矿用隔爆型干式变压器绝缘设计

矿用隔爆型干式变压器的主绝缘设计

在进行矿用隔爆型干式变压器的主绝缘设计时, 要正确选择各部位的绝缘尺寸和绝缘材料, 变压器绝缘结构的多个部位可以划分为均匀电场和不均匀电场等, 可以采用“板-板”和“棒-板”等气隙模型来分析, 例如将绕组截面设计成椭圆形, 相与相之间的相邻面近似为平面, 可以按照“板-板”均匀电场模型来分析;对于高压绕组和低压绕组间的主通道, 可以按照同心圆柱电容器电场进行分析, 也可近似地认为是均匀电场;对于变压器绕组端部到铁心、铁轭及夹件, 或绕组分接引线到壳体内壁等之间的电场, 则需要按照不均匀电场来进行分析和设计。

对于矿用变压器而言, 由于变压器外部有隔爆壳体, 要特别考虑引线对于壳体的绝缘设计。由于绕组引线一般要和电缆进行焊接或冷压处理, 特别是高压分接引线, 其焊接部位不平整, 处理不当会有尖刺棱角存在, 且在空间上离壳体较近, 其对地区域中的电场分布极不均匀, 会有畸变存在, 此外, 由于受限于煤矿井下巷道高度, 矿用变压器的铁心高度较低, 绕组端部与铁轭的距离设计值较小, 其端部电场分布也呈现不均匀的特点, 且具有很强的与绝缘层相平行的切线分量, 容易发生电晕, 甚至滑闪放电, 可使用“棒-板”气隙模型来分析此类不均匀电场。

在“棒-板”间隙中, 当工频交流电压缓慢升高时, 击穿总是发生在棒电极为正、电压达到幅值附近时, 其击穿电压和“正棒-负板”间隙的直流击穿电压相近, 与“负棒-正板”相比稍低。当间隙距离在1m以下时, 击穿电压和间隙距离成正比关系。

考虑到隔爆壳体设计的紧凑性和经济性, 在保证有效电气安全距离的前提下, 尽量缩小外形尺寸, 气隙距离不宜过大。为了提高变压器设计过程中气体间隙的击穿电压, 有必要采取措施, 通常有两种方式来实现:一种是通过改善间隙中电场分布, 使之尽量均匀;另一种方法是削弱或抑制气体介质中的电离过程, 有国外的矿用变压器厂家通过在隔爆壳体内部充入一定气压的混合气体来提高其电气性能, 但成本较高。

出于工程考虑, 主要通过第一种方法来提高击穿电压, 在不均匀电场中加入薄层固体绝缘材料, 通过固体材料的屏障作用, 拦截与电晕电极同号的空间电荷, 使得电晕电极与屏障之间的电场削弱, 在屏障和极板之间形成较为均匀的电场, 从而提升整个间隙的击穿电压。

在某设计中, 绕组外轮廓离壳体内壁的理论距离为185mm, 引线焊接部位突出外轮廓50mm, 考虑到变压器与壳体的安装误差和壳体内径的加工误差, 高压引线焊接部位与壳体内壁的有效尺寸为110mm左右, 为了加强引线对壳体 (即地) 的绝缘, 在壳体内壁对应引线的部位安装一块H级绝缘板, 这样可以有效缩小壳体尺寸, 确保引线部位的绝缘在1min工频试验电压和冲击试验电压下不发生击穿现象。

针对绕组端部电场, 采用条状绝缘板材绕制成端部绝缘, 与绕组靠近端部线匝捆绑在一起, 形成绝缘屏障, 以改善电场分布, 提高击穿电压。

对于绕组至套管导电杆之间的引线, 特别是接近箱壳部位都要有一定厚度的绝缘层, 在设计引线绝缘的时候, 还要考虑到所包裹绝缘层贴合面是否会发生沿面闪络放电。处理时, 将引线根部电缆铜丝毛刺以及引线表面绝缘层污渍进行清除, 然后采用Nomex纸条进行多层缠绕包裹, 并在引线根部刷涂耐高温环氧漆。