变压器基础培训材料.doc

高电压培训班教材电力变压器 2004年9月22日1变压器基本结构具有两个或多个绕组的静止设备，为了传输电能，在同一频率下，通过电磁感应将一个系统的交流电压和电流转换为另一个系统的电压和电流，通常这些电流和电压的值是不同的。 铁心 器身 绕组 绝缘 引线 油箱本体（箱盖、箱壁和箱底油箱 或上下节油箱）变压器 油箱附件（放油阀门、活门、小车、油样活门、接地螺栓、铭牌等）调压装置无励磁分接开关或有载分接开关冷却装置散热器或冷却器保护装置安全保护（压力释放阀、气体继电器、活门）油保护（储油柜、油位计、在线滤油）油温测量（水银、信号、线圈温度计等） 出线装置高、中低压套管，电缆出线等简单生产过程介绍（数码）2.铁心2.1铁心的作用和形式 铁心是变压器的基本部件，由磁导体和夹紧装置组成。所以它有两个作用。在原理上：铁心的磁导体是变压器的磁路。它把一次电路的电能转为磁能，又由自己的磁能转变为二次电路的电能，是能量转换的媒介。因此，铁心由磁导率很高的电工钢片（硅钢片）制成，电工钢片又很薄（0.230.35mm），且带有绝缘，涡流损耗很小。磁导体是铁心的主体，所以下面所称的铁心实指磁导体。在结构上，铁心的夹紧装置不仅使磁导体成为一个机械上的完整的结构，而且在其上面套有带绝缘的线圈，支持着引线，几乎安装了变压器内部的所有部件。铁心的重量在变压器各部件中占有绝对优势。在干式变压器中占总重的50%左右，在油浸式变压器中由于有变压器油和油箱，重量比例才下降，约占40%。变压器的铁心（即磁导体）是框形闭合结构。其中套线圈的部分称心柱，不套线圈只起闭合磁路作用的部分称铁轭。现代铁心的心柱和铁轭均在一个平面内，即为平面式铁心。铁心分为两大类：壳式铁心和心式铁心。铁轭包围了线圈的，称为壳式铁心，否则称为心式铁心。每类中又分为叠铁心和卷铁心两种。由片状电工钢片叠积而成的称叠铁心，由带状电工钢片卷绕而成的称卷铁心。按相数分，用于单相变压器的统称单相铁心，用于三相变压器的统称为三相铁心。（全斜接缝，冷扎硅钢片方向性）2.2铁心的绝缘铁心的绝缘与变压器其他绝缘一样，占有重要的地位。铁心绝缘不良，将影响变压器的安全运行。铁心的绝缘有两种：铁心片间的绝缘，铁心片与结构件间的绝缘。铁心片间绝缘的原因：铁心片间的绝缘是把心柱和铁轭的截面分成许多细条形的小截面，使磁通垂直通过这些小截面时，感应出的涡流很小，产生的涡流损耗也很小。铁心片间无绝缘时，磁通垂直通过的截面很大，感应的涡流大。截面厚度增加1倍，涡流损耗将增大4倍；铁心片间绝缘过小时，片间电导率增大，穿过片间绝缘的泄漏电流增大，将增加附加的介质损耗；铁心片间绝缘过大时，铁心就不能认为是等电位的，必须把各片均连接起来接地，否则片间将出现放电现象。这是不方便的、不可取的。现在铁心用绝缘纸条做油道时，就需要把油道两侧的铁心片连接起来，然后由一个接地铜片引出。因此，铁心片间要有一定的绝缘，在标准测量方法情况下一般在60105 ·cm2。现在采用的冷轧取向电工钢片的表面具有0.0150.02mm的无机磷化膜可以满足这一要求，其他电工钢片则需要涂漆，检修时也需要涂漆，大型铁心有时要涂两遍漆。铁心片与结构件间的绝缘的目的是防止多点接地。铁心片与其夹紧结构件的绝缘是防止与结构件短接和短路。铁心片间短接总是不允许的，但是结构件间形成短路的回路顺着磁通方向而不通过磁通，或者通过磁通很小，则影响不大。铁心片与所有夹紧件间是必须绝缘的。因此，铁心片与结构件间的绝缘。首先是铁轭螺杆的绝缘不可损伤，否则有可能形成短路匝；其次是旁螺杆、侧梁、上梁和垫脚的绝缘也应良好，否则必然产生短接铁心片的现象；至于夹件绝缘是为了形成油道，避免铁轭磁通流入夹件而设置的，但是铁心是一点接地的，有了夹件绝缘而又绝缘不良时，相当于又有了接地点。这样，铁轭通过两个及以上接地点而短接，所以夹件绝缘也不可忽视。今后的铁心不采用铁轭螺杆了，但目前正在运行中的大中型变压器还是具有的，维护和检修时必须注意。整个铁心是地电位的，所以其间的绝缘非常简单，用26mm厚的纸板或纸管就可以了（由机械强度决定）。因此，铁心绝缘是简单的又是重要的。