有所降低。绝缘裕度为 1 O 5 4 6 = 2 2 8 ， 上端部绝缘裕度高于下端部。 低压绕组与铁心 间的最大电场强度出现在低压绕组端部 内表面拐角 处 ， 其场强值约为 3 0 k V mm， 小于高压绕组与低压 绕组之 间的最大电场强度 。 所 以， 对上端部应重点考 虑高压绕组与低压绕组之 间的电场 。 2 3中部电场计算 中部电场计算模型 如图 9所示 ，计算时取中部 若干个线饼 ， 低压绕组电位取为零。 高压线饼按工频 6 8 0 k V线性分布赋值 ，中部左右边界都为一类齐次 边界 ， 上 、 下边界为二类齐次边界 ， 龟 场分布情况如 图 1 O - 图 l 2所示 。 、 l I 山 l J l l H I 口 l I _J I l I I I 叫 垭 I l l l I Lu l l 图 9中部 电场 计 算 模 型 F i g 9 El e c t c fi e l d c a l c ula ti o n mo d e l i n the mi d d l e r e , o n 由图 l 0可 以看出， 绕组中部 电位线从高压绕组 内表 面到低压绕组外表面是均匀分布的， 高、 低压绕 组问的电场强度接近均匀分布 。从 图 1 1中可以看 出 ， 低压 绕组 外表 面处 电场 场强 矢量 最大 ， 说 明 电场 维普资讯 http:/ 4 耍 压 器 。 第4 5 卷 图 1 O中部场域等位线分布 Di s t r i b u t i o n o f e q u i p o t e n t i al l i n e i n t h e u d d d l e r e g i o n o k I 一 j 口 1 一 l l ； 一 l ： 一 t 山 ： 1 t _ Y _ l 一 0 H f - ! 一 r一 _ l _一|_ ， 1 ， 图 1 1 中部电场强度矢量分布 F i g 1 l I ) i s t r i b u t i o n o f e l e c t r i c fie l d i n t e n s i t y e c t o r i n t h e mi d d l e r e gio n 强度最大值在低压绕组外表面处。图 1 2中的路径 6如图 9所示。由图 1 2可以看出， 电场强度的最大 值在低压绕组外表面 口点处 ， 其值约为 9 5 k V m m， 最小 绝缘 裕 度 为 1 0 5 9 5 = 1 1 1 ， 小 于下 端部 和上 端 部的裕度。可见 ， 三个 区域的绝缘裕度不同， 中部裕 度最小 ， 上端部裕度最大 ， 电场最大值 出现在 中部 ， 中部 是重点 考核部位 。 3结论 笔者应用 A N S 0 F T r计算 软件对 S F P 一 4 0 0 0 0 0 5 0 0变压器主绝缘 电场进行了分析计算 。计算中将 主绝缘电场划分为三个区域，分别建立了二维有限 图 1 2 沿高、 低压 绕组 间某一路径 a 6的场强分布 F i g 1 2 El e c t r i c fie l d i n t e n s i ty d i s t r i b u tio ， n a l o ng ： P a th a b b e t w e e n Hv a 矗 wi n a in 元模型。在高压首端施加 l m i n工频 电压的情况下 ， 得到 了各 区域 的 电位 分布 和电场强 度分 布 ，给 出 了 典型路径上的电场强度分布曲线 ，确定了电场强度 的最大部位。由计算出的相应位置的最小绝缘裕度 可 以看 出 ，三个 区域 的绝 缘裕 度不 同 ，中部裕 度最 小 ， 上端部裕度最大， 中部应是重点考核部位。整个 主绝缘的薄弱环节在中部低压绕组的外表面和端部 的高压绕组 内表面处。 在对中部电场计算时，由于把低压绕组电位设 为零 ， 考核偏严 ， 所以计算值要 比实际值偏大。 通 过本 文 中计 算 得 到 的变压 器 主绝 缘 电场 的 分布情况，对于确定变压器主绝缘的结构尺寸以及 5 0 0 k V变压器 的设计和改进提供 了一定的参考依 据 。 参考 文献 ： 【 1 】 胡之光电机电磁场的数值计算【 M】 北 京： 机械工业出 版社 ， 1 9 8 2 【 2 】 谢毓城电力 变压器手册【 M】 北京 ： 机械工 业出版社 ， 2 0 05 【 3 】 周 克定工程 电磁场数 值计 算 的理论 方法及 应用【 M 】 北京 ： 高等教育 出版社 ， l 9 9 4 4 1 刘国强， 赵凌志， 蒋继娅 A n s o f t 工程 电磁场有 限元分祈 M 1 北京 ： 电子工业 出版社 ， 2 0 0 5 收 稿 日期 ： 2 0 0 7 1 2 1 0 作者简介 ： 刘建军( 1 9 6 3 一 ) ， 男 ， 辽宁锦州人 ， 辽 宁铁道职业技术学院高级讲 师， 主要从事电工方面的教学与科研工作 ； 李岩( 1 9 6 2 一 ) ， 男 ， 吉林吉林人 ， 沈阳工业大学特种电机研究所教授 ， 博士生导师 ， 长期从事变压器 、 永磁 电机 以及工程 电磁场问题的研究工作 。 维普资讯 http:/