10kV大容量变压器的绝缘设计

10kV大容量变压器的绝缘设计

李光

(泰安众诚自动化设备股份有限公司泰安市271000)

摘要：变压器理论属于电机学，因为看似静止的变压器设施，其实在运作中能促使电磁能量间的转化和传送，也正是由于其特质，被广泛应用在各行各业中。本文就将从10kV大容量变压器的绝缘设计入手，详细探讨有关的设计内容，希望能为今后的实际工作提供参考资料。

关键词：10kV变压器；绝缘设计；局部放电

10kV变压器应用十分广泛，是各种电子产品中极其重要的部件，其质量的好坏直接影响电子设备的可靠性。而变压器的绝缘水平又是保证变压器安全、稳定、可靠运行的关键所在，所以变压器的绝缘设计显得尤为重要。在进行绝缘设计时必须结合变压器的应用技术标准、环境、性能指标和工作状态，对不同参数的变压器采用不同的绝缘结构及工艺方法，以求达到所需的绝缘性能。如何保证变压器的绝缘性能达到要求，现做如下分析。

一、10kV大容量变压器绝缘设计需考虑的因素

1．1绝缘电阻

绝缘电阻主要检查变压器绝缘系统的局部缺陷和普遍缺陷缺陷，是验证变压器绝缘在常态、热态、高温和潮湿等环境条件下绝缘可靠性程度的一个重要技术指标，也是决定变压器抗电强度试验的主要参考依据。

1．2抗电强度

抗电强度是考验变压器绝缘系统承受暂态过电压冲击能力和绝缘系统是否存在潜在缺陷的关键技术指标。为了证明变压器的设计、选材和制造工艺的可靠性，必须要进行的主绝缘可靠性试验。

1．3局部放电

局部放电是变压器线圈、绝缘内部或表面两电极间空气在强电场作用下，发生的局部、非贯穿性的放电。局放可使变压器绝缘材料的电气性能和机械性能下降，是导致绝缘材料老化的主要原因，将直接影响着变压器的安全运行和寿命。因此在设计时，应从绝缘结构设计上采取相应措施，不允许绝缘结构内发生较强烈的局部放电。

1．4热老化和热寿命

热老化和热寿命是考核变压器绝缘材料在变压器工作温度特性作用下，其绝缘、防潮、机械等性能下降直到失效这一过程的重要性能指标。为了减缓绝缘材料的热老化进程，使变压器绝缘有足够的热寿命，必须按变压器工作温度来选择绝缘材料的耐热等级。

二、10kV大容量变压器的绝缘设计

2．1高压绕组的绝缘结构

(1)绕制绝缘。由于变压器的高电压或高电位的要求，绕组宜采用心式、单线包结构形式。绕制时，采用分段(正、反)绕制，首尾相连的方法，以达到降低层间和组间的电压，合理减少绝缘(如厚度)以达到减小变压器体积的目的。

(2)出头与绝缘。绕组出头的绝缘距离，应根据绕组工作电压、邻近出头之间的电位差及变压器的工作环境确定。如果出头按常规排列状态不能满足绝缘要求时，可采用加强绝缘、翻头、焊片打弯、高压电缆、沉孔灌注(螺母)和加隔墙(板)等方式改变出头位置，增强出头的绝缘性能，加大电距离，达到有效防止爬电或飞弧的目的。

2．2采用环氧树脂的绝缘设计

环氧树脂不仅具有良好的电气性能、机械性能和工艺性能，还是一种难燃、阻燃，对环境条件的适应性很强的材料。资料表明，环氧树脂的固化产物具有优异的电气绝缘性能，击穿电压一般为35～50kV／mm，体积电阻率为1013～1016Ω•cm。环氧树脂产品粘合力强、机械强度高、收缩率小、尺寸稳定。在常温下或稍微加温后，便可以成为流动的液体，容易与各种试剂互相混合，保证各种加工工艺的顺利进行，因此被广泛应用于变压器，特别是高压或高电位变压器的灌注。

(1)绝缘厚度设计。在实际应用中，环氧树脂的抗电强度与厚度关系是非线性的，取决于工艺水平，比较成熟的经验数据是理论值的1／3～1／4。由于变压器初、次级绕组的工作电位不同，其环氧浇注的厚薄差异很大，可对初、次级绕组分别进行浸渍、浇注，而且高压绕组在浇注前应进行真空绝缘浸渍，以达到提高机械性能、电性能的目的。但如果在初级绕组外采用同工艺制作的条形环氧树脂垫块定位后，再绕制次级高压绕组，也可进行一次性环氧浇注，能达到省时、省料的目的。