2.3铁心的接地铁心必须接地。铁心及其金属结构件在线圈的电场作用下，具有不同的电位，与油箱电位又不同。虽然他们之间电位差不大，也将通过很小的绝缘距离而断续放电。放电一方面使油分解，一方面无法确认变压器在试验和运行中的状态是否正常。因此铁心及其金属结构件必须经过油箱而接地（如果有心柱和铁轭螺杆，则由于电容的耦合作用，他们与铁心电位一样，不需接地），且要确保电气接通。铁心必须是一点接地。铁心中有磁通的，当有多余点接时，等于通过接地片而短接铁心片一样，短接回路中有感应环流。接地点越多，环流回路越多，环流越大（当然与多余接地点的位置有关），各回路均通过接地片。但是，即使只有这样一个的环流回路，电流也可能由接近于零上升道十几安培。这样，铁心可能产生局部过热，接地片可能烧坏而产生放电，对大型变压器安全运行不利，因此铁心必须一点接地。所谓一点接地，只是指其磁导体而言，其夹件不受此限。铁心片于夹紧件要绝缘的另一个原因，就是确保铁心一点接地。3.线圈3.1概述线圈是变压器输入和输出电能的电气回路，是变压器的基本部件，也是变压器检修的主要部件。它是由铜、铝的圆、扁导线绕制，再配置各种绝缘件组成的。因变压器容量和电压的不同，线圈所具有的结构特点亦不相同。这些特点是匝数、导线截面、并联导线换位、绕向、线圈连接方式和型式等。线圈必须具有足够的电气强度、耐热强度和机械强度，以保证制造或修理后的变压器可靠的运行。3.2线圈型式线圈型式主要是根据线圈电压等级和容量的大小来选择，根据上述线圈的匝数、尺寸、截面形状、并联导线根数来确定。当然，也必须考虑电气强度、机械强度、散热面积以及制造工艺的可靠性。变压器的线圈大致分为层式和饼式两种。线圈的线匝延其轴向按层依次排列的称为层式线圈；线圈的线匝在辐向形成线饼（线段）后，再沿轴向排列的称为饼式线圈。变压器的线圈型式细分如下： 圆筒式单层圆筒式、双层圆筒式 层式线圈 多层圆筒式和分段圆筒式 箔式一般箔式、分段箔式 线圈 连续式一般连续式、半连续式 纠结式纠结连续式、普通纠结式和插花纠结式 饼式线圈 内屏蔽式（内屏蔽连续式） 螺旋式单螺旋式（单半螺旋式） 和双螺旋式（双半螺旋式） 和四螺旋式 交错式由连续式或螺旋式线段交错排列而成 内屏连续式线圈 纠结连续式（内屏）线圈 单螺旋线圈4.绝缘4.1绝缘分类变压器的绝缘分为内绝缘和外绝缘两大类，而内绝缘又分为主绝缘和从绝缘两类，主绝缘为每一线圈对低部分及其它线圈间的绝缘。纵绝缘为线圈的线匝间、层间、线饼间的绝缘。引线和分接开关的绝缘也可以同样划分。变压器器身绝缘是主绝缘，是线圈到接地部分铁心和油箱的绝缘（主要是端部绝缘），线圈到其他线圈的绝缘（主要是同相线圈间主绝缘）。这种绝缘多为油隔板和纸筒油隙的形式。如下图所示。4.2绝缘材料变压器绝缘的耐电强度是决定能否运行的基本特性之一。而耐电强度是由绝缘强度及其选用的绝缘材料来保证的，绝缘材料的寿命决定了变压器的寿命，同样绝缘结构尺寸在很大程度上影响变压器的重量和外形尺寸，因此合理的绝缘结构设计具有重要的经济意义。在上述的各类绝缘中，根据他们的工作条件，运行中绝缘所受的影响，对所用的绝缘材料提出了电气和机械强度，耐热性和化学稳定性等方面的要求。在油浸式电力变压器中广泛采用下列主要绝缘材料。变压器油 变压器油的主要成分是环烷烃、烷烃和芳香烃，以及其他一些成分。它是油浸式变压器的最基本的绝缘材料，充满整个变压器油箱中。其作用是绝缘和冷却。变压器油的耐电强度、传热性比空气好得多，热容量也比空气大的多，因此目前的电力变压器绝大部分采用油浸式。环烷烃具有良好的化学稳定性和介电稳定性，粘度随温度的变化小。芳香烃化学稳定性和介电稳定性亦较好，在电场作用下不析出气体，而且能吸收气体，芳香烃含量高，则油的吸气性强，反之则吸气性差，但芳香烃易燃，且随其含量含量而增加，油的比重和粘度增大，凝固点升高。环烷烃中的石蜡烃具有较好的化学稳定性和易使油凝固，在电场作用下易发生电离，析出气体，并形成树枝状的X-腊，影响油的导热性。变压器油中各种组分的含量取决于油源。变压器油的耐热等级为A级，而且其燃点较低，有易燃性，因此不宜用在具有防火要求的场所。