毕业论文-变压器铁轭夹件肢板区域电场分析及试验研究

1、哈尔滨理工大学学士学位论文- PAGE IV -哈 尔 滨 理 工 大 学毕 业 设 计题 目：变压器铁轭夹件肢板区域电场分析及试验研究 院、 系：电气与电子工程学院（高电压） 姓 名： 指导教师： 系 主任： 2012年 6 月 变压器铁轭夹件肢板区域电场分析及试验研究摘 要电力变压器是电力系统中的重要设备，其故障绝大多数是由于绝缘结构遭到损坏而引起的。电力变压器绝缘结构设计的合理性很大程度上决定了变压器的安全可靠运行和使用寿命。因而为了设计合理的绝缘结构，降低其局部区域场强，减少其局部放电的可能性，必须了解绝缘结构中的局部电场分布、最大场强值，所以有必要对变压器的关键区域进行电场分析。研究

2、设计合理的绝缘结构，对于降低变压器制造、运行成本，提高运行可靠性具有重要意义。合理的绝缘结构，应以电场的研究为基础。所以对于电场分析，本文利用ANSOFT软件对变压器绕组端部高压上夹件肢板区域进行了电场的二维分析，给出了肢板区域电场分布图，通过二维的分析方法获得分析结果，得到电场最大值及其出现位置，并在电场分析结果的基础上，讨论了覆盖不同厚度纸板对肢板场强的影响，为绝缘结构的设计提供了理论依据。再通过对浸在变压器油中的裸电极和被不同厚度的绝缘纸板覆盖的电极进行局部放电实验，得出放电图谱，最大放电量，并在实验结果分析的基础上，讨论了覆盖不同厚度纸板对电极最大放电量的影响。最后依据理论数据与实验数

3、据对高压上夹件肢板区域电场分析，以分析结果来对该区域绝缘结构进行改进，为超高压电力变压器绝缘结构设计提供方法和依据。关键词 电力变压器；绝缘结构；电场分析；有限元法 Electric field analysis and testing research of transformer iron yoke clamping areaAbstract Power transformer is the important electric apparatus in power system, and the power transformer fault is mostly due to the i

4、nsulation breakdown. Reliable operation and service life of the power transformer largely depend on the rationality of power transformer insulation structure design. Therefore, in order to design reasonable insulation structure, to reduce the field strength of the local area, to reduce the possibili

5、ty of partial discharge, you must understand the local electric field distribution in the insulation structure, the maximum field strength value, so it is necessary to analyze the electric field of transformer critical zones. The study design is reasonable insulation structure of great significance

6、for reducing the transformer manufacturing, operation costs and improve operational reliability. Insulation structure should be based on the study of the electric field. So for the analysis of electric field, using Software ANSOFT transformer winding end of the high-pressure clamp limb plate area we

7、re two-dimensional analysis of the electric field, given the region of the limb plate voltage, the electric field distribution analysis by two-dimensional analysis method and results were obtained by the electric field maximum value of its occurrence, and analysis based on the results in an electric

8、 field to discuss the influence of the field intensity on the limb plate covering the different thickness of cardboard to provide an experimental basis for the design of the insulation structure. Bare electrode immersed in transformer oil and the different thickness of insulation board covered elect

9、rodes for partial discharge experiments, the discharge map, the maximum discharge voltage and the maximum discharge, and on the basis of the analysis of experimental results discussed cover the effects of different electrode thickness cardboard team maximum discharge capacity. Finally, based on theo

10、retical data and experimental data analysis of high pressure on the folder limb plate area farm compared to analyze the results to the region insulated structure to improve insulation structure design method and basis for the high voltage power transformers.Keywords: power transformer; insulation st

11、ructure; electric field analysis; finite element method- PAGE 42 -目录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc327866786 摘 要 PAGEREF _Toc327866786 h II HYPERLINK l _Toc327866787 Abstract PAGEREF _Toc327866787 h III HYPERLINK l _Toc327866788 第1 HYPERLINK l _Toc327866793 章 绪论2 HYPERLINK l _Toc327866789 1.1 电力变压

12、器的背景和发展情况 PAGEREF _Toc327866789 h 2 HYPERLINK l _Toc327866790 1.2 电力变压器电场计算的国内外研究现状与趋势 PAGEREF _Toc327866790 h 2 HYPERLINK l _Toc327866791 1.3 课题的主要研究目的及其意义 PAGEREF _Toc327866791 h 3 HYPERLINK l _Toc327866792 1.4 课题的主要研究内容 PAGEREF _Toc327866792 h 4 HYPERLINK l _Toc327866793 第2章 高压上夹件肢板区域电场计算及优化 PAGE

13、REF _Toc327866793 h 5 HYPERLINK l _Toc327866794 2.1 有限元法 PAGEREF _Toc327866794 h 5 HYPERLINK l _Toc327866795 2.1.1 有限元法的基本原理 PAGEREF _Toc327866795 h 6 HYPERLINK l _Toc327866796 2.1.2 有限元法求解过程 PAGEREF _Toc327866796 h 6 HYPERLINK l _Toc327866797 2.1.3 二维电场有限元解法 PAGEREF _Toc327866797 h 6 HYPERLINK l _T

14、oc327866798 2.2 ANSOFT有限元分析软件 PAGEREF _Toc327866798 h 7 HYPERLINK l _Toc327866799 2.3 应用ANSOFT计算肢板区域二维电场 PAGEREF _Toc327866799 h 7 HYPERLINK l _Toc327866800 2.3.1 肢板区域电场有限元分析过程 PAGEREF _Toc327866800 h 7 HYPERLINK l _Toc327866801 2.3.2 结果后分析处理 PAGEREF _Toc327866801 h 10 HYPERLINK l _Toc327866802 2.3.

