变压器主绝缘探究和电场计算软件研究

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1、变压器主绝缘探究和电场计算软件研究第一章绪论1.1课题研究的目的和意义十二五规.划纲要中提出，为了迎合大容量远距离输电和风电发电并.网的需要，加快建设智能电网，让更多西部地区的电能输送到东部地区，需要大力发展特高压等高效率、大容量、远距离的先进输.电技术。国家电网规划五年内将建成三横三纵特高压交流骨干输电网和十一条特高压直流输电线路。而变压器作为特高压输变电的关键设备之一，其运行的可靠性对电网的安全性和可靠性至关重要。大型电力变压器如果绝缘发生损坏，严重时会导致大面积电网停电，其检修期要在半年以上，因此损失是巨大的[1]。电力变压器在电力系统里

2、运行时，不仅要承受各等级的额定工作电压，而且还得承受雷电冲击、操作冲击过电压和各种工频过电压的作用[2]。国家标准GB1094.3和国际标准IEC76都规定在这些电压的作用下绕组绝缘不得发生损坏[3]。根据数据统计，超半数的变压器故.障均是由绝.缘问题引起的。因此，在设计阶段对其绝缘结构进行计算分析是非常关键.的一个步骤。上个世纪八十年代，500kV级的变压器就已在我国电网投入使用。但随着用电量的快速增加，这些年来，电力变压器的技术水平也在不断提高，一些传统的设计思路和分析方法已经不能适应目前电网建设和变压器的生产要求。电力变压器在向着特高压和

3、小型化方向发展。特高压方面，至今特高压电力变压器绝缘设计和生产过程中还存在很多难题需要解决，如绝缘设计中各个部位的设计裕度不均衡度较大，有的部位的场强很大，甚至存在绝缘隐患，会产生局部放电、爬电现象等。在普通电力变压器方面，虽然有很多技术成熟的系列设计产品，但随着物价的上涨，企业迫切希望进一步缩小变压器体积来减少变压器成本。而缩小变压器体积的关键在于缩小绝缘距离，这就需要我们对电场进行快速、精确的求解来分析缩小后的绝缘是否满足要求。为了可靠并且合理的设计大型变压器的绝缘结构，必须对变压器中各个部位的电场分布进行分析和研究，因此在绝缘设计中电场的

4、解析已成为十分重要的手段。利用计算机对工程实际问题进行有限元数值计算和分析已经成为工程设计中的一个必不可少的环节。根据统计，由于使用了计算机数值计算仿真技术，电气设备的体积减少了40%，开发时间缩短了38%，结构的复杂度减小了16%，但设计精度提高10%。可见，计算机电场数值计算在电气设备的小型化、缩短研发周期、提高电气性能和提高可靠性等方面是非常重要的关键技术之一[4]。目前，很多商业有限元软件均可以对电场问题进行求解分析，如ANSYS、ANSOFT、ELEC及SOL等。这些商业软件经过许多人应用，其计算精度可以满足要求，其仿真结果也令人满意

5、。但这些商业软件一般价格昂贵，一般中小型企业难以承受。而且尽管这些软件功能强大，通用性强，但对一个变压器模型的计算需要很多的计算机资源和消耗很长的时间，有些大型模型在服务器下也要运算几十个小时，如此长的时间设计人员是无法忍受的。同时商业软件应用时常常需要二次开发，不够灵活。即使界面非常友好的商用电磁场有限元分析软件，由于不是为变压器设计而专门设计的，普通工程技术人员也很难使用。因此，开发一个专门用于变压器电场有限元计算和分析的软件是必要的也是可行的。这类软件不仅可以方便企业设计产品，而且大大节约了企业的成本。本课题将与特变电工集团合作，研究和开

6、发变压器主绝缘计算软件，用于实际工程中的变压器设计问题。本文在已经有的研究方法基础上，继续分析绝缘材料非线性对换流变压器电场分布的影响，同时开发变压器电场分析计算软件。本文的工作对于提高国产大型变压器的设计水平具有工程实际价值。1.2课题的国内外研究现状1.2.1换流变压器电场特性研究现状从二十世纪六十年代起，欧洲国家如瑞典、德国等开始对换流变压器的很多技术难题进行了公关。到二十世纪九十年代，以西门子、ABB以及法国的阿海珐等公司已经研制成功了换流变压器并成功在电网安全运行。1988年，MoserHP等通过抽象的油-纸绝缘模型对变压器绝缘纸板内

7、电荷的变化轨迹进行了研究，利用一台变压器模型分别计算了其内部的交流和直流的电场分布，阐述了在换流变压器中应用低电导率绝缘纸板的优点[5]。1994年，TakahashiE等提出了一种在考虑场强对电导率影响时的计算绝缘材料非线性直流电场的新方法，并且通过实验值与计算值进行了对比[6-7]。1999年，ElliottFE等通过有限元法对变压器电场进行了分析，分析发现在实际情况中某些部位的场强值可能超过计算得到的最大场强值，甚至超过许用值[8]。2008年AlirezaKhaligh等提出了分析变压器电场的有限元方法，首现通过解析法求得每个绕组线饼的

8、电位值，然后对每个线饼赋予边界条件，同时比较了有无静电环和角环时的电场分布变化情况。同年，StephanKoch等建立了电场有限元计算的三维模型，讨论