近年来，出现了多种能替代变压器油的合成液体绝缘材料，但多数还未在变压器中实际应用，其中重要原因之一是新型液体绝缘材料价格较贵，从而限制了进一步的发展与推广。变压器绝缘老化的标志之一是tg%增大，其主要原因是变压器油的tg%增大结果，而绝缘纸板的tg%平均为油的10%-20%，因而采取措施延缓变压器油老化具有实际意义。电缆纸 一般是由未漂白硫酸盐纸浆经抄纸而制成。在变压器中采用型号为DLZ-08和DLZ-12的电缆纸，其厚度为0.08mm和0.12mm。主要用作导线绝缘和线圈层间绝缘，引线包扎绝缘等，它是油浸式变压器主要绝缘材料之一。电话纸 由硫酸盐纸浆制成。在变压器中采用型号为DH-50的电话纸。其厚度为0.5±5%mm，卷成宽度为500±10mm纸卷。主要用作线圈导线绝缘和线圈的端绝缘等。皱纹纸 目前，采用的皱纹纸型号为JW-50，它是将底纸为纤维绝缘纸的绝缘纸加工成具有15%、20%、30%、50%、100%、200%和300%引伸率的皱纹纸。底纸分为低密度和高密度两种。绝缘纸板 在油浸式变压器绝缘结构中，绝缘纸板应用最为广泛。它由木质纤维或掺有适量棉纤维的混合纸浆经抄纸，压光而制成。应该指出，油与纸板组合应用性能非常良好。组合后具有较高的耐电强度。因此，目前在油浸式变压器中主要采用油与纸板组合的绝缘结构型式。应该注意到，绝缘纸和纸板介电系数z=45左右，比变压器的介电系数y=2.2高一倍以上。在电场作用下，复合绝缘中分担的场强与材料的介电系数成反比。油浸纸或纸板（介电系数1）与变压器油（介电系数2）在交流电压下纸和油的电场（Ez及Ey）关系为Ez/Ey=1/2.由此可见，油隙中的场强比纸板的场强大的多，于是油隙就成了油纸绝缘的薄弱环节。当他们之间的介电系数接近时，变压器的绝缘结构尺寸就可能缩小，因此低介电系数的新型纸板是目前研制开发的方向。低介电系数的新型纸板是在木质纤维中掺合适当组分的合成树脂纤维后制成的纸板。合成树脂纤维的介电系数在2.13.8之间。考虑到新型纸板的浸渍性，制造工艺和成本因素，目前认为适用于超高压电力变压器绝缘的低介电系数新型纸板是用聚甲烯戊烷（简称PMP，介电系数=2.12）纤维与木质纤维掺合成为原材料制成的纸板。绝缘成型件 结构形状按电场分布采用纸浆成型，绝缘成型件的稳定性好，强度适中，提高了绝缘结构的可靠性。随着超高压大容量变压器的发展，变压器绝缘结构及引线结构日趋复杂，因此采用一般的由绝缘纸板粘压而成的绝缘件已不能满足要求。目前国内外在超高压变压器中，已研制出由纸浆成型的绝缘角环，形状复杂的高压成型引线绝缘件及其它许多成型绝缘件，如扇形护套、绝缘弯管、绝缘角环等。绝缘成型件解决了220-500kV超高压电力变压器绝缘结构和引线绝缘问题。油纸绝缘 目前在变压器绝缘中应用绝缘纸有两大类：植物纤维纸和合成纤维纸。后者主要应用于干式变压器中，而油浸式变压器则主要采用植物纤维纸及其制品。油浸式变压器绝缘结构中所用的主要绝缘材料是变压器油和绝缘纸，即油纸绝缘结构。变压器油与绝缘纸相结合具有很高的耐电强度。比两者分开单独的油和纸任何一种材料都高的多。纸的作用是把油分成无数个小油隙。一般，油的绝缘强度多低于纤维质，同时油的介电系数低于纤维质，故油承受较大的电场强度。在浸油良好的条件下，消除杂质程度决定了实际油纸绝缘可能达到的电气强度，因此实际生产过程的控制具有重要意义。油纸绝缘的缺点是两者均易被污染，含百分之几的杂质影响就很严重，因此，在工艺过程中，尽可能的获得较纯净的油和纸，并据此选择合适的工作场强，保证变压器绝缘结构可可靠性。首先，纸的分子结构有羟基，宏观多孔结构，极易吸收水分，在正常的大气条件下为7%-9%，饱和时可达15%。纸易被干燥，即使空气中加热也可干燥至0.1%，在真空中干燥可大大加速。而且纸和水的亲和力较油和水的亲和力强，所以一般纸都从油中吸收水分。纸吸收水分后不会与油平均分担水分，而影响耐电强度、绝缘老化和机械强度，因此是应严格控制的问题。纸在干燥过程中，要驱出纸层中的最后残存水分（约0.1%）甚为不易，它与热分解而放出的水分难以直接区分，在快速干燥时更是如此，一般在干燥的最后阶段极易伴有热老化分解。