15、3 无覆盖肢板表面电场分析 PAGEREF _Toc327866802 h 10 HYPERLINK l _Toc327866803 2.3.4 不同厚度的绝缘纸板覆盖肢板表面电场分析及其影响 PAGEREF _Toc327866803 h 12 HYPERLINK l _Toc327866804 2.4 本章小结 PAGEREF _Toc327866804 h 13 HYPERLINK l _Toc327866805 第3章 裸电极和覆盖不同厚度纸板的电极的局部放电实验 PAGEREF _Toc327866805 h 14 HYPERLINK l _Toc327866806 3.1 局部放电

16、的原理及其危害 PAGEREF _Toc327866806 h 14 HYPERLINK l _Toc327866807 3.2 局部放电的目的及其意义 PAGEREF _Toc327866807 h 14 HYPERLINK l _Toc327866808 3.2.1 局部放电实验的目的 PAGEREF _Toc327866808 h 14 HYPERLINK l _Toc327866809 3.2.2 局部放电实验的意义 PAGEREF _Toc327866809 h 15 HYPERLINK l _Toc327866810 3.3 裸电极和覆盖不同厚度绝缘纸板的电极的局部放电实验 PAG

17、EREF _Toc327866810 h 15 HYPERLINK l _Toc327866811 3.3.1 局部放电的实验设备及其参数 PAGEREF _Toc327866811 h 15 HYPERLINK l _Toc327866812 3.3.2 局部放电的实验步骤 PAGEREF _Toc327866812 h 16 HYPERLINK l _Toc327866813 3.3.3 变压器油中裸电极局部放电实验数据及其电场分析 PAGEREF _Toc327866813 h 17 HYPERLINK l _Toc327866814 3.4.4 不同厚度绝缘纸板局部放电实验数据及其电场

18、分析 PAGEREF _Toc327866814 h 18 HYPERLINK l _Toc327866815 3.4 肢板区域的绝缘结构改进 PAGEREF _Toc327866815 h 20 HYPERLINK l _Toc327866816 3.5 本章小结 PAGEREF _Toc327866816 h 21 HYPERLINK l _Toc327866817 结论 PAGEREF _Toc327866817 h 22 HYPERLINK l _Toc327866818 致谢 PAGEREF _Toc327866818 h 23 HYPERLINK l _Toc327866819 参

19、考文献 PAGEREF _Toc327866819 h 24 HYPERLINK l _Toc327866820 附录A PAGEREF _Toc327866820 h 26 HYPERLINK l _Toc327866820 附录B30第1章 绪论1.1 电力变压器的背景和发展情况电力变压器是电力网中的主要电力设备，在电力系统中起到改变电压等级的作用1。电力变压器的应用非常广泛，无论是在发电厂、输变电网络、还是变电站中，都可以看到很多的电力变压器。随着城市现代化建设进程的不断提高，电力变压器的发展速度迅猛，容量从最初的1.4kVA急剧增加至目前的1000MVA以上，电压等级也从最开始的10k

20、V提高到今天的1500kV以上2,3。相关专家经过对电力变压器绝缘材料、机械结构等方面的研究分析后预测，电力变压器的极限电压等级和容量分别约为2000kV和5000MVA4,5。综上所述，电力变压器在未来还有非常大的发展空间，研究人员对电力变压器的研究分析工作也会愈来愈深入。 电力变压器的绝缘问题是制约变压器电压等级和容量的关键因素，绝缘结构设计的优劣不仅限制了变压器的容量，而且对变压器的安全可靠运行及经济性具有重要意义6。只有经过准确的理论计算、数值分析和合理的试验技术，才能设计出合理的绝缘结构7。合理的绝缘结构不仅要保证电气和机械强度，同时还要综合考虑经济性8。变压器电场分析是绝缘结构设计

21、和优化的基础，设计前应分析出变压器在各种过电压作用下内部电场的分布，根据变压器各部位的电场分布情况找出电场强度的最大值及出现的位置，也就是绝缘结构最薄弱的地方，计算其绝缘裕度，从而指导变压器的绝缘结构设计，减少变压器因绝缘问题引发的故障，提高了变压器的使用年限9。1.2 电力变压器电场计算的国内外研究现状与趋势数值计算法是以电磁场理论为基础利用数值分析技术对复杂电场问题进行分析的一种方法，相比其他方法，数值计算法具有计算精度高、方法优越、适用模型范围广等优点10。电力变压器内部绝缘结构由固体和液体两种绝缘材料组成，电场分布复杂，本文分析变压器内部电场采用有限元法。 德国研究员Amir.M.Mi

