一种低频环氧树脂浇注干式变压器主绝缘结构设计方法与流程

1.本发明涉及干式变压器领域，具体涉及一种低频环氧树脂浇注干式变压器主绝缘结构设计方法。


背景技术：

2.低频输电作为是一种新型的输电方式，通过降低系统工作频率，一方面使线路感抗随系统工作频率的下降而减小，从而使得输电线路阻抗大大降低，并等效缩短线路的电气距离；另一方面使线路容抗随系统工作频率的下降而增大，从而减少电缆线路充电无功，大大提升线路的输送容量。
3.变压器作为低频输电系统中的关键设备，其绝缘结构设计的优劣会直接影响变压器质量和成本。目前，环氧树脂浇注干式变压器的绝缘结构包括高低压线圈之间的主绝缘和线圈与针心及地之间的绝缘。其中，如图1所示，环氧树脂浇注干式变压器的主绝缘结构多采用在低压线圈外侧和高压线圈内侧覆盖dmd和环氧树脂进行绝缘，并在主空道中间增设1层或2层pet复合聚酯薄膜，此时高低压线圈之间的主绝缘距离为a；在高低压线圈上下端采用环氧树脂作为端绝缘，并将由环氧树脂成型的垫块支撑在高低压线圈与对应的高低压上下夹件之间，此时高低压线圈与铁轭之间主绝缘距离为b。
4.另外，由于环氧树脂浇注干式变压器的主绝缘结构为空气和环氧树脂的复合绝缘，而且在交流电压作用时，介质承受的场强与其介电常数成反比，在50hz下空气介电常数和环氧树脂的介电常数为1:3.5，所以空气中的电场强度要大于环氧树脂中的电场强度，同时由于环氧树脂的耐压强度远大于空气的耐压强度，所以复合绝缘结构的绝缘强度将取决于空气。因此，在对应用于50hz输电线路中的环氧树脂浇注干式变压器的主绝缘结构进行设计时，其主绝缘距离仅通过公式(1)简单核算、校验。即先通过所施加的耐压试验电压除以空气的耐受电压强度获得主绝缘距离的理论数值，再将该理论数值与实际的主绝缘距离m进行比较，从而判断主绝缘距离是否合适；但其并未考虑气隙大小与击穿电压的关系。同样，主绝缘爬电距离也仅通过所施加的耐压试验电压除以爬电允许的耐受场强来确认，并未考虑场强与绝缘件表面相交的角度。所以现有的主绝缘结构设计方法不能准确校验主绝缘结构设计合不合理。
[0005][0006]
式中：us—外施耐压试验电压，kv
[0007]
0.7～0.85—空气的耐受电压强度kv/mm
[0008]
此外，当环氧树脂浇注干式变压器应用于低频输电系统时，随着系统工作频率的下降，环氧树脂或其他绝缘材料的介电常数会发生变化，采用复合绝缘结构的主绝缘结构中空气承受的场强也将发生变化。同时低频环氧树脂浇注干式变压器体积和重量会增大，而为了减小低频环氧树脂浇注干式变压器的体积和重量，设计人员一般会对低频环氧树脂浇注干式变压器的主绝缘结构进行改进，但是当低频环氧树脂浇注干式变压器的主绝缘结
构发生变化后，如图2所示，当主绝缘结构的空气隙的减小时，其耐受的击穿场强也会提高，所以，此时若仍采用公式(1)所提供的简单方法进行计算，并不能准确校验低频环氧树脂浇注干式变压器的主绝缘结构设计合不合理，并且其不利于低频环氧树脂浇注干式变压器进行主绝缘结构优化。


技术实现要素：

[0009]
本发明解决的技术问题是提供一种能够进行准确计算，并有效地减小低频环氧树脂浇注干式变压器的绝缘距离，以及减小低频环氧树脂浇注干式变压器的体积和重量的低频环氧树脂浇注干式变压器主绝缘结构设计方法，从而提升低频环氧树脂浇注干式变压器的质量水平。
[0010]
为了解决上述技术问题，本发明所提供的技术方案为：包括高压线圈和低压线圈，所述高压线圈与低压线圈之间设置有至少n个空道绝缘隔板，所述n为大于1的整数；所述n个空道绝缘隔板将高压线圈与低压线圈之间的空间分隔为(n-1)个气道；沿从低压线圈到高压线圈的方向，第一个空道绝缘隔板到第n个空道绝缘隔板的厚度分别为z1、z2、z3……zn
