摘要：变压器作为供变电最重要的电气设备，其安全运行至关重要。本文采用有限元电场仿真的方法，对配电变压器主绝缘电场的优化进行了分析与研究。
关键词：电场；配电变压器；主绝缘
引言
变压器是电网安全运行中最关键的设备之一，变压器的严重事故不但会导致自身损坏，还会中断电力供应。因此，应对变压器的绝缘结构设计问题进行研究，但对于此问题的研究，不仅是电力变压器结构设计中一项重要而复杂的技术问题，也是电力系统安全、稳定、可靠、经济运行的关键因素之一。
1.变压器模型
根据变压器电场分布的特点，可以采用二维或三维场分析。对于二维场域为一平面区域，对于三维场，场域为三维空间区域。严格来说，在实际的绝缘结构中的电场都是三维场，但当场强或电位受某一变量的影响很小时，则可忽略该变量，而将三维场简化为二维场，否则，必须按三维场处理。
对于本文分析的对象，利用对称性，可以简化为二维场来分析。要对变压器的低压绕组绝缘和高低压绕组绝缘进行电场分析，则需要建立精确的绕组模型。进行了适当的简化之后，分析的变压器模型如图1所示。
（a）低压绕组绝缘（b）高低压绕组绝缘
图1 变压器模型图
对此场域进行数值计算时，作如下假设。
（1）忽略变压器引线对其端部电场的影响。
（2）绕组匝间绝缘相对与场域来说尺寸非常小，可以忽略其对电场的影响。
2.绝缘电场有限元仿真
图1a中有限元模型的工频耐压仿真，可以按照静电场来考虑，低压绕组加载的电压为相电压瞬时值的最大值即可。对于左边界和上边界分别对应变压器的铁心和铁轭，可以认为是0电位；右边界和下边界满足自然比较条件，电压不需要进行设置。按照上述的加载方式对其进行电场计算，可得到其电位及电场分布如图2所示。
（a）电位云图（b）电场云图
图2 低压绕组绝缘电场计算结果
分析电场的计算结果可以发现，整体电场最大值为773.39 kV/m，位于上端低压绕组饼左上方的尖角处，该场强值小于气体起晕场强。实际的变压器模型中，绕组的截面并不是矩形的，为有一圆角的矩形，这时的电场强度会得到一定程度的改善。
图1b中有限元模型的工频耐压仿真，可以按照静电场来考虑，低压绕组加载的电压为低压侧相电压瞬时值的最大值即可，高压绕组加载的电压为高压侧相电压瞬时值的最大值即可。上边界分别对应变压器的铁轭，可以认为是0电位；左右边界和下边界满足自然比较条件，电压不需要进行设置。按照上述的加载方式对其进行电场计算，可得到其电位及电场分布如图3所示。
（a）电位云图（b）电场云图
图3 高低压绕组绝缘电场计算结果
分析上面的电位云图可以发现，在整个场域中，从低压绕组到绝缘纸板附近的小部分区域电位变化比较剧烈，高压绕组附近的小范围区域电位变化也比较剧烈；高压绕组到铁之间的电压分布不均匀，而在高低压绕组之间的区域内，电压分布较为均匀。
分析电场的计算结果可以发现，整体电场最大值为1 128 kV/m，位于上端低压绕组饼的尖角处，该场强值小于气体起晕场强。
3.改进后的绝缘电场分析
对变压器的绝缘结构进行优化可以通过两种途径来实现：改变变压器绕组的尺寸和以及绕组间的绝缘距离；改变绝缘隔板和绝缘纸筒的尺寸。
第一种优化方式会使得变压器的短路阻抗等参数发生变化，影响变压器的一些运行参数；同时也有可能导致变压器整体尺寸发生变化，使得所占空间变大，导致整体设计更改，因此不予以推荐。
第二种方案在变压器整体尺寸和绕组结构及尺寸不变的情况下，改变绝缘结构和尺寸从而使得空间场强分布趋于均匀，从而使得绝缘最大场强减小。文中也采用该方案对绝缘电场进行优化。
建立改进的低压绕组-铁心主绝缘端部电场分析模型，和改进前的模型相比，绝缘纸板左端的位置不变，厚度变成之前的一半。其电位及外边界加载条件和原模型的相同，对其进行电场计算，可得到其电位及电场分布如图4所示。
（a）电位云图（b）电场云图
图4 改进后低压绕组绝缘电场计算结果
分析电场的计算结果并与改进前进行比较可以发现，整体最大场强所在位置没有发生改变，其值从773.39 kV/m降低到731.12 kV/m，降幅为5.4%。因此，减小绝缘纸板厚度，可以在一定程度上降低低压绕组绝缘的最大场强值。
建立改进的高压绕组-低压绕组端部绝缘电场分析模型，和改进前的模型相比，绝缘纸板左端的位置不变，厚度变成之前的一半。其电位及外边界加载条件和原模型的相同，对其进行电场计算，可得到其电位及电场分布如图5所示。
（a）电位云图（b）电场云图
图5 改进后高低压绕组绝缘电场计算结果
分析电场的计算结果并与改进前进行比较可以发现，整体最大场强所在位置没有发生改变，其值从1 128 kV/m降低到1 104 kV/m，降幅为2.1%。因此，减小绝缘纸板厚度，可以在一定程度上降低高低压绕组间绝缘的最大场强值。
4.结束语
综上所述，本文通过有限元仿真方法，分析变压器的主绝缘电场分布，同时，通过改变变压器主绝缘的结构，研究变压器的电场优化措施和效果。研究结果表明，减小绝缘筒的厚度，可以在一定程度上降低绝缘最大电场值。
参考文献：
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论文作者:钟柱荣
论文发表刊物:《电力设备》2018年第7期
论文发表时间:2018/6/27
标签：电场论文; 绕组论文; 变压器论文; 电位论文; 场强论文; 低压论文; 云图论文; 《电力设备》2018年第7期论文;