大型变压器主绝缘电场的全域分析工程仿真软件开发.pdf

专题综述 大型变压器主绝缘电场的全域分析 工程仿真软件开发 王建民 1，张喜乐1，张国强2，吴明训1，赵银汉1，刘力强1 （1.保定天威保变电气股份有限公司，河北 保定 071056；2.中国科学院电工研究所，北京 100190） 摘要：介绍了大型变压器主绝缘电场全域分析工程仿真软件研发成果的实现方法原理、计算功能、特点和产品应用 情况。 关键词：变压器；主绝缘；电场；仿真软件 中图分类号：TM401+.1文献标识码：B文章编号：10018425（2010）09001506 1 引言 随着变压器容量和电压等级的不断提高， 变压 器电、磁、热和力等的可靠性问题愈来愈严重，同时， 电网对超高压变压器和特高压电力变压器愈来愈高 的技术要求和变压器市场竞争的日趋激烈， 促使变 压器制造企业更加重视提高产品设计制造水平和可 靠性、降低产品成本。 因此，为了实现变压器产品经 济性与可靠性的合理统一， 以信息仿真技术提高变 压器自动化设计水平， 对高电压大容量变压器主绝 缘交流、 直流电场及油纸交界面切向电场和最小绝 缘裕度等分布特性的工程仿真技术进行应用研究具 有重要的现实意义。 本文中笔者就高电压大容量变压器主绝缘电场 全域分析工程仿真软件的研发成果，介绍了其主要实 现方法原理、计算功能、特点和产品应用情况等内容。 2 计算方法与技术创新点 2.1计算模型的技术处理与工程算法 根据对大型变压器绝缘结构特点的分析和数值 计算的实践经验，利用有限元方法，建立了交直流电 场工程计算模型。 在Windows环境下利用C+语言 和Visual Fortran语言研发了大型变压器主绝缘交 流、 直流电场及油纸交界面切向电场和最小绝缘裕 度等分布特性的工程仿真软件。 根据大型变压器绝 缘部件多、但很规则的特点和计算精度的要求，对绝 缘结构采用了以绝缘正角环、反角环、横端圈、纸筒、 静电环和绕组导体为主要输入对象的绝缘部件输入 方法， 并对各部件进行了自动剖分网格疏密的合理 控制； 为了实现对变压器整体绝缘结构的可靠性分 基金项目：河北省自然科学基金资助（E2008001272） Development of Engineering Simulation Software of Total DomainAnalysis of Electric Field in Main Insulation of Large Transformer WANG Jian-min1, ZHANG Xi-le1, ZHANG Guo-qiang2, WU Ming-xun1, ZHAO Yin-han1, LIU Li-qiang1 （1.Baoding Tianwei Baobian Electric Co., Ltd., Baoding 071056, China; 2.Institute of Electrical Engineering, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China） Abstract：The principle, culculation function and characteristic of the fulfilling method of developed results of engineering simulation softwere of total domain analysis of electric field in main insulation of large transformer are introduced. The application of the prod- uct is presented. Key words：Transformer；Main insulation；Electric field；Simulation software TRANSFORMER 第 47 卷 第 9 期 2010 年 9 月 Vol.47 September No.9 2010 第 47 卷 析和寻找绝缘薄弱部位，利用有限元数值计算结果， 通过将场域中沿逐条电力线各单元的与油隙长度无 关的局部电场强度转换为与油隙长度有关的平均电 场强度，并将其与相应的许用值曲线进行对比，实现 了与油隙长度有关的电场强度发生值、 许用值和绝 缘裕度等的图形分布曲线的输出， 为变压器绝缘结 构优化设计与可靠性分析提供了方便、 实用和界面 友好的数值计算工具。 