，第一个气道到第(n-1)个气道的厚度分别为j1、j2、j3……jn-1
；所述高压线圈与低压线圈之间主绝缘的绝缘距离的校验包括以下步骤：
[0011]
步骤一，根据公式计算低频环氧树脂浇注干式变压器在外施耐压试验时，高压线圈与低压线圈之间主绝缘结构中空气承受的场强ej，其中us为外施耐压试验电压，为高压线圈与低压线圈之间所有气道的厚度加起来后得到的空气隙总和，为高压线圈与低压线圈之间所有空道绝缘隔板的厚度加起来后得到的绝缘厚度总和，εj为空气在低频率下的介电常数，εz为空道绝缘隔板所采用的绝缘材料在低频率下的介电常数；
[0012]
步骤二，将步骤一中所得的ej与低频率下的空气允用场强e
x
进行比较，若ej小于e
x
，则所述高压线圈与低压线圈之间主绝缘的绝缘距离设计合理；
[0013]
步骤三，将低频率下的空气允用场强e
x
除以步骤一中所得的ej得到安全裕度，若所得安全裕度数值大于1.2，则可以减小高压线圈与低压线圈之间气道的厚度。
[0014]
这样本发明利用“薄筒小气隙”原理，通过空道绝缘隔板将高压线圈和低压线圈之间的主空道绝缘分隔为多个气道，进而减小高压线圈与低压线圈之间各个气道的厚度，并有效地减小整个低频环氧树脂浇注干式变压器的绝缘距离，和减小低频环氧树脂浇注干式变压器的体积和重量。同时通过上述校验步骤提升整个低频环氧树脂浇注干式变压器的质量水平。
[0015]
进一步地，还包括对高压线圈与低压线圈之间主绝缘的爬电距离的校验，所述高压线圈与低压线圈之间主绝缘的爬电距离的校验方法包括以下步骤：
[0016]
步骤一，根据公式计算出高压线圈与低压线圈之间实际爬电电压u，其中，所述ei为第i个空道绝缘隔板的爬电场强系数，di为第i个空道绝缘隔板的
爬电距离，所述ef为空道绝缘隔板所采用的绝缘材料的爬电耐受场强；
[0017]
步骤二，将步骤一中所得的实际爬电电压u与外施耐压试验电压us进行比较，若u大于或等于us，则高压线圈与低压线圈之间主绝缘的爬电距离合格；反之则不合格。
[0018]
进一步地，当场强方向与空道绝缘隔板表面平行时，所述空道绝缘隔板的爬电场强系数ei为1；当场强方向与空道绝缘隔板表面相交45
°
时，所述空道绝缘隔板的爬电场强系数ei为0.5；当场强方向与空道绝缘隔板表面之间角度处于45
°
到90
°
之间时，所述空道绝缘隔板的爬电场强系数ei为0.3。
[0019]
进一步地，还包括铁轭，所述铁轭设置有铁轭夹紧装置，所述铁轭夹紧装置包括夹件，所述夹件与高压线圈和低压线圈的端部之间设置有p个铁轭绝缘隔板，所述p为大于1的整数；所述p个铁轭绝缘隔板将夹件与低压线圈和高压线圈的端部之间的空间分隔为p个气道；沿从夹件到高压线圈和低压线圈端部的方向，第一个铁轭绝缘隔板到第p个空道绝缘隔板的厚度分别为z
′1、z
′2、z
′3……z′
p
，第一个气道到第p个气道的厚度分别为j
′1、j
′2、j
′3……h′
p
；所述高压线圈和低压线圈端部与铁轭之间主绝缘的绝缘距离的校验包括以下步骤：
[0020]
步骤一，根据公式计算低频环氧树脂浇注干式变压器在外施耐压试验时，所述高压线圈和低压线圈端部与铁轭之间主绝缘结构中空气承受的场强e
′j，其中us为外施耐压试验电压，为高压线圈和低压线圈端部与铁轭之间所有气道的厚度加起来后得到的空气隙总和，为所有铁轭绝缘隔板的厚度加起来后得到的绝缘厚度总和，ε
′j为空气在低频率下的介电常数，ε
′z为铁轭绝缘隔板所采用的绝缘材料在低频率下的介电常数；
[0021]
步骤二，将步骤一中所得的e
′j与低频率下的空气允用场强e
x
进行比较，若e
′j小于e
x