22、ri等人采用有限元法对超高压电力变压器绕组瞬态电场进行了详细分析，取得了与实验相接近的仿真结果，找出了整个绕组结构中绝缘结构最薄弱的环节11；ABB公司技术研发工程师Zoran Andjelic等人对发电机变压器的分接开关和高压引线处的三维电场做了分析计算，得到了比较理想的计算结果12；T.Hikosaka等人采用解析法对绕组内部油隙进行了分析，得到了击穿场强与油隙长度之间的关系式是，且误差为6%13 ；Alireza Khaligh等人分别对变压器在遭受冲击电压和工频电压下的电场分布做了分析， 为今后新型变压器的研制分析工作提供了方法和依据14；在套管电场分析方面，D.J.Smith等人利用

23、有限元法对变压器油纸套管内部存在气隙情况下的电场和电压分布做了研究，并得到了电场分布与气隙大小和位置的关系曲线15；S.Monga等人利用二维电场分析方法对高压套管进行了优化处理，提出了更经济合理的设计结构16。 国内对于变压器电场方面的研究工作也取得了很大的进展，西安交通大学的谢恒坤等人通过改变垫块长度对变压器端部绝缘结构进行了改进，避免了油隙的出现17；高丹采用有限元法对电力变压器新型主绝缘结构进行了研究，通过对10kV、35kV、110kV新型结构的电场进行分析，缩小了主空道距离，达到了降低变压器成本的目的18；沈阳工业大学的刘建军利用ANSOFT软件分别对变压器高、低压绕组上端部、下端

24、部和中部电场三个区域进行了二维计算，确定了三个不同区域电场强度最大值出现的位置，并指出，高低压绕组之间的中部绝缘裕度最小，应是重点考核的部位19；常州西电变压器厂提出一种变压器端部电场的实用算法，与传统方法相比较缩小了绝缘尺寸，降低了变压器制造成本20；哈尔滨变压器厂的韦殿平通过对220kV电力变压器端部绝缘传统与现行结构中电场的比较，确定现行绝缘结构的合理性21；罗青林对1000kV变压器首端出线的三种不同方式做了三维电场分析，提出小角度的出线方案22；河北工业大学的吕殿利等人利用电场三维分析和二维分析方法分别对一台1000kV变压器绕组部分绝缘结构进行了核算，验证了其合理性，并为绝缘结构设

25、计及优化提供了依据23。1.3 课题的主要研究目的及其意义完成本课题后，通过对肢板附近场强的分析来探究在其表面覆盖绝缘层是否可以改善电场分布，并进一步探究不同厚度的绝缘纸板对其场强的影响，用以实现对变压器端部肢板区域绝缘结构的改进，防止变压器端部绝缘结构受到损坏，提高了变压器安全可靠性和使用寿命。 对于高压引线肢板区域，本文通过ANSOFT软件对高压上夹件肢板区域模型进行电场二维数值分析，得到了比较准确的仿真结果，并以电场二维分析方法为基础，对肢板区域绝缘结构进行了改进，提出了在肢板表面覆盖绝缘层的方法，该方法的提出为超高压及特高压电力变压器绝缘结构设计提供了参考。 本文最后在结合应用ANSO

26、FT软件对肢板区域电场的二维分析结果和在实验室做的浸在变压器油中裸电极和被绝缘纸板覆盖后电极局部放电的实验结果基础上，得出覆盖绝缘层可以降低肢板附近场强。这对于降低变压器制造成本具有实际意义。1.4 课题的主要研究内容(1)主要研究电力变压器端部绝缘结构高压上夹件肢板区域电场分布情况。并简述了高压静电场数值计算方法和有限元法的基本原理，并介绍电场的有限元分析法。同时，对基于有限元的ANSOFT软件，从建模、网格剖分、加载、计算和后处理等几个方面进行详细介绍。应用ANSOFT软件对夹件肢板区域进行电场二维分析，又对覆盖不同厚度的绝缘层的肢板区域进行电场二维分析，得出电场分布云图，对云图进行对比分

27、析，提出优化电场分布方法结构方式，为变压器端部肢板区域绝缘结构设计提供理论依据。(2) 通过对浸在变压器油中的裸电极和被不同厚度的绝缘纸板（1mm、2mm、3mm）覆盖的电极进行局部放电实验，根据局放观测到的放电图谱，最大放电量来进行分析，进而借助实验数据来分析在肢板上覆盖绝缘层对改善肢板附近场强是否有作用，覆盖多少厚度的绝缘层最为理想，为变压器端部肢板绝区域缘结构设计提供实验依据。(3) 结合ANSOFT软件对高压上夹件肢板区域模型电场二维分析结果与浸在变压器油中的裸电极和被不同厚度绝缘纸板覆盖的电极在局部放电实验室实验观测到的放电图谱、最大放电量得出的分析结果，分析了高压上夹件肢板区域电场

28、分布的特点，提出了肢板区域绝缘结构的改进方案。 第2章 高压上夹件肢板区域电场计算及优化2.1 有限元法高压静电场分析是高电压绝缘技术的一个重要方面。电气设备的绝缘在高电压作用下可能会发生击穿破坏，更确切地说造成绝缘介质击穿的原因是高电压作用下在绝缘中形成的强电场。研究和改善高电压设备中的电场分布情况是高电压技术的重要任务之一24。一般电气设备在任一瞬间的电场都可以近似地认为是稳定的，可以按静电场来分析。研究静电场分布的规律，常常希望能够定量计算绝缘各部位的电位和电场强度。但是由于电极形状、介质分布（场域的边界条件）比较复杂，计算常会遇到很多困难，除了极少数简单几何形状的电极和介质分布外，一般