2.2检验与测试技术 变压器主绝缘电场全域分析仿真软件计算结果 的检验，充分利用了企业自身的资源优势，分别采用 了解析方法、 模型实测数据或产品绝缘试验结果和 同类软件对产品结果的对比分析等方法。 2.2.1不同方法或软件之间的电场验算 为了检验电场分析结果的准确性， 在计算条件 完全相同的情况下，分别利用研发的仿真软件（有限 元方法）和同类软件（模拟电荷法）计算了两台变压 器的交直流主绝缘电场， 其最大电场强度的对比分 析结果如表1所示。由表1中的数据可知，两种计算 方法的最大电场强度的相对误差约为3%， 从而相 互校验了计算软件结果的正确性。 2.2.2对油纸交界面爬行放电测试模型的验算分析 为了测量浸在油中的纸筒受到表面爬行放电时 的击穿电压，根据绝缘结构尺寸的不同，分别设计了 雷电冲击试验模型1和模型2， 试验时模型的左边 界和下边界接地， 将上下静电板及靠近静电板的线 饼连接在一起并施加雷电全波， 图1为原模型简化 后的下半部分区域。试验爬电现象为从图2b中的电 力线位置沿靠近线饼侧的第一层纸筒表面向下并分 别从纸筒下端跨接第二层纸筒和第三层纸筒对地放 电。 若将雷电冲击电压折算为工频一分钟时取换算 系数2.3,则工频情况下施加爬电时的电压和分析 结果如表2所示，图2为模型1的电场分布结果。由 表2可知， 爬电时的两个模型切向最小绝缘裕度计 算结果分别为1.1和1.05。 为了安全起见，在产品设 计应用中取绝缘裕度安全判据大于1.15。 通过不同方法的测试与分析表明： 变压器主绝 缘电场全域分析各场量分布趋势正确， 最大电场强 度计算误差约在3%内； 沿油纸交界面的切向电场 强度和绝缘裕度满足产品绝缘设计要求， 并且计算 结果优于目前同类软件或传统方法对应的结果，从 而验证了仿真软件和计算方法的正确性。 2.3Windows用户界面技术 在变压器主绝缘电场全域分析仿真软件的开发 设计中， 自始至终遵循面向变压器工程及产品设计 人员的宗旨， 既考虑了计算软件的通用性也兼顾了 工程实用性，在程序实现上采取了如下技术措施。 （1）仿真软件提供了开放的数据接口，因此可以 方便地实现与其他程序的友好连接。 表1电场强度计算结果的比较 方案 产品1产品2 交流直流交流直流 有限元方法10.541.311.229.9 模拟电荷法10.342.511.130.2 kV/mm Table 1Comparison of calculated results of electric field strength 图1简化模型 线饼 绝缘筒 静电板 Fig.1Simplified model （a）电力线分布 （b）最小裕度的电力线 图2模型1的电场分布 Fig.2Electric field distribution of model 1 表2测试模型计算结果 分类 最大场强 /kVmm-1 切向场强 /kVmm-1 切向最小 绝缘裕度 施加电压 /kV 模型110.031.581.1400 模型211.121.561.05356.5 Table 2Calculated results of testing model 16 王建民、 张喜乐、 张国强等： 大型变压器主绝缘电场的全域分析工程仿真软件开发第 9 期 （2）在前、后处理方面，采用了C+用户界面汉 字驱动技术、拉格朗日插值和曲线拟合技术等。 （3）电场分布结果采用汉字数据文件和图形分 布曲线两种方式输出。 通过运用这些技术，使仿真软件简单、实用，输 出结果形象、直观，因此可直接用于变压器电气绝缘 设计。 