纸的热分解放出气体的比例约为H20:CO:CO2=70:12:18。后两者指纸纤维的焦化而不是干燥，由于变压器绝缘中对纤维上的工作场强并不高，通常无干燥到0.1%这一危险临界值的必要。当然纸的热老化与水分和氧的存在有关，也和其他参数有复杂的关系。其次，必须注意到，除非纸完全被油浸透，则纸中会有空气或其他气体的空隙。这无疑将使纸的耐电强度降低，此时空隙上所承担的电压又比纸上高的多，空隙击穿并不意味着绝缘的损坏，这部分放电，会逐步腐蚀绝缘，最终可导致绝缘损坏，因此，变压器绝缘的浸渍处理方式及其工艺具有重要意义。（油、纸、油纸的比较，从铁心绝缘电阻可看出，10倍）4.3绝缘水平变压器在运行中承受的电压分三种：除长期工作电压（包括局部放电电压）外，还有内部过电压和外部过电压。这三种电压对变压器绝缘的作用均应以试验电压进行考核，但是内部过电压种类太多，不能在变压器上一一进行考核。其中操作过电压的过电压倍数最高，因此只用操作过电压代替内部过电压。外部过电压就是雷电过电压，它对变压器而言是最主要的，因此必须先知等值于雷电过电压的雷电冲击试验电压，其次才是工频试验电压、操作试验电压和局部放电试验电压。变压器的试验电压值就是它的绝缘水平。电力变压器绝缘是电力变压器，特别是超高压电力变压器的重要组成部分。它不但对变压器的单台极限容量和运行可靠性具有决定意义，而且对变压器的经济指标也具有重要影响。运行经验表明，电力变压器的绝缘结构及其所用绝缘材料的可靠性，直接影响到电力变压器的运行可靠性。所谓运行可靠性，即保证电力变压器的无故障运行。应该了解运行中变压器遭受各种过电压作用时各部位的电场分布，以及在什么条件下绝缘结构及其所用的绝缘材料具有最大的电气强度。对于变压器的纵绝缘而言，同样也必须了解在过电压作用下，沿线圈的电压梯度分布以及纵绝缘结构及其相应绝缘材料的电气强度。变压器的绝缘水平取决于绝缘配合与试验电压。由于变电所内均采用避雷器对变电所内，包括电力变压器在内的电气设备加以保护，因此，绝缘配合的涵义就变成为被保护电气设备的绝缘强度与避雷器保护水平之间的配合，也就是说在电气设备绝缘强度与避雷器之间建立必要的合理的相互关系。当采用避雷器之后，则被保护的电气设备绝缘水平，在很大程度上由它来决定，也就是把侵入波限制于避雷器的残压水平。要避雷器起保护作用，首先应使避雷器的伏秒特性低于被保护变压器绝缘的伏秒特性，即在过电压作用下，避雷器应先放电，并使避雷器应先放电，并使避雷器伏秒特性与被保护变压器之间具有正确合理的绝缘配合。为了避免两个伏秒特性由于分散性而使被保护绝缘发生击穿，一般应使两者的平均伏秒特性相差（1520）%左右。必须指出，当避雷器放电后，在避雷器残压作用下，将形成导线电感与变压器电容间的振荡回路，使变压器绝缘上出现以残压为轴线的衰减振荡电压。如果此振荡电压超过变压器的绝缘强度，则变压器仍得不到保护，因此，避雷器在选用的绝缘配合标准电流下的残压也必须低于变压器绝缘的放电电压。避雷器残压与雷电流的大小有关，而被保护绝缘的电压等级与残压有关。通常220kV及以下按5kA计算；330kV及以上按10kA计算。显然，标准雷电流选择大了，系统的保护可简化，但电气设备的绝缘水平必然提高；雷电流选小，则系统的保护将变得复杂。由于电力变压器的绝缘强度和避雷器的保护特性均具有一定的分散性，因此这些特性有充分根据的绝缘配合应建立在统计规律的基础上，即考虑到避雷器放电电压和残压，以及在过电压作用下流经避雷器电流的统计分布、也考虑到设备绝缘强度的统计分布，它们的配合应能保证得到最适宜的技术经济方案，避免无根据的裕度。根据变压器与避雷器的绝缘配合，考虑适当的裕度，即可确定冲击（全波、截波）、操作波及工频等的实验电压值。我国的试验电压值见国家标准（GB311.16-83）规定。为了合理而又可靠地确定电力变压器的绝缘结构，必须对变压器绝缘结构中的电场分布进行分析和试验研究。4.4电压分布 电压分布是指线圈各点电压和各点间梯度由变压器承受的电压和过电压，求得变压器的各种试验电压，对确定变压器的绝缘而言只是一个条件。