变压器绝缘设计

1、脉冲变压器设计说明脉冲变压器绝缘设计1. 设计要求初级边主电容充电电压为1000V，初级线圈需220匝，线径需大于0.38mm；脉冲变压器次级边，需输出至少3000V空载电压，至少500V负载电压，次级线圈需660匝，线径需大于0.18mm。初级、次级线圈间需耐受幅值60kV、脉宽约几百s的冲击电压。设计此脉冲变压器的绝缘结构（铁芯可自选）。2. 绝缘要求本次设计采用油浸式封装，变压器绝缘主要包括原副边各绕组的纵绝缘（匝间绝缘和层间绝缘），两绕组间的主绝缘，高压绕组对铁轭的绝缘，高压绕组对油箱外壳绝缘，出线端绝缘等。3. 具体设计选型过程3.1 铁芯材料分析表1 铁芯材料性能如表1所示，铁基超

2、微晶具有初始磁导率高并且饱和磁密相对较高的特点，由此选择该材料作为本次变压器设计所采用的铁芯。这种材料铁芯不宜切口，所以可用于小容量的手工绕组的变压器。超微晶磁芯可向磁芯厂家定制特定的尺寸。3.2 铁芯几何参数的选择由于使用的是超微晶进行手工绕组，本次设计不同于一般的先选铁芯在确定绕组绝缘的过程，首先对绕组和绝缘的尺寸进行计算，然后确定铁芯尺寸，这样有利于充分使用窗口面积，方便绕组。经过绝缘设计后可得到如下图1所示的尺寸的铁芯，该铁芯由两块环型拼成。图1 铁芯的几何参数变压器磁芯几何截面积为：窗口面积为：磁芯有效截面积为：其中Kc为磁芯截面系数，根据厂家提供的参数在这里取值为0.7。本次变压器

3、设计工作频率为1500Hz，取工作磁密为0.5T，绕组匝数220匝，原边电压1000V，取波形系数K=4,由下面公式可以看出所选磁芯有效截面积可以满足要求。由于原边电压较低，其与铁芯之间的绝缘可以用一层0.2mm DMD纸实现，DMD纸的硬度高，也可以起到保护的作用，防止铁芯毛刺刺伤原边导线的绝缘。3.3 原副边绕组的设计3.3.1绕组的绝缘结构的基本要求绕组绝缘结构需满足以下的基本要求1：1.绕组绝缘应当具有足够的抗电强度，在各种可能的过电压下都不应该发生击穿或飞弧；2.绕组的寄生时间常数应当尽可能小；这里主要考虑两绕组间的和绕组匝间分布电容要尽量小。3.在最高工作温度下及规定的使用期限内，

4、绕组绝缘的电气和机械性能应满足要求。4.段间油道必须在最佳范围内选择。油道太小，会使场强增加，降低了绕组的绝缘性能。但油道太大，也会使场强增大，对绝缘没有好处。5.增大匝绝缘可以有效地减小场强。当场强较大时，采用增加匝绝缘的方法比增大油道等其它措施能更有效地降低场强。6.尽量降低或限制线段的段间梯度。线段的电位是最高的，线端附近的绝缘是整个绕组绝缘的关键部位。为减小此处场强，必须采取各种措施增加纵向电容，减小段间梯度。因此，所用绝缘材料的抗电强度越高越好，介电常数越小越好。常用绝缘材料的性能如下表所示2。表2 常用绝缘材料的性能材料名称标称代号介电常数最高允许工作温度（）抗电强度（kV/cm）

5、变压器油SYB1351-762.0-2.2595160电容器油SYB1355-60S2.1-2.395200甲基硅油2.6-3.0150乙基硅油2.4-2.7150苯甲基硅油2.6-2.8180电缆纸QB 131-79313080油中电缆纸4-4.895160油中电容器纸4.6-5.295250电绝缘纸（0.5）QB 342-734.595420电绝缘纸（0.1）QB 342-734.595360绝缘漆布GB 1306-772.8-7.7105-150120-300有机硅漆布JB 881-75180120-250聚四氟乙烯HG 2-537-671.8-2.2250250-600聚酯薄膜JB 1

