紧凑型非晶合金油浸式变压器主绝缘结构设计
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紧凑型非晶合金油浸式变压器主绝缘结构设计
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第40卷 第10期：3199-3206 高电压技术 Vol.40, No.10: 3199-3206
2014年10月31日 High Voltage Engineering October 31, 2014
DOI: 10.13336/j.1003-6520.hve.2014.10.036
紧凑型非晶合金油浸式变压器主绝缘结构设计
刘道生，杜伯学，肖 萌
（天津大学电气与自动化工程学院电气工程系，天津300072）
摘 要：为使非晶合金油浸式配电变压器(以下简称AMDT)更紧凑、更经济，设计了一种AMDT紧凑型主绝缘结
构，采用ANSYS有限元分析软件分别计算了AMDT紧凑型与传统型主绝缘结构的电场分布，比较了紧凑型与传
统型主绝缘结构的电场分布情况，并配合工频耐压和雷电冲击试验对紧凑型模型进行了测试。仿真和试验结果表
明：AMDT紧凑型主绝缘结构的端部电场强度比传统型分布均匀，最大电场强度小于油隙的最大电场强度值；试
验击穿电压的裕度大于 1.6 倍的额定耐压值，因此紧凑型主绝缘结构是可靠的。通过比较紧凑型与传统型主绝缘
结构变压器的主材成本，证明了紧凑型绝缘结构的先进性和实用性。
关键词：非晶合金变压器；主绝缘结构；绝缘特性；电场分布；电场计算；电场强度
Compact Main Insulation Structure Design of Amorphous Alloys Oil-immerse Transformer
LIU Daosheng, DU Boxue, XIAO Meng
(School of Electrical Engineering and Automation, Department of Electrical Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072,China)
Abstract：In order to optimize amorphous alloys oil-immerse distribution transformer (hereafter referred to as AMDT) in
aspects of size and economy, we designed a compact insulation structure for AMDT. The electric field distribution in
AMDTs with compact or conventional main insulation structure is calculated respectively using ANSYS. Reliability of
the compact main insulation structure is tested by power-frequency AC withstand voltage tests and lightning impulse tests.
The simulation and test results show that the electric field of the compact main insulation structure is better distributed
than that of the conventional structure, and its maximum electric field intensity is less than that of oil gap. Moreover, the
breakup voltage margin of the compact main insulation structure is more than 1.6 times of the rated withstand voltage.
The economy comparison between the compact and the conventional main insulation structures indicates that the compact
one is advanced and applicable.
Key words：amorphous alloys transformer; main insulation structure; dielectric properties; electric field distribution;
electrical field calculation; electric field intensity
过载能力越来越被电力用户关注[6]。由于变压器传
0 引言1
统型主绝缘结构距离过大，造成变压器成本过高，
CO 排放和能耗是当今全球环境保护的重要议 已不适应竞争要求，另外变压器传统主绝缘结构设
2
题。我国是世界上能源消耗增长最快的国家，CO 计不合理，电场强度分布不均匀，局部电场强度过
2
的排放量位居世界第二[1]。非晶合金油浸式配电变 大，造成局部绝缘损坏[7-9]。因此有必要对 AMDT
压器(以下简称 AMDT)以空载损耗低著称，随着科 主绝缘结构进行研究，从而降低 AMDT 原材料成
学技术的迅速发展，AMDT等电气设备的应用日益 本，提高产品的可靠性，真正达到节能降耗的目的。