在试验电压的作用下，变压器内部即变压器线圈对其他各点间出现的电压值（确定主绝缘的电压差值），以及线圈自己内部各点间出现的电压值（确定纵绝缘的匝间、段间和层间电压差值梯度），则是确定变压器内部绝缘的第二个条件。（了解这点，可以确定变压器绕组容易损坏和需要加强的大概位置）4.4.1工频试验电压下的电压和梯度 对于全绝缘变压器，1min工频试验电压时是一侧线圈施加电压，其余线圈接地。所以线圈各点对地电压相等，且等于试验电压，而线圈内部梯度为零。至于感应电压试验时，对地电压为线性分布，线圈端子间电压等于试验电压，梯度为均匀分布的平均梯度，梯度处处相等。 对于中性点直接接地的分级绝缘变压器进行感应电压试验时，其线圈各部分电压也按线性分布，梯度也为平均梯度，但中性点电压不为零。 总之，在工频试验电压下，按匝数的关系能准确的计算出线圈各点的电压和梯度，且梯度按匝数平分施加电压，显然是没有最大值的。4.4.2冲击试验电压下的电压和梯度 雷电冲击试验电压除电压峰值偏高外，主要是在试验线圈中的电压和梯度分布与工频试验电压下不一样，是随空间和时间而变化的。此变化过程称为“波过程”，其电压和梯度分布称“冲击电压分布”，简称“冲击分布”，对具体线圈结构而言称“冲击特性”，实际是一回事。 冲击电压分布使线圈具有过高的局部过电压，是变压器绝缘损坏的主要因素。高压线圈电压高，所以往往研究高压线圈的冲击电压分布。 冲击电压分布中的最大电压是决定主绝缘的一个因素（上面的工频试验电压也是一个因素），而其最大梯度（梯度的峰值和持续时间）是决定纵绝缘的主要依据（感应试验电压的平均梯度不高，不以为据），不了解冲击电压在线圈中的分布是无法进行变压器的绝缘结构的选取，无法进行绝缘检修的。冲击波作用在线圈上将产生高于试验电压的最大电压，而冲击电压大部分降落在线圈端部产生最大梯度。其根本原因就是由于冲击电压起始分布和最终分布不一致，产生电压振荡的结果。线圈调压部分对地最大电压就决定了分接开关的主绝缘，调压部分的梯度分布决定了分接开关的纵绝缘。考虑调压部分的最大和最小分接、相间和分接间的电压和梯度分布，又是选择分接开关所必须的。应该指出，110kv及以上的三相变压器高压侧为YN型接法，其中性点一般是直接接地的。因此，在多相进波时，相与相之间影响不大，每相都可以看成是一个中性点接地的独立线圈。这样，单相、二相或三相进波的冲击分布可以按单相进波处理，只要研究单项的冲击电压分布就行了。A. 单相、三相YN联结变压器的冲击分布a.普通变压器的冲击分布：以无穷长直角波作用于高无补偿线圈（连续式线圈）为例，此时低压线圈作为接地等位面，如图3-4a所示。这种冲击波的频率高（300kHz）,所以其起始电压分布由线圈电容决定。最终电压分布由电阻决定，而它们之间的自由振荡过程则由电容和电感决定。(a)起始电压分布（t=0）:冲击电压起始分布的等值电路如图3-4b所示。如冲击电压幅值为U0，由高压工程可知起始电压在线圈导线长度L上的分布式为式中 ，其中C0和K0为线圈总的对地电容和饼间电容（a称空间因数）。al3以后，shalchal,这样不管中性点是否接地al越小，即a越小，或K0越大而C0越小。起始电压分布越接近于直线。U0/l是平均梯度，所以al是首端梯度为平均梯度的倍数。因此增大串联电容K或减小对地电容C，使al减小后可以改善起始电压分布。一般连续式线圈的al在515（电压级次低的为大值），220kV纠结式线圈的al在3左右。（c）电压披荡：从起始电压分布过渡到最终电压分布的过程中（图36中t1t3），由于电容电感起作用而产生振荡。起始电压分布和最终分布电压相差越大振荡越强烈，在线圈不同点和不同时间出现最大电压，最大梯度也随之而改变。因此，改变起始电压分布是改善变压器绝缘性能的主要出发点。显然，中性点接地时最大电压比中性点绝缘时为小。（所以中性点接地好）普通非调压变压器连续式线圈在无穷长直角波作用下，由图36可知，最大电压：中性点接地时达1.4U0，出现在线圈中部附近；中性点绝缘时可为1.9U0，出现在线圈末端。它们也是相间电压。