6、256-773120100聚酰胺薄膜3.5-418090聚酰亚胺膜3250100环氧混合料3.3-4.7130200-300有机玻璃3.5-4.5110180-350绕组结构及其绝缘方式由脉冲变压器的电压、使用条件及功率来确定。其中绕组工作电压是确定绝缘结构的主要因素。3.3.2变压器线圈的冲击特性等值电路如图2所示，与电感并联的电容支路是由匝间电容、段间分布电容通过等值计算获得的纵向电容，通常称为纵向等值电容；接在电感两端的电容是由绕组间的分布电容、绕组对铁芯的分布电容、绕组对油箱的分布电容等值的横向电容。起始时刻冲击电压的分布主要由单位长度的横向电容对单位长度的纵向电容的比值来决定的，比值

7、越大，电压分布越不均匀，大部分电压主要降落在靠近入波端的小部分线圈上，而电压 最终分布将由电感电路决定，即基本呈线性分布。起始分布和最终分布之差会引起振荡过程。因此，在冲击电压下，起始电压分布越接近最终电压分布，振荡电压的幅值越小，出现过电压的可能性也越小3。图2 线圈暂态等值电路本次设计需要考虑变压器原副边之间主绝缘会有60kV的冲击电压，所以原副边绕组上也有可能承受短时冲击高压，因此绕组不能只考虑稳态时的电压分布，在设计纵绝缘时要设法改善匝间电位梯度，并要适当提高匝间绝缘的耐受电压。为改善匝间电位分布，本文所设计的变压器原副边绕组采用同心圆筒式绕组，其中原边绕组为单层结构，副边采用分层分段

8、式绕法，其结构如图3所示。图3 绕组绝缘结构该绕制方法具有卷制工艺简单；各层对铁轭绝缘距离不同分级绝缘；层间电容大，对地电容小，冲击电压下层间电压分布较均匀等优点。而在低功率低电流变压器中，该绕法机械强度不易保证，层间轴向油道长而窄，不利于散热的缺点可以忽视。为了减小绕组绝缘处的分布电容，希望采用介电常数较小的绝缘材料。由于脉冲变压器设计为油浸式，所以绝缘结构是纸油混合的。常用的绝缘材料是电缆纸和绝缘厚纸。根据允许表面电场强度为2-3kV/mm来确定绝缘爬距。在确定绝缘间隙的厚度时，根据允许电场强度为4-5kV/mm来确定绝缘间隙。对于原边，绕组设计为单层密绕结构，导线选择杭州伟峰电子公司生产

9、的0.1*20的多股绞线，该导线为聚四氟乙烯膜包线，导线直径为0.5mm，其绝缘膜可耐受10kV稳态电压，非常适合于绕组需承受几十千伏级冲击电压而冲击电压具体参数具有很强的随机性的工作环境。这样匝间可以不再使用其他绝缘材料，利用导线本身绝缘膜即可，原边绕组高度为110mm。在铁芯和原边绕组之间铺设一层厚度为1mm的电绝缘纸，原边绕组对铁芯爬距取10倍裕量，即都取为5mm，则原边绕组总高度为120mm。原边厚度为1.5mm。对于副边，绕组设计为两段三层结构，导线型号取为0.1*5的膜包线，导线直径为0.3mm，匝间同样采用导线本身绝缘就可认为能够耐受几十千伏级冲击电压。 每段绕线按照从底层到上层

10、120+110+100的绕线方式，每段长度为36mm，在冲击电压下，每层之间最高电压差为十几千伏，层间使用油纸绝缘，每层厚度为2mm，爬距取为5mm，段间距离取为10mm。副边绕组的厚度为5mm。3.4 原副边绕组之间主绝缘设计变压器主绝缘设计时，必须了解绝缘结构中的电场分布、出现最大场强值及其部位，从而合理的进行主绝缘设计，并使其绝缘水平对试验电压具有一定裕度。对于油浸式电力变压器，最大场强值点发生在静电板的拐角处，由于本次设计所选用的绝缘结构与上述电力变压器较相似，可以由此推断所设计变压器的最大场强值也发生在静电板拐角处，该点绝缘需加强。3.4.1电场影响因素分析为了优化主绝缘结构，通过查

11、阅资料可以知道变压器内部电场分布受以下几点的影响较大4。1. 主空道距离m对最大场强值Emax的影响：随着绕组间空道距离的减小，最大场强值Emax的变化率也逐渐增大，其变化规律为非线性。2.高压绕组端部到铁轭的距离H对最大场强值Emax的影响：H对最大场强值Emax的影响较m要小很多，所以从节约成本的角度看，在符合性能要求的前提下，减小H可以有效的节约成本而不会对最大场强值造成较大影响，从降低最大场强值的角度看，减小H对最大场强值的影响有限。3.静电环曲率半径的变化对最大场强Emax的影响：随着静电环曲率半径的逐渐增大，最大场强值Emax逐渐减小，说明经典话曲率半径对最大场强值有较大影响，且大