2.4在推广应用方面采取的技术措施 大型变压器主绝缘电场全域分析工程仿真软件 不仅在计算功能方面进行了技术创新， 而且在推广 应用方面也采取了一些行之有效的措施。例如，在软 件的输入数据方面， 充分考虑了广大使用者的习惯 用法与接受能力， 借鉴和吸收了目前工程设计中流 行软件的输入方法或方式； 用户使用手册采用变量 与举例说明简单易懂的方式等。因此，变压器主绝缘 电场全域分析工程仿真软件具有优越的推广基础和 应用条件。 3 主要计算功能与特点 大型变压器主绝缘电场全域分析工程仿真软件 可用于求解在工频、 雷电冲击等交流情况下的静电 场和施加直流电压情况下的恒定电流场与直流极性 反转时的迭加电场， 能够提供变压器主绝缘与端绝 缘等的电场分布和油隙、绝缘件中的最大电场强度； 通过自动分析沿各条电力线的电场强度和绝缘裕 度， 可以直接发现和确定整体绝缘结构中的薄弱部 位， 因此实现了传统设计和常规数值方法或软件难 以解决的变压器绝缘结构全域自动分析绝缘强度问 题，为高电压、大容量变压器的开发设计与绝缘结构 优化，提供了方便、有效的先进仿真工具。 3.1主要计算功能 （1）计算变压器在工频和雷电冲击等交流情况 下的静电场，包括主绝缘、端绝缘、纵绝缘电场分布 和沿油纸交界面等部位的电场强度 （包括发生值及 许用值）与绝缘裕度；自动分析和提供沿各条电力线 的最小绝缘裕度等参数， 并能直接判断和确定绝缘 较薄弱的部位。 （2）计算变压器在施加直流电压情况下的恒定 电流场，包括直流电场分布，绝缘纸或纸板中的最大 电场强度和油纸交界面切向电场强度分布等。 （3）计算变压器在施加直流极性反转电压情况 下的交、直流迭加电场，包括极性反转电场分布，油 隙及绝缘纸中的最大电场强度和油纸交界面切向电 场强度分布等。 3.2主要计算特点 （1）输入数据采用变压器逐个部件输入的方式： 包括变压器绕组、线饼、各种绝缘件（静电环、角环、 纸筒和端圈） 等的尺寸、 材料属性和各导体上的电 位，因此，数据准备简单，便于设计人员使用和接受。 （2）适用于各种类型的交直流电力变压器。例如 普通多绕组、自耦、有载调压、无励磁调压变压器和 电抗器等。 （3）输出结果图文并茂且形象、直观。例如，变压 器电场强度分布和沿电力线的绝缘裕度分布既可以 采用汉字数据文件的形式输出， 又可以利用带有数 字刻度的直观的曲线表示等。 （4）通过对各绝缘部件采用“统一规定”的剖分 处理，减小了由于剖分对计算结果带来的误差，避免 了通用软件因使用者建模或剖分方面的差异所产生 的结果分散性。 （5）由于输入与输出全部采用汉化形式及菜单 驱动，前、后处理具有较强的图形显示功能，因此，用 户界面十分友好。 （6）兼顾仿真软件的通用性和工程实用性。 仿真软件所具有的上述特点和计算功能， 集中 体现了理论性、通用性和工程实用性的有机结合。因 此， 与目前国内外商用软件或单一功能的专业性软 件相比可以有效提高计算工作效率。 它不仅可以提 供传统设计方法所不能解决的等电位分布和电场强 度分布等内容， 而且利用油纸交界面的切向电场强 度和各条电力线绝缘裕度的分布结果， 可以方便地 分析和确定变压器结构设计中的绝缘强度薄弱部位 及程度，是提高产品性能可靠性与经济性、体现产品 高科技含量和取代目前变压器电气计算中经典设计 方法的得力设计工具。 4 程序结构与功能流程图 大型变压器主绝缘电场全域分析工程仿真软件 运行于Windows环境下，程序结构主要由仿真界面 驱动程序、 变压器绝缘部件及结构属性参数的描述 程序、前处理自动剖分程序、有限元分析程序、数据 后处理程序和绝缘强度自动分析程序组成。 其功能 流程图如图3所示。 5 输出结果与产品应用 大型变压器主绝缘电场全域分析工程仿真软件 所具有的高效和多功能特点，为高电压、大容量变压 器的新产品开发与设计提供了有效的技术支撑。 近 几年的变压器设计和产品现场制造与运行实践表 明，仿真软件的普及与应用，不仅节约了模型试验与 17 第 47 卷 产品开发成本，而且大大缩短了产品设计周期，由此 促进了高电压、 大容量等技术含量高与难度大的新 产品的开发步伐， 实现了设计成本与可靠性合理统 一的目标。 