最大全波冲击电压梯度：如al取15，线饼为60饼，则首端的梯度为al(U0/l)=15×l/60=25%,因此其饼间全波最大梯度30%，另外，截波最大梯度50%。调压变压器的最大电压和最大剃度主要在调压线圈上，最大电压是调压线圈两端或中性点，最大剃度在调压线圈两端或分接间，所以调压线圈匝绝缘厚，也易损坏。（所以很多冲击损坏在高压首端（无载），和有载变压器的调压线圈。）4.5绝缘措施针对以上电压分布,在变压器主、纵绝缘上分别采取了一定绝缘措施。4.5.1线圈间主绝缘 根据工频试验电压决定线圈间主绝缘是油隔板绝缘，隔板为绝缘纸筒，35kV级及以下可以采用胶纸筒，35kV级以上只能采用绝缘纸筒。根据上面的绝缘性质可以决定线圈间主绝缘的电气强度，其中最主要的是紧靠线圈表面油隙中的电气强度。它分为厚纸筒大油隙和薄纸筒小油隙两种结构的电气强度。a.厚纸筒大油隙的电气强度：线圈间主绝缘距离中纸筒为6mm以上，油隙大于20mm时称后纸筒大油隙结构（60kV级及以下常采用）。它按最小击穿电压与线圈间绝缘总距离S（mm）的关系，以试验电压作为最小击穿电压求出该总距离即可.b.薄纸筒小油隙的电气强度：线圈间主绝缘距离中纸筒4mm，油隙15mm时称薄纸筒小油隙结构（110kV级及以上常采用）。它是按均匀电场中最小击穿场强与油隙间距（线圈表面油隙是决定线圈间主绝缘的主要因素）的关系，求出允许击穿，再考虑同心圆柱电场的集中系数和工艺系数，那末，在试验电压下由油隙平均场强决定的线圈表面场强小于该允许击穿场强即可。应该指出，这里求取的间隙间距只考虑了按工频试验电压决定的辐向场强。但是冲击试验时线端梯度电压大，轴向场强高，故还需考虑其复合场强。它能使场强值提高1.3倍左右。（c）端部绝缘的电气强度端部绝缘是指线圈端部至铁轭和相邻线圈端部的绝缘。端部电场分布复杂，端部出线的最大场强在高压线圈端部内侧油隙中。如果端部线段导线圆弧大或有附加绝缘，或加静电环，可以使最大场强减弱。如果又增加绝缘隔板、角环，则又使爬电距离增大。 易产生局部放电而导致沿面放电。它与主绝缘距离S和到铁轭的距离H有关。一般情况下，当H/S2.5时，H增加，端部绝缘强度增加显著，如再增加H效果就很小了，所以低电压变压器端部绝缘一般取H=2.5S。但低压线圈的端部绝缘Hx与H值也有关系，Hx越小低压线圈端角场强越小，而高压线圈端角场强越高，因此Hx应略大于H（对短路应力而言，则相反），如所示。如果端部线段导线圆弧大或有附加绝缘，或加静电环，可以使K点最大场强减弱。如果又增加绝缘隔板、角环，则又使爬电距离增大。 4.5.2线圈纵绝缘 根据冲击电压决定改善冲击分布首先改善起始电压分布。冲击电压的冲击波作用在线圈上将产生高于试验电压的最大电压，而冲击电压大部分降落在线圈端部产生最大梯度。其根本原因就是由于冲击电压起始分布和最终分布不一致，产生电压振荡的结果。因此，实用线圈一般要采用限制振荡电压的措施，即所谓变压器线圈的内部保护，以改善起始电压分布。改善起始电压分布的方法自然是电容补偿法，即向对地电容提供电荷和增大纵向电容的方法。前一种方法是加静电环和并联电容补偿的静电线匝的方法；后一种方法是采用纠结式线圈、内屏蔽式线圈和圆筒式线圈及分区补偿线圈（递减纵向电容补偿）等串联电容补偿的方法。根据梯度分布，加强线圈纵绝缘的电气强度。圆筒式线圈有静电屏时，层间梯度约25%；连续式线圈距线端15油道的全波梯度最大约为30%，56油道的截波梯度可达5060%；纠结连续式线圈最大全波梯度在连续部分第3油道约为25%，截波梯度也偏大；全纠结式线圈的全波尤其是截波梯度偏小；内屏蔽式线圈类似于纠结连续式，但梯度偏小。对应这些数值可知线圈匝间、层间和段间的试验电压值。线圈纵绝缘包括线匝间、层间和线段之间的绝缘。主要以全波或截波试验电压下线圈各点间梯度电压为依据。油纸绝缘结构的基本规律 目前，我国生产的油浸式变压器的绝缘结构，主要是采用油一隔板绝缘结构型式。下面对油一隔板结构的基本规律及其特点进行概要的分析，为绝缘结构设计提供必要的基础。 ·1 变压器油的耐电强度 在油一隔板绝缘结构中，绝缘性能在很大程度上取决于油的耐电强度。