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第第44卷 第卷 第5期期 2018年年5月月 工矿自动化 Industry and Mine Automation Vol. 44 No. 5 May 2018 文章编号671-251X 201805-0036-06 DOI 10. 13272/j. issn. 1671-251x. 2017100006 矿用隔爆型干式变压器绕组局部放电 对温升的影响 万志强1 曹鹏刚1 宋建成23 雷志鹏23 1.中国能源建设集团山西省电力勘测设计院有限公司，山 西 太 原 030001; 2. 太原理工大学矿用智能电器技术国家地方联合工程实验室，山 西 太 原 030024; 3. 太原理工大学煤矿电气设备与智能控制山西省重点实验室，山 西 太 原 030024 摘要 为了分析矿用隔爆型干式变压器绕组绝緣层中的气隙或杂质等缺陷对绕组温升的影响， 以一台连 续式绕组1 000 kVA/10 k V 矿用干式变压器作为研究对象， 介绍了矿用干式变压器绕组匝间及层间绝緣结 构 ； 借助红外摄像仪对不同放电类型和不同老化温度下试样的温升特性曲线进行类比分析， 得 出 以 Nomex 绝緣纸为绝緣层的干式变压器匝间放电及层间放电与温度之间的关系； 运用传热学原理并结合绝緣材料特 性进行数值计算及分析， 得出矿用干式变压器匝间放电对绕组发热过程的影响， 为变压器内部热点温度的定 位及局部放电点的准确定位提供了理论依据。 关键词 隔爆型干式变压器 绕组绝緣 局部放电 匝间放电 层间放电 温升特性 中图分类号 TD60 文献标志码A 网络出版地址 Ettp //kns. cnki. net/kcms/detail/32. 1627. TP. 20180503. 1435. 003. html Influence of partial discharge on temperature rise of windings of mine-used flameproof dry-type transer WAN Zhiqiang1 , CAO Penggang1 ，SONG Jiancheng2’3，LEI Zhipeng2’ 3 1. Shanxi Electric Power Engineering Co. , Ltd. , China Energy Engineering Group, Taiyuan 030001, China; 2. National and Provincial Joint Engineering Laboratory of Mining Intelligent Electrical Apparatus Technology, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024’ China; 3. Shanxi Key Laboratory of Mining Electrical Equipment and Intelligent Control, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China Abstract In order to analyze influence of air gaps or impurities in insulation layer on temperature rise of windings of mine-used flameproof dry-type transer, a mine-used 1 000 kVA/10 kV dry-type transer with continuous winding was selected as research object, inter-turn and inter-layer insulation structures of windings of dry-type transer were introduced. Infrared thermal imaging camera was used for analogy analysis of temperature rise characteristics of the samples under different discharge types and different aging temperatures, and relationship between temperature and inter-turn discharge and inter-layer discharge of dry-type transer using Nomex insulation paper as insulating layer was obtained. Using theory of heat transfer and combining with insulation material characteristics to calculate and analyze the 收稿日期收稿日期2017-10-10;修回日期修回日期2018-03-10;责任编辑 胡娴。