，则所述高压线圈和低压线圈端部与铁轭之间主绝缘的绝缘距离设计合理；
[0022]
步骤三，将低频率下的空气允用场强e
x
除以步骤一中所得的e
′j得到安全裕度，若所得安全裕度数值大于1.2，则可以减小所述高压线圈和低压线圈端部与铁轭之间气道的厚度。
[0023]
这样本发明利用“薄筒小气隙”原理，通过铁轭绝缘隔板将高压线圈和低压线圈端部与铁轭之间也分隔为多个气道，进而减小高压线圈和低压线圈端部与铁轭之间各个气道的厚度，并有效地减小整个低频环氧树脂浇注干式变压器的绝缘距离，和减小低频环氧树脂浇注干式变压器的体积和重量。同时通过上述校验步骤提升整个低频环氧树脂浇注干式变压器的质量水平。
[0024]
进一步地，还包括对高压线圈和低压线圈端部与铁轭之间主绝缘的爬电距离的校验，所述高压线圈和低压线圈端部与铁轭之间主绝缘的爬电距离的校验方法包括以下步骤：
[0025]
步骤一，根据公式计算出高压线圈和低压线圈端部与铁轭之间实际爬电电压u
′
，其中，所述e
′i为第i个铁轭绝缘隔板的爬电场强系数，所述d
′i为
第i个铁轭绝缘隔板的爬电距离，所述e
′f为铁轭绝缘隔板所采用的绝缘材料的爬电耐受场强；
[0026]
步骤二，将步骤一中所得的实际爬电电压u
′
与外施耐压试验电压us进行比较，若u
′
大于或等于us，则高压线圈和低压线圈端部与铁轭之间主绝缘的爬电距离合格；反之则不合格。
[0027]
进一步地，当场强方向与铁轭绝缘隔板表面平行时，所述铁轭绝缘隔板的爬电场强系数e
′i为1；当场强方向与铁轭绝缘隔板表面相交45
°
时，所述铁轭绝缘隔板的爬电场强系数e
′i为0.5；当场强方向与铁轭绝缘隔板表面之间角度处于45
°
到90
°
之间时，所述铁轭绝缘隔板的爬电场强系数e
′i为0.3。
[0028]
进一步地，所述铁轭绝缘隔板包括隔板本体，所述隔板本体的两侧均设置有垫块，最靠近夹件的垫块上靠近夹件的一侧设置有压钉限位槽，最靠近高压线圈和低压线圈的垫块上远离夹件的一侧设置有空道绝缘隔板限位槽。并通过压钉限位槽对夹件上的压钉进行限位和固定，通过空道绝缘隔板限位槽对空道绝缘隔板进行限位和固定。
[0029]
进一步地，所述隔板本体由pet复合聚酯薄膜热压成型，所述垫块由环氧树脂浇注成型，且均具有良好的绝缘性。
[0030]
进一步地，所述气道的厚度大于或等于高压线圈高度的15％，从而确保其具有良好的散热功能。
[0031]
进一步地，所述气道的厚度大于或等于8毫米，且8毫米为其最小气道厚度。
[0032]
从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：本发明利用“薄筒小气隙”原理，一方面通过空道绝缘隔板将高压线圈和低压线圈之间的主空道绝缘分隔为多个气道，并有效减小高压线圈与低压线圈之间各个气道的厚度；另一方面通过铁轭绝缘隔板将高压线圈和低压线圈端部与铁轭之间也分隔为多个气道，并减小高压线圈和低压线圈端部与铁轭之间各个气道的厚度，进而有效地减小整个低频环氧树脂浇注干式变压器的绝缘距离，和减小低频环氧树脂浇注干式变压器的体积和重量。同时并通过上述多个校验步骤提升整个低频环氧树脂浇注干式变压器的质量水平。
附图说明
[0033]
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0034]
图1为50hz环氧树脂浇注干式变压器主绝缘结构的示意图。
[0035]
图2为本发明中低频环氧树脂浇注干式变压器主绝缘结构的示意图。
[0036]
图3为本发明中低频环氧树脂浇注干式变压器的电场分布及绝缘尺寸示意图。
[0037]
图4为本发明中铁轭绝缘隔板的结构示意图一。
[0038]
图5为本发明中铁轭绝缘隔板的结构示意图二。