29、很难用解析计算方法求解，甚至不可能求解。工程上常常用近似方法，简化电极形状，来估算场域中某部分的解（主要是最大场强值）。近些年来由于计算技术的发展，计算机的普遍使用，静电场数值计算方法得到了广泛应用，一些边界比较复杂的静电场问题也都获得比较满意的数值解。静电场数值计算中常用的方法是有限差分法、有限元法和模拟电荷法。有限差分法是以差分原理为基础的一种电场数值计算方法，通过用各离散节点上电位函数的差商来近似代替泊松方程中的偏导数，从而得到一组差分方程。这样，求解泊松方程就转化为求代数方程组的解，求解连续的电位函数转变为求有限数量节点上的电位值，从而近似地得到电场的空间分布。有限元法是以变分原理为基

30、础，吸取差分格式思想而发展起来的一种数值计算方法。静电场的能量可表示为待定电位函数及其导数的积分式，对积分区域（即求解场域）D，依照差分法的离散化方法，将它划分为有限个子区域（称为单元）e。然后利用这些离散的单元，使静电场能量近似地表示为有限个节点电位的函数。这样，求静电场能量极值的变分问题就简化为多元函数的极值问题，而后者通常归结为一组多元线性代数方程有限元方程。最后结合方程组的具体特征，利用适当的代数方程，求得各节点电位，就实现了变分问题的离散解。模拟电荷法是将空间连续分布的电荷以有限数量的、布置在一定几何位置上的离散电荷来等效代替，然后根据迭加原理，由这些离散电荷来计算场域的电位分布和电

31、场强度，符合所给边界条件。据此，就可写出以这些模拟电荷的电量为未知数的线性代数方程组。在求解得到这些模拟电荷的电量以后，如上所述，就可求得场域的电位和场强分布。从原理上讲，对同一静电场问题，这几种方法都可使用，从实用角度出发，由于各种数值计算方法都有其各自的优缺点，因此在求解静电场问题时要选择合适的计算方法。三种方法在处理简单模型时相差不多，但当模型较为复杂时，有限差分法已基本不适用。模拟电荷法与有限元法在实际使用中各有利弊，有限元法虽然在电场强度计算上与实际值有一定偏差，但可以通过细化网格减小误差；而模拟电荷法虽然准确度高，三维模型计算中需要存储量小等优点，但其适用范围比较小，对于介质种类多

32、，具有较多过小曲率半径的边界的系统等，用模拟电荷法来计算就比较麻烦，甚至不可能。2.1.1 有限元法的基本原理有限元法（Finite Element Method）是求解数学和物理问题的一种数值计算方法，吸取了差分法对求解域进行离散处理的启示，又继承了变分法选择试探函数的合理方法。从实质上看，有限元法与变分法是等效的，多数有限元方程都是利用变分原理来建立的。但由于有限元法采用了离散处理，所以它的计算更为简单，处理的问题也更为复杂，因而具有更广泛的实用价值25。2.1.2 有限元法求解过程以变分原理为基础的有限元法在求解电场问题时，其过程大致如下：(1) 建立问题的变分表述：从待解的电场边值问题

33、出发，利用变分原理把问题转化为等价的变分问题，即能量泛函的极值问题。(2) 单元剖分：将求解区域剖分成一系列子区域，即单元。(3) 选择分片插值函数：选择分片光滑的插值函数去逼近整个求解域内光滑的电势函数。(4) 对变分问题离散化：把电势的插值函数代入能量泛函，对变分问题进行离散化，得到以 n 个节点电势为未知数的 n 阶联立代数方程组。(5) 求解代数方程组：用强加边界条件修改方程组，然后求解修改后的方程组，得到各个节点的电势近似解，并由此算出各个单元和节点的电场强度。(6) 结果分析。2.1.3 二维电场有限元解法(1) 单元剖分对于二维电场问题，最常用的单元是具有三个节点的三角形单元。这

34、种单元的优点是，它的组合很容易逼近任何形状的二维区域；由于这种单元具有三个自由度，其插值函数为 x, y 的线性函数，所以比较简单，并在多数情况下能够满足工程问题的精度要求。因此，本课题二维电场有限元分析使用三角形单元来进行单元剖分。(2) 二维电场的标量位表述高压套管的电场分布为轴对称结构，其电场的求解，可归结为二维轴对称静电场的边值问题，其电位的拉普拉斯方程可为边界条件为第一类和第二类条件2.2 ANSOFT有限元分析软件目前用于有限元分析的商用软件种类很多，在电磁场分析方面比较流行的软件有ANSYS 和ANSOFT。本文在进行电场分析时采用ANSOFT公司开发的ANSOFT M AXWE