5.1输出结果 变压器交、直流电场计算结果通过汉字数据文件 和图形或曲线两种方式输出。输出数据文件内容包括 标题栏、原始数据、第一类边界上的节点最大电场强 度、各绝缘纸、纸板及油隙中的最大电场强度等的传 统有限元分析结果和沿各条电力线上与油隙路径有 关的平均电场强度及最小绝缘裕度等的自动优化分 析结果（供打印）；图形输出内容包括自动剖分网格 显示、等电位线与电力线分布、第一类边界上的电场 强度分布、 沿各条电力线和纸筒表面的电场强度发 生值、许用值及最小绝缘裕度等的分布曲线，图4为 电场强度沿某一条电力线的发生值、许用值和绝缘 裕度分布示意图， 其他输出图形参见产品应用实 例。 5.2产品应用 图5图8为大型变压器主绝缘电场全域分析 工程仿真软件在高电压、大容量新产品（如平衡牵引 变压器和超高压直流换流变压器等） 开发中的电场 分布，除了介绍的计算功能外，其在产品开发与设计 中的具体应用概括如下。 （1）110kV平衡牵引变压器主绝缘电场的分析。 根据平衡牵引变压器绝缘结构的特点， 在低压 侧上、下段绕组间和低压绕组与高压绕组间均存在 电位差，因此高压绕组中部（高电位）与低压侧绕组 （低电位）间形成的区域存在较高的两方向电场和电 场集中问题， 是平衡牵引变压器绝缘结构设计的关 键技术内容。 为此，在高压首端施加200kV的工频 电压下， 按轴对称场计算了平衡牵引变压器主绝缘 电场，其等电位线分布、具有最小绝缘裕度的电力线 和沿该电力线的平均电场强度发生值、 许用电场强 度及绝缘裕度的分布如图5和图6所示。由此可见， 绘制等电位线图，剖分图和 电场强度分布曲线等 仿真界面启动 运行部件及结构参数描述程序 运行自动剖分程序 输出节点、单元信息 运行有限元分析程序 输出节点电位值、单元电 场强度和位置坐标等 计算和输出沿各条电力线的电场 强度发生值、许用值和绝缘裕度 运行数据后处理程序 绘制电场强度发生值、 许用 值和绝缘裕度分布曲线等 运行绝缘强度自动分析程序 计算和输出一类边界及典型 部件的最大电场强度 运行结束 图3软件功能流程示意图 Fig.3Flow diagram of software function 场强许用值 场强发生值 绝缘裕度 10 9 7 8 6 5 1 4 3 2 0 10 203040506070 绝缘裕度和电场强度/kVmm-1 油隙长度/mm 图4电场强度和绝缘裕度输出结果 Fig.4Output results of electric field strength and insulation margin 18 王建民、 张喜乐、 张国强等： 大型变压器主绝缘电场的全域分析工程仿真软件开发第 9 期 图7220kV变压器高调压绕组间的电场分布 （a）等电位线分布 （b）最小裕度的电力线 4 2 506070 12 10 8 6 10203040 0 油隙长度/mm 电场强度/kVmm-1 （c）电场强度沿电力线的分布 Fig.7Electric field distribution between HV winding and regulating one in 220kV transformer （a）等电位线分布（b）最小裕度的电力线 图5110kV平衡牵引变压器电场分布 Fig.5Electric field distribution of 110kV balance traction transformer 电场较集中的部位发生在外平衡绕组中部端圈及其 下部相邻线饼拐角附近， 该部位具有较高的辐向电 场和轴向电场， 其最大电场强度为10.7kV/mm，并 且具有最小绝缘裕度的电力线出现在该部位附近 （见图6），其最小绝缘裕度值为1.3，最大的平均电 场强度为6.58 kV/mm，而对应的平均场强许用值在 8.4 kV/mm以上（见图6）。 此外，靠近平衡绕组的第 一层隔板表面切向电场强度最大值为1.31 kV/mm。 