[0039]
图中：1、铁轭，2、低压线圈，3、铁轭绝缘隔板，4、高压线圈，5、空道绝缘隔板，6、夹件，7、压钉，8、隔板本体，9、垫块，10、空道绝缘隔板限位槽。
具体实施方式
[0040]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0041]
如图2至图5所示，本发明提供一种低频环氧树脂浇注干式变压器主绝缘结构设计方法，其包括高压线圈4和低压线圈2，所述高压线圈4与低压线圈2之间设置有至少n个空道绝缘隔板5，所述n为大于1的整数；所述n个空道绝缘隔板5将高压线圈4与低压线圈2之间的空间分隔为(n-1)个气道；沿从低压线圈2到高压线圈4的方向，第一个空道绝缘隔板5到第n个空道绝缘隔板5的厚度分别为z1、z2、z3……zn
，第一个气道到第(n-1)个气道的厚度分别为j1、j2、j3……jn-1
，而且所述高压线圈4与低压线圈2之间气道的厚度不仅大于或等于高压线圈4高度的15％，还大于或等于8毫米。
[0042]
其还包括铁轭1，所述铁轭1设置有铁轭夹紧装置，所述铁轭夹紧装置包括夹件6，所述夹件6与高压线圈4和低压线圈2的端部之间设置有p个铁轭绝缘隔板3，所述p为大于1的整数；所述p个铁轭绝缘隔板3将夹件6与低压线圈2和高压线圈4的端部之间的空间分隔为p个气道；沿从夹件6到高压线圈4和低压线圈2端部的方向，第一个铁轭绝缘隔板3到第p个空道绝缘隔板3的厚度分别为z
′1、z
′2、z
′3……z′
p
，第一个气道到第p个气道的厚度分别为j
′1、j
′2、j
′3……j′
p
，而且所述夹件6与低压线圈2和高压线圈4的端部之间的气道的厚度不仅大于或等于高压线圈4高度的15％，还大于或等于8毫米。此外，所述铁轭绝缘隔板包括隔板本体8，所述隔板本体8由4张1.1mm厚的pet复合聚酯薄膜热压成型，且所述隔板本体8的两侧均设置有垫块9，所述垫块9由环氧树脂浇注成型。而且最靠近夹件的垫块9上靠近夹件6的一侧设置有压钉限位槽，所述压钉限位槽与夹件6上的压钉7插接；最靠近高压线圈4和低压线圈2的垫块9上远离夹件6的一侧设置有空道绝缘隔板限位槽10，所述空道绝缘隔板限位槽10与对应的空道绝缘隔板5插接。
[0043]
此外，在设置空道绝缘隔板5时，需要对高压线圈4与低压线圈2之间主绝缘的绝缘距离进行校验，和对高压线圈4与低压线圈2之间主绝缘的爬电距离进行校验。其中，绝缘距离的校验过程包括以下步骤：
[0044]
步骤一，根据公式计算低频环氧树脂浇注干式变压器在外施耐压试验时，高压线圈与低压线圈之间主绝缘结构中空气承受的场强ej，其中us为外施耐压试验电压，为高压线圈与低压线圈之间所有气道的厚度加起来后得到的空气隙总和，为高压线圈与低压线圈之间所有空道绝缘隔板的厚度加起来后得到的绝缘厚度总和，εj为空气在低频率下的介电常数，εz为空道绝缘隔板所采用的绝缘材料在低频率下的介电常数；
[0045]
步骤二，将步骤一中所得的ej与低频率下的空气允用场强e
x
进行比较，若ej小于e
x
，则所述高压线圈与低压线圈之间主绝缘的绝缘距离设计合理；
[0046]
步骤三，将低频率下的空气允用场强e
x
除以步骤一中所得的ej得到安全裕度，若所
得安全裕度数值大于1.2，则可以减小高压线圈与低压线圈之间气道的厚度。
[0047]
而且以图2中所示主绝缘结构为例，此时的
[0048]
爬电距离的具体校验过程为：
[0049]
步骤一，根据公式计算出高压线圈与低压线圈之间实际爬电电压u，其中，所述ei为第i个空道绝缘隔板的爬电场强系数，di为第i个空道绝缘隔板的爬电距离，所述ef为空道绝缘隔板所采用的绝缘材料的爬电耐受场强；而且当场强方向与空道绝缘隔板表面平行时，所述空道绝缘隔板的爬电场强系数ei为1；当场强方向与空道绝缘隔板表面相交45