广泛[2]。为满足社会可持续性发展和生态环境保护 AMDT 运行的可靠性和使用寿命在很大程度上取
的需要，原国家发改委已将AMDT列为重点推广节 决于其绝缘系统，该系统包含绝缘结构、材料选用
能产品[3-4]。虽然 AMDT 有良好的节能特点，但由 及其工艺处理。近20年来变压器研发者正在深入细
于其磁性材料的饱和磁通密度和叠片系数比传统硅 致地探索新的绝缘结构，旨在设计和制造出更紧凑、
钢片低[5]，造成AMDT尺寸比传统硅钢片变压器要 更经济的变压器[10-14]。
大。随着 AMDT 的推广应用，AMDT 的经济性和 到目前为止，国内外学者和工程技术人员还没
就 AMDT 的主绝缘结构的电场计算做过相应的研
———————
基金资助项目：国家自然科学基金(51277131)。 究。本文以AMDT变压器传统型主绝缘结构不够优
Project supported by National Science Foundation of China (51277131).3200 高电压技术 2014, 40(10)
化、不合理，端部电场分布不均匀为背景，为获得 AMDT紧凑型主绝缘结构中的主空道为18 mm，铁
准确AMDT的主绝缘结构的电场分布，对主绝缘结 轭到高压线圈之间的距离为40 mm。10 kV传统型
构进行了大量的计算与试验，在计算和试验的基础 变压器主绝缘结构中的主空道为 7 mm，铁轭到高
上设计了一种紧凑型主绝缘结构。本文采用ANSYS 压线圈之间的距离为19 mm；35 kV AMDT传统型
有限元分析软件对 AMDT 主绝缘进行电场强度计 主绝缘结构中的主空道为23 mm，铁轭到高压线圈
算，比较了两种主绝缘结构的电场分布情况，制作 之间的距离为65 mm[17]。综上所述，AMDT紧凑型
了紧凑型主绝缘结构模型并搭建了工频耐压与雷电 主绝缘结构比传统型更加紧凑。
冲击试验测试平台，同时比较了紧凑型结构与传统 主绝缘材料主要由绝缘点胶纸(以下简称
结构变压器的经济性，为AMDT的大规模推广应用 DDP)、皱纹纸(以下简称CRP)和油隙组成(注：本文
奠定了良好的理论基础。 中主绝缘忽略了在主绝缘中起支撑作用的纸板等绝
缘材料)。10 kV AMDT传统结构见图1(a)、紧凑型
1 AMDT紧凑型主绝缘结构
主绝缘结构见图 1(b)；10kV AMDT 两种主绝缘结
AMDT主绝缘系统由绝缘结构、绝缘材料及其 构距离及绝缘材料的详细构成详见表 1。35 kV
工艺组成。本文主要涉及10 kV和35 kV AMDT主 AMDT传统型主绝缘结构见图2(a)、紧凑型主绝缘
绝缘结构。所涉及的AMDT绝缘材料耐热等级以A 结构如图2(b)；35 kV AMDT两种主绝缘结构距离
级为主[15]。 及绝缘材料的详细构成详见表2。
1.1 主绝缘距离选取与结构设计 本 文 以 SBH15-315-10 和 SBH15-1000-35
针对电力用户和制造厂家普遍关心的 AMDT AMDT 为研究对象，10 kV 高压线圈辐向尺寸 28
经济性问题，采用现有 2605SA1 和 2605HB1(日立 mm，低压线圈辐向尺寸19.5 mm，窗高205 mm；
金属非晶合金带材牌号)非晶合金带材，其饱和磁通 35 kV高压线圈辐向尺寸39 mm，低压线圈辐向尺
密度分别为1.57 T和1.64 T，叠片系数为0.84[16]， 寸20 mm，窗高555 mm。
对 AMDT 主绝缘结构进行优化设计。为使 AMDT 变压器的等效油隙计算式为[17]：
结构更紧凑，成本更低，本文将对传统型与紧凑型
主绝缘结构材料构成、电场分布与经济性进行对比
研究。
主绝缘距离的选取以油隙耐电强度为依据。变
压器油的耐压达45 kV/2.5 mm=18 kV/mm(45 kV为
油的耐压值，2.5 mm 为球形电极间隙)，局部放电
起始场强可达10~14 kV/mm[17]，从放电机理来看，
油中若不出现局部放电，则不可能产生闪络放电，
所以该值也就是爬电的起始场强。由此观之，对于
10 kV等级变压器而言，高低压之间的绝缘距离(以
下简称主空道)的最小值为 35 kV/(10 kV·mm−1)＝
3.5 mm(35 kV为工频耐压值)，35 kV变压器主空道 图1 10 kV AMDT主绝缘结构
只需85 kV/(10 kV·mm−1)＝8.5 mm(85 kV为工频耐 Fig.1 10 kV AMDT main insulation structure
压值)。为了改善端部电场分布，线圈到铁轭距离按
1.5~4 倍的主空道距离考虑[17]，为了减小 35 kV 表1 10 kV AMDT主绝缘距离及其组成
AMDT线圈到铁轭的距离，充分发挥小油隙结构的 Table 1 Main distance and structure of 10 kV AMDT
油纸复合绝缘耐压特性，本文35 kV AMDT主空道 高低压之间绝缘距离/mm， 铁轭与高压线圈距离/mm，
项目
绝缘材料组成 绝缘材料组成
最小绝缘距离为18 mm。
紧凑型主3.6，1 mm DDP+2×0.8 mm 12.5，5.45 mm油隙+2×0.8 mm
通过大量的仿真计算与试验，本文选取10 kV
绝缘结构 CRP+1mm DDP CRP+5.45 mm油隙
AMDT 紧凑型主绝缘结构中的主空道为 3.6 mm， 传统型主
7，1 mm纸板+6 mm瓦楞 19，全为油隙组成
铁轭到高压线圈之间的距离为 12.5 mm；35 kV 绝缘结构刘道生，杜伯学，肖 萌：紧凑型非晶合金油浸式变压器主绝缘结构设计 3201
表2 35 kV AMDT主绝缘距离及其组成