35、LL作为分析软件，大大的提高了工作效率26。利用ANSOFT 进行电场分析的流程图如图2-1 所示。图2-1 ANSOFT计算流程图2.3 应用ANSOFT计算肢板区域二维电场2.3.1 肢板区域电场有限元分析过程（1）建立有限元分析模型 第一步 打开Maxwell程序的主窗口，如图2-2所示。 图 2-2 Maxwell 软件主界面 第二步 在主界面工具菜单栏中点击图标，即生成一个Maxwell2D 工程文件。但是软件默认的求解器是静磁场求解器，而默认的求解坐标系为笛卡尔坐标系，所以需要更改求解器（静电场求解器）和坐标系（Z坐标系）。可以在菜单栏中点击Maxwell2D，在菜单中选择Solu

36、tion Type 选项，软件会弹出求解器和坐标系选择对话框，如图2-3 所示。图2-3 求解器和坐标系选择界面第三步 接下来进行模型绘制，通过ANSOFT软件的强大绘制功能，整个模型绘制完毕后的效果如图2-4所示。图2-4 完整的肢板区域模型（2）通用设置定义材料属性，肢板选用系统自带的steel属性，因为其与地接触，故直接给定电压0V；引线选用系统自带的copper属性； 引线的外层绝缘外皮的材料是电缆纸，其相对介电常数为3.5；因为整个模型需要全部浸在变压器油中，所以整个场域的相对介电常数为2.2。将Setup选项的允许误差设置为较高水平，以便得到高精度的计算结果。为了将计算结果与其他区

37、域相比较，将每次迭代网格增加的百分比调小，从而使理论与实验结果相接近。（3）剖分网格二维网格单元类型用的是平面体结构。由于剖分模型比较简单，可以直接按统一标准进行划分。在弹出的网格划分规则中设定的最大边长为78mm，并且由多个三角形剖分单元组成。（4）加载及求解工频耐压试验室检验变压器主绝缘耐压水平的重要实验。在本模型中，肢板部分由于接地，默认为0V电压；而引线接试验电压395kV。由于整个区域浸在变压器油里，属于第二类边界条件，系统自动满足。设置完成后，利用ANSOFT软件的分析自检功能进行检查，无误后开始电场计算求解。剖分图如2-5所示。图2-5 整体模型的剖分组2.3.2 结果后分析处理

38、完成求解后，进入软件的后处理模块查看结果。肢板区域的电场分布云图如图2-6所示。 图2-6电场分布云图2.3.3 无覆盖肢板表面电场分析在图2-6中，从左侧的电场数值和色彩对照表中可以基本看出，引线附近场强分布不均匀，场强主要集中在引线和第二块肢板之间，而肢板附近的最大场强出现在第二块肢板顶端，其值为4.0594kV/mm，很容易从此处开始电晕和局部放电。同时引线与第二块肢板之间电场也很强，变压器油易被击穿。为适应工作电压的提高，必须改善肢板附近的电场。下面采取尝试在肢板表面覆盖绝缘纸板的方法来探究肢板附近场强变化情况，并进一步探究覆盖不同厚度纸板时其场强变化情况。可是由于本文使用ANSOFT

39、进行电场的二维分析，不能很好地区分不同厚度的绝缘纸板覆盖肢板后肢板附近的场强的大小情况，为了能够分析覆盖了不同厚度的绝缘纸板后肢板附近场强变化情况，将引线与肢板附近场强最大位置连接成的直线做纵向剖分建立肢板区域模型再进行电场计算，这样更利于课题的研究与分析。改动后的模型如图2-7所示。图2-7 改动后无绝缘层覆盖肢板模型对改动后的模型进行电场分析，得到电场分布云图如图2-8所示。图2-8 改动后无绝缘层覆盖肢板电场分布云图在图2-8中，从左侧的电场数值和色彩对照表中可以基本看出，肢板附近场强分布不均匀，主要集中在肢板顶端，最大场强为10.5530kV/mm，场强由肢板顶端向外逐渐降低，为了改善

40、其场强，适应工作电压的提高，下面对在肢板表面覆盖不同厚度的绝缘层进行探究其场强变化情况。2.3.4 不同厚度的绝缘纸板覆盖肢板表面的电场分析及其影响随着外施电压的升高，引线和肢板间的场强也增大，为改善肢板和引线间电场分布不均，可以在肢板上覆盖绝缘纸板，降低肢板附近场强。覆盖绝缘纸板方法简单，易于实现。设置绝缘纸板介电常数为4.1，通过ANSOFT软件分别模拟纸板厚度为1mm、2mm、3mm时电场的分布情况，如图2-9，2-10，2-11所示。图2-9 1mm绝缘层覆盖肢板电场分布云图图2-10 2mm绝缘层覆盖肢板电场分布云图图2-11 3mm绝缘层覆盖肢板电场分布云图由云图及计算结果分析，不

41、覆盖绝缘纸板时肢板附近最高场强为10.5530kV/mm；当纸板厚度为1mm时，最高场强为14.2310kV/mm；当纸板厚度为2mm时，最高场强为10.3350kV/mm；当纸板厚度为3mm时，最高场强为9.8465kV/mm；因此可得出肢板上覆盖绝缘纸板方法可降低肢板附近的最高场强。尤其当覆盖的绝缘纸板厚度为3mm时，对电场的改善最理想，这为今后变压器端部绝缘结构设计提供了坚实的理论基础。2.4 本章小结本章主要介绍了电场有限元分析的基本原理、求解过程及二维电场的有限元解法。在此基础上，通过ANSOFT软件，对变压器高压上夹件肢板区域的电场进行了二维数值分析，得到了该区域电场分布云图。经电

