1、本科毕业论文（20 届）变压器铁轭夹件肢板区域电场分析及试验研究所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 哈尔滨理工大学学士学位论文- I -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。研究设计合理的绝缘结构，对于降低变压器制造、运
2、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据对高压上夹件肢板区域电场分析，以分析
3、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；有限元法哈尔滨理工大学学士学位论文- II -Electric field analysis and testing research of transformer iron yoke clamping areaAbstractPower transformer is the important electric apparatus in power system, and the power transformer fault is mostly due to the ins
4、ulation 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 possibility
5、 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 for
6、 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 were
7、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 fi
8、eld 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 electrod
9、es for partial discharge experiments, the 哈尔滨理工大学学士学位论文- III -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. Final
10、ly, based on theoretical 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 transform
11、er; insulation structure; electric field analysis; finite element method哈尔滨理工大学学士学位论文- 1 -目录摘 要 .IIAbstract.III第 1 章 绪论 .21.1 电力变压器的背景和发展情况 .21.2 电力变压器电场计算的国内外研究现状与趋势 .21.3 课题的主要研究目的及其意义 .31.4 课题的主要研究内容 .4第 2 章 高压上夹件肢板区域电场计算及优化 .52.1 有限元法 .52.1.1 有限元法的基本原理 .62.1.2 有限元法求解过程 .62.1.3 二维电场有限元解法 .62.2 AN
12、SOFT 有限元分析软件 .72.3 应用 ANSOFT 计算肢板区域二维电场 .72.3.1 肢板区域电场有限元分析过程 .72.3.2 结果后分析处理 .102.3.3 无覆盖肢板表面电场分析 .102.3.4 不同厚度的绝缘纸板覆盖肢板表面电场分析及其影响 .122.4 本章小结 .13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 .143.1 局部放电的原理及其危害 .143.2 局部放电的目的及其意义 .143.2.1 局部放电实验的目的 .143.2.2 局部放电实验的意义 .153.3 裸电极和覆盖不同厚度绝缘纸板的电极的局部放电实验 .153.3.1 局部放电的实验
13、设备及其参数 .153.3.2 局部放电的实验步骤 .163.3.3 变压器油中裸电极局部放电实验数据及其电场分析 .173.4.4 不同厚度绝缘纸板局部放电实验数据及其电场分析 .183.4 肢板区域的绝缘结构改进 .203.5 本章小结 .21结论 .22致谢 .23参考文献 .24附录 A .26附录 B .30哈尔滨理工大学学士学位论文- 2 -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
14、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10kV 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
15、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
16、 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.Miri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
17、在遭受冲击电压和工频电哈尔滨理工大学学士学位论文- 3 -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
18、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
19、 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
20、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 ANSOFT 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。哈尔滨理工大学学士学位论文- 4 -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
21、，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
22、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分布的特点，提出了肢板区域绝缘结构的改进方案。哈尔滨理工大学学士学位论文- 5 -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
23、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
24、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
25、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
26、哈尔滨理工大学学士学位论文- 6 -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，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
27、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
28、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