Table 2 Main distance and structure of 35 kV AMDT
高低压之间绝缘距离/mm， 铁轭与高压线圈距离/mm，
项目
2014年10月31日 High Voltage Engineering October 31, 2014
DOI: 10.13336/j.1003-6520.hve.2014.10.036
紧凑型非晶合金油浸式变压器主绝缘结构设计
刘道生，杜伯学，肖 萌
（天津大学电气与自动化工程学院电气工程系，天津300072）
摘 要：为使非晶合金油浸式配电变压器(以下简称AMDT)更紧凑、更经济，设计了一种AMDT紧凑型主绝缘结
构，采用ANSYS有限元分析软件分别计算了AMDT紧凑型与传统型主绝缘结构的电场分布，比较了紧凑型与传
统型主绝缘结构的电场分布情况，并配合工频耐压和雷电冲击试验对紧凑型模型进行了测试。仿真和试验结果表
明：AMDT紧凑型主绝缘结构的端部电场强度比传统型分布均匀，最大电场强度小于油隙的最大电场强度值；试
验击穿电压的裕度大于 1.6 倍的额定耐压值，因此紧凑型主绝缘结构是可靠的。通过比较紧凑型与传统型主绝缘
结构变压器的主材成本，证明了紧凑型绝缘结构的先进性和实用性。
关键词：非晶合金变压器；主绝缘结构；绝缘特性；电场分布；电场计算；电场强度
Compact Main Insulation Structure Design of Amorphous Alloys Oil-immerse Transformer
LIU Daosheng, DU Boxue, XIAO Meng
(School of Electrical Engineering and Automation, Department of Electrical Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072,China)
Abstract：In order to optimize amorphous alloys oil-immerse distribution transformer (hereafter referred to as AMDT) in
aspects of size and economy, we designed a compact insulation structure for AMDT. The electric field distribution in
AMDTs with compact or conventional main insulation structure is calculated respectively using ANSYS. Reliability of
the compact main insulation structure is tested by power-frequency AC withstand voltage tests and lightning impulse tests.
The simulation and test results show that the electric field of the compact main insulation structure is better distributed
than that of the conventional structure, and its maximum electric field intensity is less than that of oil gap. Moreover, the
breakup voltage margin of the compact main insulation structure is more than 1.6 times of the rated withstand voltage.
The economy comparison between the compact and the conventional main insulation structures indicates that the compact
one is advanced and applicable.
Key words：amorphous alloys transformer; main insulation structure; dielectric properties; electric field distribution;
electrical field calculation; electric field intensity
过载能力越来越被电力用户关注[6]。由于变压器传
0 引言1
统型主绝缘结构距离过大，造成变压器成本过高，
CO 排放和能耗是当今全球环境保护的重要议 已不适应竞争要求，另外变压器传统主绝缘结构设
2
题。我国是世界上能源消耗增长最快的国家，CO 计不合理，电场强度分布不均匀，局部电场强度过
2
的排放量位居世界第二[1]。非晶合金油浸式配电变 大，造成局部绝缘损坏[7-9]。因此有必要对 AMDT
压器(以下简称 AMDT)以空载损耗低著称，随着科 主绝缘结构进行研究，从而降低 AMDT 原材料成
学技术的迅速发展，AMDT等电气设备的应用日益 本，提高产品的可靠性，真正达到节能降耗的目的。
广泛[2]。为满足社会可持续性发展和生态环境保护 AMDT 运行的可靠性和使用寿命在很大程度上取
的需要，原国家发改委已将AMDT列为重点推广节 决于其绝缘系统，该系统包含绝缘结构、材料选用