责任编辑 胡娴。 基金项目 山西省科技创新团队建设项目（基金项目 山西省科技创新团队建设项目（2012011001 作者筒介作者筒介 万志强万志强“M87 ）） ， 男男， 河南驻马店人河南驻马店人， 工程师工程师， 硕士硕士， 研究方向为高电压及绝缘技术研究方向为高电压及绝缘技术，E-mail wanzhiqiangsepec. com. cn。。 引用格式引用格式万志强， 曹鹏刚， 宋建成， 等万志强， 曹鹏刚， 宋建成， 等.矿用隔爆型干式变压器绕组局部放电对温升的影响工矿自动化矿用隔爆型干式变压器绕组局部放电对温升的影响工矿自动化，2018，4456-41. WAN ZhiqiangCAO PenggangSONG Jianchenget al. Influence of partial discharge on temperature rise of windings of mine-used flameproof dry-type transer]. Industry and MineAutomation，2018,4456-41. 2 0 1 8 年 第 5 期万 志 强 等 矿 用 隔 爆 型 干 式 变 压 器 绕 组 局 部 放 电 对 温 升 的 影 响 37 influence of inter-turn discharge dry-type transer on heating process of windings. The paper provides theoretical basis for accurately locating hot spot temperature inside transer and partial discharge point. Key words flameproof dry-type transer; winding insulation; partial discharge; inter-turn discharge; inter-layer discharge; temperature rise characteristic 〇 引言 矿用隔爆型干式变压器（ 以下简称干式变压器） 在 中要经受电、 热、 机械（ 应力影响， 其中 热应力是引起变压器绕组绝缘老化的主要 。因 此 ， 相关标准中 压 缘系统的 允许 温升限值作了明确规定[1]。 GB 82862005 矿用 隔爆 动 变 电 站 规 定 ， 对 于 耐 热 为 F 155 C 和 H180 C 的 绕 组 匝 间 绝 缘 （ Nomex 缘纸） 和层间绝缘（ 聚 酰 亚 胺 薄 ） ， 其允 升限 值分别为100 C 和 125 C 。如 升 限值将会 缘老化加速， 原始故障缺陷凸显。随 压 用年限的增加， 其热点 老化加剧， 加之绕组 生 中工 ， 在绝缘层 缘漆中可 能存在气隙 ， 在电、 热 的综合作用 ， 势必 生 电现象， 缘劣化。气隙 内 的 电属于 状高气压 电， 大 电粒子高速撞 缘层， 从而破坏绝缘 ， 造 Nomex绝缘纸再 化 ， 最终 缘层贯穿， 形成短路[ 2 3 *。 国内外研究者在变压器温度场热点温升计算、 修正热 用 、 有限 、 外界因 场的影响等方 分析， 得出 油浸 压 包 压 时的温度 场分布， 并提出了很多可行思路[ 3 4]。但这些研究均 是针对地面用电 压 时的 分布， 地面用变压 压器的绝缘 有 很 [ 度 的不同， ， 有所区别。 中 压器绕组温升 的研究很少， 尤其是整个 场 缘老化加 层次影响， 以及匝间和层间 电 压器绕组温升的影响等。 本文以一台连续式绕组、 以 Nomex绝缘纸及聚 酰亚胺薄膜为主要绝缘材料的1 000 kVA/10 kV 压 为 ， 研 究 压 中 发生匝间及层间放电时的发热量保护电阻为水电阻， 其作 用为限流和减少试样复合绝缘层 时 压器 缘的损坏。测 台可 压器内 ， 具体功能如下 2 0 1 8 年 第 5 期万 志 强 等 矿 用 隔 爆 型 干 式 变 压 器 绕 组 局 部 放 电 对 温 升 的 影 响 39 I 绝缘正常试样热像图绝缘正常试样热像图 3 500r 3 000 2 500 2 000 I 1000 500 b 存在气隙试样热像图存在气隙试样热像图 5 000 4 000 栽 3 000 釤 -tf 2 000 转 1000 “ 存在毛刺试样热像图存在毛刺试样热像图 0 45 90 135 180 225 270 315 360 放电相位/〇 存在气隙试样局部放电二维图存在气隙试样局部放电二维图 Fig8 图图6 8 0 t老化后绝缘中气隙局部放电引起的温升老化后绝缘中气隙局部放电引起的温升 Temperature rise caused by partial discharge of air gap in insulation aged at 80C 对比不同故障缺陷， 通过放电二维图和热像图 可以看出 “ 绝 缘 存 在 气 隙 的 试 样 发 热 分 布 均 勻 ， 如 图 6d所示， 没有突出的 升高点， 但整体发热 明显。 