由此可判断， 该绝缘结构设计满足主绝缘电气性能 要求。 （2）220kV高压端部出线变压器电场分析。 图7为高调压绕组间的等电位线分布、 具有最 小绝缘裕度的电力线和沿该条电力线的电场强度分 布图。根据分析结果可知，高调压绕组间的最大电场 强度为10.8kV/mm， 具有最小绝缘裕度的电力线通 过调压绕组第一个线饼处， 并且其最小绝缘裕度为 1.1。 （3）500kV直流换流变压器主绝缘电场分布。 图8给出了500kV直流换流变压器部分电场分 布结果。在交流情况下，最大电场强度为10.5kV/mm， 出现在低压绕组（内侧绕组）左侧靠近静电环绝缘 的油隙部位 （见图8a）,沿油纸交界面的最大切向 电场强度约为1.58 kV/mm，出现在高压绕组（外侧 绕组）左下端的角环水平油纸交界面上（见图8c）； 场强许用值 场强发生值 绝缘裕度 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 1020304050 绝缘裕度和电场强度/kVmm-1 长度/mm 图6沿最小裕度电力线的场强和绝缘裕度分布 Fig.6Field strength and insulation margin distribu- tion along minimum margin electric fluxline （a）静电场分布（b）恒定电流场分布 9 8 7 5 6 4 3 2 1 0 10203040 5060708090 绝缘裕度和电场强度/kVmm-1 长度/mm 绝缘裕度 场强发生值 （c）外侧绕组端部角环切向场强沿表面油隙的分布 图8500kV直流换流变压器电场分布 Fig.8Electric field distribution of 500kV DC converter transformer 19 第 47 卷 在直流情况下，最大电场强度为42.6kV/mm，出现 在靠近低压内径侧第一层纸筒的角环圆弧部位 （见图8b）。 750kV及以上电压等级产品的主绝缘电场分析 结果不再赘述。 此外，利用仿真软件对绝缘角环、纸筒和静电环 等的部件输入方法和绝缘裕度自动分析功能， 可以 方便地通过调整绝缘筒与角环的辐向尺寸、 绝缘端 圈与角环的高度尺寸、 角环圆弧半径和绕组的内径 垫条厚度等得到经济合理和性能最佳的电场分布结 果， 从而实现优化变压器绝缘结构和提高绝缘设计 裕度与绝缘强度的目的。 6 结论 笔者介绍了大型变压器主绝缘电场全域分析工 程仿真软件研发成果的主要实现方法原理、 计算功 能、特点和产品应用情况等内容，其结论概括如下。 （1）采用的方法先进、可靠，电场分布及绝缘裕 度计算结果满足产品设计要求。 （2）建立的技术措施正确、有效，实现了使用方 便和输出结果形象、 直观及具有公司标准的输出标 题栏等事半功倍的效果。 （3）体现了理论性、通用性和工程实用性的有机 结合，提供了与其他程序的开放数据接口，因此可以 有效地提高变压器自动化设计水平与质量。 （4）是高电压、大容量变压器绝缘结构优化设计 与替代传统设计方法的最佳选择工具之一， 其应用 发展前景较广阔。 参考文献： 1谢毓城主编.电力变压器手册M.北京：机械工业出版 社，2003. 2张国强.电力变压器绝缘结构优化和电磁方案自动设计 的研究D.保定：华北电力大学，1999. 3王晓莺，王建民.变压器故障与监测M.北京：机械工业 出版社，2004. 4Schultz K. Creepage withstand strength of transformer board C. WICON Insulation Conference, Rapperswil, Switzerland, 1996. 收稿日期：2009-11-02 作者简介：王建民（1961-），男，河北宁晋人，保定天威保变电气股份有限公司主任工程师、教授级高级工程师，长期在科研、 设计一线从事新产品与新技术的开发等技术工作； 张喜乐（1964-），男，河北保定人，保定天威保变电气股份有限公司总工程师、教授级