42、场的数值分析，引线和肢板间场强分布不均匀，为了改善肢板区域的电场采取在肢板表面覆盖绝缘层的方法，并且分别对绝缘厚度分别为1mm、2mm、3mm的情况进行了研究，得到当绝缘厚度为2mm和3mm时，肢板附近电场强度得以下降。从计算结果中可以看出，通过外加覆盖层，肢板表附近最大场强降低，可见绝缘层的作用还是比较明显的。综合经济性考虑，覆盖层厚度选3mm最佳。此种方法的提出为超高压及特高压电力变压器绝缘结构的设计提供了依据和参考。因此，在设计时对肢板区域的场强不均匀应予冲充分考虑，此分析程为变压器端部绝缘结构设计提供了方法和依据。而变压器局部放电测量作为一种检查变压器内部绝缘由于场强集中或其他原因造成

43、电场畸变或局部场强过高而引起的油中或绝缘中放电的有效手段，已逐渐被人们认可。也为我们接下来通过做浸在变压器油中的裸电极和被不同厚度的绝缘纸板覆盖的电极的局部放电实验来进行肢板区域的二维电场分析做理论基础。第3章 裸电极和覆盖不同厚度纸板的电极的局部放电实验3.1 局部放电的原理及其危害局部放电是指发生在电极之间但并未贯穿电极的放电，它是由于设备绝缘内部存在弱点或生产过程中造成的缺陷，在高电场强度作用下发生重复击穿和熄灭的现象。它表现为绝缘内气体的击穿、小范围内固体或液体介质的局部击穿或属表面的边缘及尖角部位场强集中引起局部击穿放电等。但若电器设备绝缘在运行电压下不断出现局部放电，这些微弱的放电

44、将产生累积效应会使绝缘的介电性能逐渐劣化并使局部缺陷扩大，最后导致整个绝缘击穿。电力设备的绝缘事故中，很多是变压器局部放电造成的。所以局部放电具有潜在的危害。变压器局部放电绝大多数是在高电压高电场部位产生，可以根据局放观测到的放电图谱、放电的起始电压和熄灭电压放电量随时间的变化这些特征来判断场强大小。可以使用电气定位法判断产生局部放电的电气位置。局部放电与固体介质表面的电场分布有很大关系，而变压器局部放电现象，主要指电力设备绝缘在足够强的电场作用下局部范围内发生的放电。这种放电以仅造成导体间的绝缘局部短（路桥）接而不形成导电通道为限。每一次局部放电对绝缘介质都会有一些影响，轻微的局部放电对电力

45、设备绝缘的影响较小，绝缘强度的下降较慢；而强烈的局部放电，则会使绝缘强度很快下降。这是使高压电力设备绝缘损坏的一个重要因素。因此，设计高压电力设备绝缘时，要考虑在长期工作电压的作用下，不允许绝缘结构内发生较强烈的局部放电。对运行中的设备要加强监测，当局部放电超过一定程度时，应将设备退出运行，进行检修或更换。 3.2 局部放电的目的及其意义3.2.1 局部放电实验的目的电力变压器主要采用油-纸屏障绝缘，这种绝缘由电工纸层和绝缘油交错组成。由于大型变压器结构复杂、绝缘很不均匀。当设计不当，造成局部场强过高，工艺不良或外界原因等因素，造成内部缺陷时，在变压器内必然会产生局部放电，并逐渐发展，最后造成

46、变压器损坏。电力变压器内部局部放电主要以下面几种情况出现： （1）绕组中部油-纸屏障绝缘中油通道击穿； （2）绕组端部油通道击穿； （3）紧靠着绝缘导线和电工纸(引线绝缘、搭接绝缘、相间绝缘)的油间隙击穿； （4）线圈间(匝间、饼间)纵绝缘油通道击穿； （5）绝缘纸板围屏等的树枝放电； （6）其他固体绝缘的爬电； （7）绝缘中渗入的其他金属异物放电等。 本文主要研究的是电力变压器端部高压上夹件肢板区域的电场分布，并且进一步分析随着外施工作电压的升高在肢板表面覆盖绝缘层的方法可以来改善肢板附近的场强。因此需要我们对浸在变压器油中的裸电极和覆盖不同厚度绝缘纸板的电极进行局部放电实验，来验证覆盖绝缘

47、层的方法是否对肢板附近场强改善有效果。3.2.2 局部放电实验的意义用传统的绝缘实验方法很难发现局部放电缺陷，并且1min交流耐压实验还会损伤绝缘，影响设备以后的运行性能。随着电压等级提高，这个问题更为严重。我国近年来110kV以上的大型变压器事故中50%是属正常运行下发生匝或段间短路，造成突发事故，原因也是局部放电所致。因此，测试变压器端部绝缘结构肢板区域的局部放电是目前预防变压器故障的一种好方法。3.3 裸电极和覆盖不同厚度绝缘纸板的电极的局部放电实验 3.3.1 局部放电的实验设备及其参数本文是对浸在变压器油中裸电极和被绝缘纸板覆盖的电极做局部放电实验，进而以实验结果进行肢板区域的电场分