油的耐电强度在理论上式很高的，在实验中曾对特别纯净的油进行测试，其耐电强度高达4000KV/cm以上，实际上净化后的工程变压器油约为200250KV/cm，而在标准油杯中击穿电压一般为40KV/2.5mm以上，这样大的差异主要原因是由于变压器油中含有杂质而引起的。 变压器油的耐电强度取决于其中杂质的含量。图5.12给出了油的耐电强度与其所含水分关系的实验结果。由此可见，变压器油中含有水份将大大降低其耐电强度，当含水量增加到超过0.2时耐电强度几乎保持不变，这是因为只有一定数量的水份才能悬浮于油中，而多余的水份则沉积于底部而不影响耐电强度。 然而，油中如果同时存在水份和纤维时，对油的耐电强度降低的影响较之水份和纤维单独存在时严重的多。主要原因是水份纤维杂质引起了电场分部的畸变，局部电场强度升高的结果。因此在变压器中所采用的油必须经过虑及真空干燥处理，以清除其中所含的杂质和水份。此外，在变压器的制造过程中，为了消除变压器内部存有的空气，以及注油过程中混入空气等杂质，而在真空状态下注油。对于工程纯度的变压器油，定量地测量其中所含水份是困难的，通常是利用在标准油杯中测得的击穿电压，作为检查油的受潮程度的标准。我国采用的标准油杯有两个直径为25mm，厚度为58mm的铜盘，两盘相对一面的边缘制成半径为2mm的圆角，两盘均垂直放置，相距2.5mm。 对于各种电压等级的变压器，其中所用的油在标准油杯中的平均击穿电压应不低于表5.5所示的数据。 变压器油的耐电强度还与温度、压力、电场均匀程度及电压作用时间等因素有关。 温度的影响 油间隙的耐电强度与温度的关系是复杂的，在060范围内，油受潮后的击穿电压，往往随温度升高而明显上升，如图5.14所示。其原因是油中悬浮状态的水，随温度上升而转化为溶解状态的缘故。在6080范围内，受潮的变压器油的击穿电压可能出现最大值，如图5.15曲线b所示。这是因为温度超过80时，油中水份汽化增多，而温度低于60时，油中处于悬浮状态的水份较多的缘故。因此，在实验变压器油样时，应在室温下进行，加热虑油时，油温不宜超过60。未受潮时，油的击穿电压受温度影响较小，如图5.15曲线a所示。电场均匀程度的影响 油的纯净度较高时，改善电场的均匀程度能使工频击穿电压明显提高。但在品质较差的油中，因杂质的聚集和排列已使电场畸变，电场均匀度带来的好处并不显著。含杂质的油受冲击电压作用时，因为杂质来不及形成“小桥”，改善电场均匀程度也能提高其击穿电压。所以，考虑油浸式均匀结构时，如在运行中能保持油的清洁，或主要受冲击电压的作用，则因尽量使电场均匀。反之，如绝缘结构长期受工频电压的作用，或运行中容易变脏和劣化，则设计时油中绝缘距离应按极不均匀电场来考虑。电压作用时间的影响 油间隙的击穿电压随电压作用时间的增加而下降，如图5.16所示。因为油中杂质的聚集和介质的发热均需要有一定的时间。当油的纯净度及温度提高时，电压作用时间对击穿电压的影响减小。经长时间工作后，油的击穿电压会缓慢下降，这是由于油老化、变脏等原因造成的。在油不太脏时，一分钟耐电强度和较长时间的耐电强度相差不大，因而我国进行耐压试验时，通常只加电压一分钟。隔板在均匀电场与不均匀电场中，对于提高油间隙的耐电强度所起的作用是不同的。在图5.17中给出了变压器油的伏秒特性。关于变压器油的击穿机理，从理论上可概括为碰撞电离理论，它是把气体碰撞电离理论扩展于液体介质，是近年来由于可以对液体介质中的电子现象加以测量，从而期望对液体介质的击穿机理得到统一解释；另外，液体介质由于各种原因而含有气体是液体介质击穿的主要因素，及气泡击穿理论。尽管已对变压器油的击穿问题进行了许多试验研究工作，但还是未能得出较完整的理论，其击穿过程的分析主要还是以试验为基础。在工程上认为它与空气一样是由于产生局部放电而发展到击穿的，即认为击穿是因油中含有空气、水份和纤维杂质引起的电场分布的畸变而导致局部电场强度升高的结果。在电场的作用下，这些杂质沿电场方向排列而在电极间形成所谓半导体“小桥”，开始时为漏电通道，最后成为击穿通道。这就是定性描述击穿过程的“小桥”理论。这种“小桥”理论虽然在一定程度上能说明试验现象，但不能从理论上定量分析，因此在工程上应用还主要依赖于实验数据。