12、于H对最大场强值的影响，所以不宜通过减小静电板厚度增加H，那样会缩小的变化空间，从而影响最大场强值。4.静电板绝缘厚度对最大场强值Emax的影响随着静电环绝缘层厚度S逐渐增加，最大场强值Emax逐渐减小，增加静电板绝缘层厚度S可以有效地降低最大场强值Emax。在变化量相同的情况下，静电板绝缘层厚度S对最大场强值的影响远大于其他因素的影响，但是S的变化空间有限，因为S增大使静电环对线匝的电容减小，从而减小了对线段的冲击保护作用。3.4.2绝缘距离的确定绝缘距离的确定粗略地讲，当脉冲宽度大于10-15s时，绝缘材料的性能和工频电压时相同。当脉冲宽度为1s左右时，绝缘材料的抗电强度大约比工频时高两倍

13、。在宽度为1-10s的范围内，随脉冲宽度的增长，绝缘材料的抗电强度成比例地下降。进行脉冲变压器设计时，如果不知道绝缘材料的脉冲参数，就可以按照上述原则确定绝缘距离。图4 变压器主绝缘结构图变压器主绝缘的结构如图4所示，主绝缘采用油隔板形式5，在油浸式电力变压器绝缘结构中，绝缘纸板是广泛应用的绝缘材料之一，绝缘纸板在变压器绝缘中主要用作主绝缘的隔板、绕组间支撑条、垫块、绕组的支撑绝缘和铁轭绝缘，在110kV级及以上变压器中作隔板和角环等。因此，本次设计主绝缘采用介电常数较小的变压器油和电绝缘纸组合的方式，考虑初次级绕组之间为均匀电场，电绝缘纸的介电常数取为4.5，变压器油介电常数取2.2，两绕组

14、间近似视为均匀电场，初次级耐受电压为百微秒级60kV脉冲电压，所以绝缘材料的电气强度取为稳态电气强度，耐压取4倍裕量，则耐受电压为240kV，则有：可取总绝缘间距为10mm，电绝缘纸总厚度取为4mm，分为4层，每层之间垫有撑条，油道总厚度为6mm。 静电板与高压绕组首端第一匝联接在一起，有改善端部电场分布以及改善绕组首段电压梯度分布的作用。可取静电板厚度为1mm。由于本次设计变压器电压水平较低，可不设计角环，或凭经验取适当角环结构即可。3.5 高压绕组与铁轭之间绝缘由于窗口面积选取较大，高压绕组与铁芯之间的绝缘由变压器油可以实现，不需要额外绝缘措施。3.6 引线绝缘出线端各缠绕2层0.1m聚酰

15、亚胺粘胶，并使用高压套管，引线距离为80mm。3.7 变压器各处绝缘总结表3给出了本次变压器设计所考虑的正常工作下的绝缘要求以及使用的绝缘结构。表3 绝缘结构汇总需要绝缘区域区域间最大压差绝缘结构理论耐压原边绕组匝间4.5V膜包线外膜10KV原副边间60kV4mm电绝缘纸6mm油道240kV副边绕组层间1kV2mm油纸80kV副边绕组段间2kV10mm油道160kV副边绕组与磁芯间3kV变压器油绝缘4. 变压器散热设计本文设计了一款小功率脉冲变压器，取油式封装中导线的载流密度为4A/mm2，可以推算变压器容量仅为1000VA左右，又由于选取导线为多股绞线，每股绞线线径小于其集肤深度，可以忽略集肤效应和临近效应的影响，因此变压器产热很小，可以不考虑散热问题。5. 总结图5 绕制好的铁芯效果图铁芯整体效果如图5所示本文所设计的变压器在正常工作下的电压等级很低，但由于可能存在随机性很大的冲击电压，所以选取的绝缘结构较厚，这会带来变压器原副边漏感很大等一系列问题，并使变压器整体尺寸过大和成本较高。在进一步设计的过程中，如果充分了解变压器工作条件，则在变压器散热较低的情况下使用环氧浇注的封装方式，可以减小变压器的尺寸、提高其动稳定性并使成