48、析来对其附近场强加以改善。实验所用的实验设备是一台JFD2B局部放电检测系统，还有一部校准脉冲发生器。局部放电实验原理图如图3-1所示。图3-1 局部放电控制原理图图中Cx试样；Ck耦合电容器；Z0检测阻抗；Cq分度电容；T试验变压器；设备采用的检测方法是脉冲电流法。试样产生一次局部放电时，试品Cx 两端产生一个瞬时变化，经过一耦合电容Ck 耦合到检测阻抗Z，回路中会产生一脉冲电流I, 将此脉冲电流经检测阻抗产生脉冲电压进行采集、放大和显示处理，就可测定局部放电的视在放电量等参数。先用已知瞬变电荷量q=Cq Uq (Cq 为校准电容，Uq 为校准电压)注入试样两端，在设备上将以此作为测量时的基

49、准值并存储。另外实验所用的测试电极是铁制圆柱形平板电极，上面板面直径是25mm，下面板面直径是50mm。测试电极如图3-2所示。图3-2 实验用平板电极3.3.2 局部放电的实验步骤局部放电的实验步骤：1.接好测试回路，将测试电极放入盛有纯净变压器油的缸中（电极间距离已经调为11mm），把接地线连接好，接上校准脉冲发生器，开动局部放电检测设备。2.根据要求注入校准脉冲，按F8 键弹出灰色窗口，按Y 键，系统开始校准，通过“”键和“”键使放电量表色柱指示在70-90 格范围内，当放电量表色柱高度稳定时，按“Esc”键记录色柱高度。3.取下校准脉冲发生器，按F2 键测量系统进入局部放电测量模块。开

50、动试验变压器，逐渐开高电压直到显示器上看到放电波形时，记下这时的试验电压即为起始放电电压。4.继续升高电压到11kV电压，采用一分钟读数法进行测量，记下这个时间段的最大放电量。5.调换绝缘纸板1mm、2mm、3mm（这些绝缘纸板实验前已经在变压器油里浸泡24个小时）。分别将不同厚度的绝缘纸板放在平板电极上面，重复3、4、5 步骤，并观察放电波形，记录下放电图谱。6.每一试样测量完毕必须将电压退回到零，切除高压电源，调换绝缘纸板前必须对式样进行放电。 3.3.3 变压器油中裸电极局部放电实验数据及其电场分析 实验首先对浸在变压器油中裸电极进行了局部放电实验，在检测仪上得到了裸电极时的放电图谱。如

51、图3-3所示。 图 3-3 浸在变压器油中裸电极局部放电的放电图谱 通过上面放电图谱可以得到：放电相位为一、三象限，并且在外施电压为11.0kV时，裸电极的平均放电量为15pc，最大放电量为21.6pc。3.4.4 不同厚度绝缘纸板局部放电实验数据及其电场分析（1）当绝缘纸板的厚度为1mm时，局部放电图谱如图3-4所示。 图3-4 覆盖1mm绝缘纸板电极局部放电的放电图谱通过上面放电图谱可以得到：放电相位为一、三象限，并且在外施电压为11.0kV时，被1mm绝缘纸板覆盖的电极的平均放电量为12pc，最大放电量为20.7pc。（2）当绝缘纸板的厚度为2mm时，电极局部放电图谱如下图3-5所示。

52、图3-5 覆盖2mm绝缘纸板电极局部放电的放电图谱通过上面放电图谱可以得到：放电相位为一、三象限，并且在外施电压为11.0kV时，被2mm绝缘纸板覆盖的电极的平均放电量为11.4pc，最大放电量为26.8pc。（3）当绝缘纸板的厚度为3mm时，电极局部放电图谱如下图3-6所示。 图 3-6 覆盖3mm绝缘纸板电极局部放电的放电图谱通过上面放电图谱可以得到：放电相位为一、三象限，并且在外施电压为11.0kV时，被3mm绝缘纸板覆盖的电极的平均放电量为10pc，最大放电量为29.3pc。3.4 肢板区域的绝缘结构改进为了降低肢板附近最大场强，本文选择在肢板表面覆盖绝缘层的方法，绝缘层能够承担一定比

53、例的电压，从而使油中电场强度降低。而覆盖绝缘层的材料是绝缘纸板，其相对介电常数为4.1。采用电场二维的分析方法对绝缘层厚度分别为1mm、2mm和3mm是的电场进行分析计算，电场强度最大值列于表3-1中，出现位置与不加覆盖层相同。 表3-1 局部放电试验数据类别类别覆盖 层无覆盖层（变压器油）覆盖1mm绝缘纸板覆盖2mm绝缘纸板覆盖3mm绝缘纸板外施电压（kV）11.0 11.0 11011.0最大放电量（pc） 21.6 20.7 268 19.3从计算结果中可以看出，通过在电极表面加覆盖层，电极局部放电最大放电量有所降低。当绝缘层厚度为1mm、3mm时分别降低了原来的4.2%和10.6%。而