(2)外绝缘距离设计。实践证明，变压器高电位引出端至初级引出端、铁芯及其紧固件之间，在沿着环氧树脂固体表面或在极间空气中会出现爬电或飞弧现象，这与外绝缘距离的设计及使用环境条件有关，在一般良好室内环境条件下，其安全绝缘距离通常为400V／mm。另外，如果使电介质表面电场均匀，可大大缩小飞弧的绝缘间距。如在环氧树脂浇注线圈表面建立导电镀层或半导电镀层，盖住锐边的边缘，使绝缘电极和非绝缘电极的不均匀电场重新分配(布)，以达到使介质(环氧树脂)表面电场均匀的目的。还可采用同种工艺环氧树脂填堵绕组与铁心之间全部空气间隙，可解决其结合部位局部电场不均匀造成的电晕。

三、提高绕组抗开裂性和降低局放

由于铜的膨胀系数为16×10-6／K，铝的膨胀系数为24×10-6／K，它们与环氧树脂的膨胀系数相差甚大，这样纯环氧树脂与铜或铝固化成一体后，在热胀冷缩的作用下很容易发生开裂现象，使树脂绝缘损伤，机械性能下降，危及电气性能，造成局部放电上升，使树脂固化物老化、寿命减少。因此，防止树脂浇注体开裂，控制浇注体内残留气泡的产生，使局放降低到最小限度是树脂绝缘变压器的关键技术问题。

3．1采用带填料的环氧树脂浇注

(1)以活性硅微粉为填料，不仅能降低固化收缩率与线膨胀系数，有效地防止固化物开裂，增加固化产物的机械强度，更重要的是能大大降低高压绕组的局部游离放电现象的发生。而且活性硅微粉能与树脂反应交联，不会影响浇注工艺。因此被广泛用于高压变压器的浇注中。

(2)以短玻璃丝毡为填料，固化物的膨胀系数可降低到(10～15)×10-6／K左右，这就与铜的膨胀系数较为接近，因此该类型的浇注产品通常采用铜导体。同时，由于玻璃丝毡的机械强度远大于环氧树脂，因而使抗拉强度、弯曲强度提高。以短玻璃丝毡为填料的真空浇注线圈，其外包封厚度较薄，通常只有2mm左右，散热性能较好。但是整个线圈在制造过程中工艺要求严格，不得出现气孔和浸透不匀现象。但是，对于各类树脂绝缘变压器的线圈，膨胀系数这个因素并不是决定浇注体是否发生开裂的惟一条件，同时要有高真空的设备和正确的浇注工艺来保证。

3．2调整固化方法

浇注线圈在固化过程中，因固化收缩而产生的内应力是不可避免的，但是选择适当的固化条件，可以在一定程度上减少固化内应力。可采用缓慢升温、分布固化的方法，使固化物在缓慢的固化过程中能自行调节内应力的分布，达到防止开裂的目的，还可避免表面产生缩孔、凹陷现象。此外，可对环氧树脂填堵部位进行硅橡胶复盖浇注或在浇注体固化后再降温开模，都可以达到防止开裂的目的。

3．3降低局部放电

局部放电指标是用户关心的一项性能指标，也是变压器生产厂家检测设计制造水平的一项指标，与产品结构设计、绝缘材料互配、环氧树脂浇注料和浇注工艺有关。绕组内部导线及焊接的尖角、毛刺，浇注过程中存在气泡，导线及绝缘的裂纹和孔隙等是影响局部放电的关键因素。在生产过程中应注意浇注真空度要符合技术规范要求，而且绝缘树脂应严格按工艺文件规定配比；严格检查导线质量，尽量采用耐压高的漆包线，这样树脂的渗透性更好，避免气泡产生。

综上所述，变压器的绝缘设计是保证变压器安全、稳定、可靠运行的关键所在，为保证变压器绝缘设计的科学、先进、合理并达到最佳效果，采用环氧树脂进行浇注，从绝缘结构、绝缘厚度、外绝缘距离等方面着手，使变压器的绝缘性能达到要求。当然，若能改善工艺方法和提高浇注工艺水平，则起到事半功倍的效果。

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