·2 固体绝缘与油配合的作用由上面分析可知，为了提高变压器油的耐电强度和减小绝缘结构尺寸，除了设法减少油中杂质和尽可能不使杂质混入油中外，更有效的措施是采用固体绝缘和油配合组成的复合绝缘。在变压器绝缘结构中采用的复合绝缘可分为覆盖、绝缘层和隔板三类。1. 覆盖对油间隙击穿电压的影响覆盖是用固体绝缘材料、如电缆纸、皱纹纸及绝缘漆等做成紧贴于电极表面比较薄（约十分之几到几毫米）的绝缘层，例如导体所包绕的纸带或皱纹纸等。覆盖基本上不改变油中电场强度。覆盖的作用，在于消除任何情况下油中纤维杂质的积聚并形成半导体小桥而将两电极短接的现象。因此，它的有效性与电场均匀度有关。试验表明，电场越均匀，油中杂质含量越多，覆盖的作用越显著。在冲击电压作用下，或在极不均匀电场中，覆盖的效果很小。覆盖使击穿电压提高的百分数：（1）工频电压下，对于均匀电场为（70100）；比较均匀电场为（2535）；极不均匀为（1015）%。因为在不均匀电场中纤维杂质不易形成半导体小桥，在均匀电场中易于形成小桥，而覆盖正好就是起阻碍小桥形成的作用，故使均匀电场情况下击穿电压有很大程度的提高；（2）在冲击电压作用下，覆盖不起很大作用，甚至由于覆盖不均匀性而引起电场的某些畸变，从而导致击穿电压降低。2. 绝缘层对油间隙击穿电压的影响 绝缘层与覆盖不同的是其厚度较大（有时可达十几毫米），且承担一定比例的电压而使油中电场减小。因此，它在工频和冲击电压下都有显著的作用。在极不均匀电场中，对于电场集中的那一个电极加以绝缘层，油间隙的耐电强度就提高很多。绝缘层在变压器中应用于高压线圈首端及末端线饼的加强绝缘、静电环的绝缘以及引线绝缘等。 例如变压器引线对油箱壁的情况，若油隙为100mm。引线上加0.5mm的绝缘层时，击穿电压较裸电极时提高50；3mm时提高100；6mm时提高150；10mm时提高200等。 必须指出，如果在均匀电场中油间隙内存在一定厚度的固定绝缘层时，因为油间隙中的电场强度与介电系数成反比，故油中电场强度反而会提高。3. 隔板对油间隙击穿电压的影响隔板的厚度一般为26mm，它是位于电极间油间隙中的固体绝缘材料，例如变压器线圈间的绝缘纸筒或胶纸筒（中小型变压器）、线圈端部的角环等。隔板在均匀电场与不均匀电场中，对于提高耐电强度所起的作用是不同的。在不均匀电场中，由于油中的杂质不能迅速形成小桥，因此隔板的作用和空气一样，即油中的自由电荷积聚于隔板（屏障）上形成一附加电场，这种电场改变了原电场分布，使其变得均匀一些，且电场的均匀性随隔板数增加而增加，因而提高了油间隙击穿电压。实验结果表明，在一分钟工频电压作用下，隔板距最大场强的电极处为全部油间隙距离的（1535）%时，击穿电压可达到无隔板时击穿电压的（200250）（图5.18），距离越大，隔板的效果越小。当隔板放在平板电极附近时，击穿电压提高很小。而当隔板过分靠近针尖电极时，虽然全部击穿电压可提高，但降低了针与隔板间的局部击穿电压，易于产生局部放电，因而能逐渐破坏隔板。只有在短时过电压下才允许局部放电。而在长期工作电压下是不允许局部放电的。在均匀电场中隔板的作用和覆盖相似，即起阻止纤维杂质在油间隙中形成半导体的小桥作用。隔板在油中最有利的位置和不均匀电场中一样，是在距离最大电场强度的电极表面25处。隔板在最佳条件下，使平均击穿电压提高不超过2.5。在冲击电压作用下，在极不均匀电场中，采用隔板是有利的，最有利的位置是紧靠曲率小的电极处。在较均匀电场中，隔板对冲击电压作用不明显，因为在冲击电压下，小桥效应本来就比较弱。此外，50年代发表了油浸耐电强度的效体积效应。就是在均匀电场和稍不均匀电场中，变压器油的耐电强度随受电压作用的油隙体积的减小而提高，即变压器油具有“体积效应”，如图5.19所示。在世纪的变压器绝缘结构中，是采用普通绝缘纸板或瓦楞纸板将油隙分隔成若干小油间隔（体积）瓦楞纸板的高度正好是油一隔板主绝缘结构的油隙宽度。在油一隔板绝缘结构中，许多试验所积累数据表明，油隙宽度（d）与击穿电压（Ub）之间的关系，从测得结果可以用下列经验公式描述： UbKd-n （5.14）式中，K、n为常数，K值与电