54、当覆盖层厚度为2mm时，绝缘层表面场强最大值与没有覆盖时相比最大放电量反而增加，这可能是因为实验所用的覆盖层有所缺陷导致结果偏差很大，可以舍去。由绝缘层厚度为1mm、3mm时的结果分析可见绝缘层的作用还是比较明显的。综合经济性考虑，当覆盖层厚度为3mm时，最大放电量最低，所以覆盖层厚度选3mm最佳。此种方法的提出为超高压及特高压电力变压器绝缘结构的设计提供了依据和参考。3.5 本章小结本章系统的阐述了局部放电的原理，危害和做局部放电实验的目的和意义。并且对浸在变压器油中裸电极和被不同厚度绝缘纸板（1mm、2mm、3mm）覆盖的电极进行局部放电实验，得出放电图谱、最大放电量。通过对有无绝缘层覆盖

55、电极的最大放电量相比，得到了当绝缘层厚度为1mm、2mm时最大放电量有所降低，特别是当绝缘层厚度为3mm时降低较为明显。因此，在设计时对肢板区域场强不均匀应予冲充分考虑，此分析程为变压器端部绝缘结构设计提供了方法和依据。结论本文对几种常用静电场数值计算方法进行了比较分析，最后采用了有限元法。应用ANSOFT软件对高压上夹件肢板区域进行了电场计算和分析，随后又在局部放电实验室进行了浸在变压器油中裸电极和被不同厚度的绝缘纸板覆盖的电极的局部放电实验，根据理论结果和实验结果对变压器端部肢板结构进行了改进，从而在一定程度上改善了肢板附近场强过大的问题，本文主要得出如下结论：(1)通过软件模拟验证了肢板

56、和引线间的电场分布不均匀，并且在肢板区域电场主要集中在肢板顶端。随后对肢板绝缘设计进行了分析，提出降低肢板附近电场强度的方法，即在肢板上覆盖绝缘纸板材料。因此对肢板区域模型进行适当改进，并进行了二维有限元计算得出电场分布云图，然后又通过改变不同纸板厚度来进一步分析其对场强的影响。经软件仿真计算分析证明，当绝缘层厚度为2mm、3mm时，与无覆盖的肢板相比，其最大场强都有所降低，特别是当绝缘层厚度为3mm时最大场强降低较为明显，因此理论上得出在肢板上覆盖绝缘层可以降低其附近场强。(2)通过对浸在变压器油中的裸电极和被同厚度的绝缘纸板覆盖的电极进行局部放电实验，得出放电图谱、最大放电量。经实验结果分

57、析证明，当绝缘层厚度为1mm、3mm时，与无绝缘层覆盖的电极相比，其最大放电量都有所降低，特别当绝缘层厚度为3mm时最大放电量降低较为明显，降了原来的10.6%，因此实验上得出在电极上覆盖绝缘层可以降低其最大放电量，在实际上也就相当于降低了变压器肢板区域场强。(3)结合ANSOFT软件分析的理论数据与实验室的实验数据对高压上夹件肢板区域电场分析得出：通过覆盖绝缘层可以起到改善肢板附近场强的问题，并且当绝缘层厚度为3mm时改善效果最佳。另外本文给出了肢板区域的电场分布图，通过二维的分析方法获得分析结果。并在电场分析结果的基础上，再经过局部放电实验验证，讨论了不同厚度的绝缘纸板对于肢板附近场强的影

58、响，以此来对该区域绝缘结构进行改进，为超高压电力变压器绝缘结构设计提供方法和依据。致谢历时将近两个多月的时间终于将这篇论文写完，在论文的写作过程中遇到了很多困难和障碍，在老师和同学的帮助下解决了。尤其要强烈感谢我的论文指导老师张沛红教授。我的选题及研究过程都是在张沛红教授的悉心指导下完成的。张老师从一开始的论文方向的选定，到最后的整篇论文的完成，都非常耐心和细心的对我进行了全方面指导。给我诸多宝贵的建议，告诉我应该注意的细节问题，细心的给我指出错误地方。多次询问研究过程，并为我指点迷津，帮我开拓思路、精心点拨、热忱鼓励，使得我的论文如期完成。张老师平日里工作繁多，但我做毕业设计的每个阶段，从选

59、题到查阅资料，论文提纲的确定，中期论文的修改，后期论文格式调整等各个环节都给予了我悉心的指导。感谢这篇论文所涉及的各位学者。本文引用了数位学者的研究文献，如果没有各位学者的研究成果的帮助和启发，我将很难完成本论文的写作。课题研究过程中得到了哈尔滨变压器有限责任公司董振华高级工程师在实验工具制作方面的大力支持，在此表示衷心的感谢！ 最后感谢培养教育我的哈尔滨理工大学各位老师，尤其是陈婷老师和韩永森老师在做变压器局部放电实验中给与我极大的帮助。还有哈尔滨理工大学给予了我浓厚的学术气氛，使我的大学四年学习生活非常充实，不但教会了我很多专业的知识，更教会了我做人的道理。在此，我谨向以上人士表达我万分的

60、感谢，并在以后的生活中继续努力的学习，不辜负师长的期望。参考文献1 Muhammad Arshad，Syed M. IslamPower Transformer Aging and Life ExtensionC8th International Conference on Probabilistic Methods Applied to Power Systems，2004：498-501 2 R.E.James，Q.SuCondition assessment of high voltage in power system equipmentMLondon： IET Power and E