能产品[3-4]。虽然 AMDT 有良好的节能特点，但由 及其工艺处理。近20年来变压器研发者正在深入细
于其磁性材料的饱和磁通密度和叠片系数比传统硅 致地探索新的绝缘结构，旨在设计和制造出更紧凑、
钢片低[5]，造成AMDT尺寸比传统硅钢片变压器要 更经济的变压器[10-14]。
大。随着 AMDT 的推广应用，AMDT 的经济性和 到目前为止，国内外学者和工程技术人员还没
就 AMDT 的主绝缘结构的电场计算做过相应的研
———————
基金资助项目：国家自然科学基金(51277131)。 究。本文以AMDT变压器传统型主绝缘结构不够优
Project supported by National Science Foundation of China (51277131).3200 高电压技术 2014, 40(10)
化、不合理，端部电场分布不均匀为背景，为获得 AMDT紧凑型主绝缘结构中的主空道为18 mm，铁
准确AMDT的主绝缘结构的电场分布，对主绝缘结 轭到高压线圈之间的距离为40 mm。10 kV传统型
构进行了大量的计算与试验，在计算和试验的基础 变压器主绝缘结构中的主空道为 7 mm，铁轭到高
上设计了一种紧凑型主绝缘结构。本文采用ANSYS 压线圈之间的距离为19 mm；35 kV AMDT传统型
有限元分析软件对 AMDT 主绝缘进行电场强度计 主绝缘结构中的主空道为23 mm，铁轭到高压线圈
算，比较了两种主绝缘结构的电场分布情况，制作 之间的距离为65 mm[17]。综上所述，AMDT紧凑型
了紧凑型主绝缘结构模型并搭建了工频耐压与雷电 主绝缘结构比传统型更加紧凑。
冲击试验测试平台，同时比较了紧凑型结构与传统 主绝缘材料主要由绝缘点胶纸(以下简称
结构变压器的经济性，为AMDT的大规模推广应用 DDP)、皱纹纸(以下简称CRP)和油隙组成(注：本文
奠定了良好的理论基础。 中主绝缘忽略了在主绝缘中起支撑作用的纸板等绝
缘材料)。10 kV AMDT传统结构见图1(a)、紧凑型
1 AMDT紧凑型主绝缘结构
主绝缘结构见图 1(b)；10kV AMDT 两种主绝缘结
AMDT主绝缘系统由绝缘结构、绝缘材料及其 构距离及绝缘材料的详细构成详见表 1。35 kV
工艺组成。本文主要涉及10 kV和35 kV AMDT主 AMDT传统型主绝缘结构见图2(a)、紧凑型主绝缘
绝缘结构。所涉及的AMDT绝缘材料耐热等级以A 结构如图2(b)；35 kV AMDT两种主绝缘结构距离
级为主[15]。 及绝缘材料的详细构成详见表2。
1.1 主绝缘距离选取与结构设计 本 文 以 SBH15-315-10 和 SBH15-1000-35
针对电力用户和制造厂家普遍关心的 AMDT AMDT 为研究对象，10 kV 高压线圈辐向尺寸 28
经济性问题，采用现有 2605SA1 和 2605HB1(日立 mm，低压线圈辐向尺寸19.5 mm，窗高205 mm；
金属非晶合金带材牌号)非晶合金带材，其饱和磁通 35 kV高压线圈辐向尺寸39 mm，低压线圈辐向尺
密度分别为1.57 T和1.64 T，叠片系数为0.84[16]， 寸20 mm，窗高555 mm。
对 AMDT 主绝缘结构进行优化设计。为使 AMDT 变压器的等效油隙计算式为[17]：
结构更紧凑，成本更低，本文将对传统型与紧凑型
主绝缘结构材料构成、电场分布与经济性进行对比
研究。
主绝缘距离的选取以油隙耐电强度为依据。变
压器油的耐压达45 kV/2.5 mm=18 kV/mm(45 kV为
油的耐压值，2.5 mm 为球形电极间隙)，局部放电
起始场强可达10~14 kV/mm[17]，从放电机理来看，
油中若不出现局部放电，则不可能产生闪络放电，
所以该值也就是爬电的起始场强。由此观之，对于
10 kV等级变压器而言，高低压之间的绝缘距离(以
下简称主空道)的最小值为 35 kV/(10 kV·mm−1)＝
3.5 mm(35 kV为工频耐压值)，35 kV变压器主空道 图1 10 kV AMDT主绝缘结构
只需85 kV/(10 kV·mm−1)＝8.5 mm(85 kV为工频耐 Fig.1 10 kV AMDT main insulation structure
压值)。为了改善端部电场分布，线圈到铁轭距离按
1.5~4 倍的主空道距离考虑[17]，为了减小 35 kV 表1 10 kV AMDT主绝缘距离及其组成
AMDT线圈到铁轭的距离，充分发挥小油隙结构的 Table 1 Main distance and structure of 10 kV AMDT
油纸复合绝缘耐压特性，本文35 kV AMDT主空道 高低压之间绝缘距离/mm， 铁轭与高压线圈距离/mm，
项目
绝缘材料组成 绝缘材料组成
最小绝缘距离为18 mm。
紧凑型主3.6，1 mm DDP+2×0.8 mm 12.5，5.45 mm油隙+2×0.8 mm
通过大量的仿真计算与试验，本文选取10 kV
绝缘结构 CRP+1mm DDP CRP+5.45 mm油隙
AMDT 紧凑型主绝缘结构中的主空道为 3.6 mm， 传统型主
7，1 mm纸板+6 mm瓦楞 19，全为油隙组成
铁轭到高压线圈之间的距离为 12.5 mm；35 kV 绝缘结构刘道生，杜伯学，肖 萌：紧凑型非晶合金油浸式变压器主绝缘结构设计 3201
表2 35 kV AMDT主绝缘距离及其组成
Table 2 Main distance and structure of 35 kV AMDT
高低压之间绝缘距离/mm， 铁轭与高压线圈距离/mm，
项目
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