°
时，所述空道绝缘隔板的爬电场强系数ei为0.5；当场强方向与空道绝缘隔板表面之间角度处于45
°
到90
°
之间时，所述空道绝缘隔板的爬电场强系数ei为0.3；
[0050]
步骤二，将步骤一中所得的实际爬电电压u与外施耐压试验电压us进行比较，若u大于或等于us，则高压线圈与低压线圈之间主绝缘的爬电距离合格。
[0051]
而且以图3所示的绝缘结构为例，此时的ef＝0.6kv/mm、u＝(0.3
×
(b1+b2+2
×
b4)+a)
×
0.6。其中，b1指高压线圈端绝缘高度，b2指低压线圈端绝缘高度，b4指空道绝缘隔板比高压线圈和低压线圈端部高出距离。
[0052]
另外，在设置铁轭绝缘隔板时，需要对高压线圈和低压线圈端部与铁轭之间主绝缘的绝缘距离进行校验，和对高压线圈和低压线圈端部与铁轭之间主绝缘的爬电距离进行校验。其中，绝缘距离的校验过程包括以下步骤：
[0053]
步骤一，根据公式计算低频环氧树脂浇注干式变压器在外施耐压试验时，所述高压线圈和低压线圈端部与铁轭之间主绝缘结构中空气承受的场强e
′j，其中us为外施耐压试验电压，为高压线圈和低压线圈端部与铁轭之间所有气道的厚度加起来后得到的空气隙总和，为所有铁轭绝缘隔板的厚度加起来后得到的绝缘厚度总和，ε
′j为空气在低频率下的介电常数，ε
′z为铁轭绝缘隔板所采用的绝缘材料在低频率下的介电常数；
[0054]
步骤二，将步骤一中所得的e
′j与低频率下的空气允用场强e
x
进行比较，若e
′j小于e
x
，则所述高压线圈和低压线圈端部与铁轭之间主绝缘的绝缘距离设计合理；
[0055]
步骤三，将低频率下的空气允用场强e
x
除以步骤一中所得的e
′j得到安全裕度，若所得安全裕度数值大于1.2，则可以减小所述高压线圈和低压线圈端部与铁轭之间气道的厚度。
[0056]
而且以图2中所示主绝缘结构为例，此时的而且以图2中所示主绝缘结构为例，此时的
[0057]
爬电距离的具体校验过程为：
[0058]
步骤一，根据公式计算出高压线圈和低压线圈端部与铁轭之间实际爬电电压u
′
，其中，所述e
′i为第i个铁轭绝缘隔板的爬电场强系数，所述d
′i为第i个铁轭绝缘隔板的爬电距离，所述e
′f为铁轭绝缘隔板所采用的绝缘材料的爬电耐受场强；而且当场强方向与铁轭绝缘隔板表面平行时，所述铁轭绝缘隔板的爬电场强系数e
′i为1；当场强方向与铁轭绝缘隔板表面相交45
°
时，所述铁轭绝缘隔板的爬电场强系数e
′i为0.5；当场强方向与铁轭绝缘隔板表面之间角度处于45
°
到90
°
之间时，所述铁轭绝缘隔板的爬电场强系数e
′i为0.3；
[0059]
步骤二，将步骤一中所得的实际爬电电压u
′
与外施耐压试验电压us进行比较，若u
′
大于或等于us，则高压线圈和低压线圈端部与铁轭之间主绝缘的爬电距离合格。
[0060]
而且以图3所示的绝缘结构为例，此时的ef＝0.6kv/mm、u＝((b1+b3)+0.3
×
(4
×
a1+a2))
×
0.6。其中，b1指高压线圈端绝缘高度，b3指压钉下端至高压线圈端部(含端绝缘)的距离，
ɑ
1指铁轭绝缘隔板比高压线圈远离低压线圈一侧长出部分的长度，
ɑ
2指铁轭绝缘隔板靠近高压线圈一端端部与高压线圈靠近低压线圈一侧所设置的空道绝缘隔板之间的距离。
[0061]
本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。
[0062]
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。