电二维散点图在正半周 半周的局 电基本 ， 正负半周的最 电分别发 生在放电相位为15〜60和 195〜225范围内， 有明 显的尖锋， 且正负半周散点图的左侧比右侧分布 。 “ 绕 组 存 在 毛 刺 的 试 样 发 热 点 更 为 明 显 ， 图 6 “ 中 A 点为放电点， 发热量尤为突出， 该类型 的放电二维散点图正半周 半周的 电出现 不 现象， 负半周放电量明显大于正半周。不同 发展时期， 正负半周的最 电分别发生在放 图图5测试平台结构测试平台结构 Fig. 5 Structure of test plat “ 设置试样测 范围“ 0 〜200 C. 模拟绕组在变压器内部正常工作时的温度。 “ 设置试样测试环境相对湿度（ 5 〜8 0 ， 模拟绕组在变压器内部正常工作时的环境湿度。 “ 实时调节加载电压， 精确度为0. 05 kV。 对 热 老 化 后 的 试 样 分 别 电 老 化 ， 使用 Haefely 电测试仪测量各试样放电二维谱图 的偏斜度（ 、 相关系数等， 观察其不 的 老化放电 ； 将 F L IR 红外摄像仪 U SB 数据 接口连接工 ， 用于实时采集红外影像。 3试验结果及分析 以匝间绝缘且老化温度为80 C 的试样为例进 行电老化试验， 对绝缘良好、 存在毛刺和气隙的试样 验 的试样热像图 电 二 维 图 如 图 6 所示。 反射温度 对象距离 相对湿度 大气温度 外部温度 外部透射率 对象距离 1 m 相对湿度 50 大气温度 20 外部温度 20 外部透射率100 I _J 点点 方框方框 18.4 0FLIR 最尚 24.5 24 40 工 矿 自 动 化2 0 1 8 年 第 4 4 卷 电 为60〜90。 和 240〜270。 。 间 隔 5 min进行一次红外谱图采集， 在室温为 10 t 为 5 0 的 ， 选取在不同温度 下老化的放电样品， 用 恒 压 1. 5 倍额定电压继续老 化 。 缘缺陷产生的 电所引起的试样温 升 ， 可以看出， 在绝缘老化 之前， 相对于气隙放 电而言， 尖端放电在整个 中的温升速 ， 温 趋于 值 ， 如 图 7 所示。 图图7不同温度条件下老化的绝缘温升曲线不同温度条件下老化的绝缘温升曲线 Fig. 7 Temperature rise curve of insulation aged at different temperature 通过对比可以看出，40 t 下 老 化 的 Nomex绝 缘纸 老化时产热 ， 而且在整个温升 中升温速 化 ； 在 80 t 下电老化的试样温 升速度明显 ， 然而在升温至25 t 时 ， 温升速度 ， 在最高 28. 7 t 趋于平稳； 在 120 t 下老 化的试样， 由于在该 期工作的干式变压器 缘劣化， 温升速度明显 ， 热量剧增 以为 化量。 根据不 的不同材料损耗因数tan 3 分 布曲线[1213]，可 得 Q2 的计算公式，如式（ 3式 （ 6 所示。 Q2 oCU2tan d 3 r cotA t an 3 er rA 6 C 1 6〇2t2 c a C。 （ 1 6 C。 为几何电容。 4. 2 单匝绕组热量在整体绕组中的传递分析 在外 、 绕组和外 热交换 良好时， 绕组 仍然能 升高， 最后达 t定 状态。根据传热 ， 结合绕组 的形状， 可得 出单匝绕组的导热类似于圆筒壁的导热[14*， 而整个 压器为多匝线圈 ， 因此， 可以单匝绕组为研究 象 ， 研究热 各个绕组层散热的 。单匝 绕组和整体绕组模型结构如图8 所示。其 中 n n 为多层筒壁各层的半径， B 14 为各层温度， A1 义 3 为各层绝缘的平均热导率。 “ 单匝线圈结构单匝线圈结构 Fig.8 b 整体绕组结构整体绕组结构 图图8变压器绕组模型结构变压器绕组模型结构 Structure of transerwindingmodel EGnBGGEG eBSBSSB S 2 0 1 8 年 第 5 期万 志 强 等 矿 用 隔 爆 型 干 式 变 压 器 绕 组 局 部 放 电 对 温 升 的 影 响 1 对于单匣绕组， 绝缘层及绕组线圈产生的热量 通过绝缘层不断向外散射， 位于某处的单点温度 和单点热量g 的计算公式分别为 B 6 t / B i lnr/riInCr/r t t t2 dr r lnr2 / r 7 8 式中） 为绝缘的平均热导率为该点与线圈中轴 线的距离。 单个整匣绝缘层为圆筒式结构， 根据传热学原 理可知， 整匣线圈的热流量P 为 一 2Xlq tt t2 * lnr/ri 9 式 中 l 为筒壁高度。 应用串联热阻叠加原则， 设不同材料构成的绕 组之间接触良好， 则变压器整体绕组的热流量少可 由单匣绕组热流量推导得出 2Zt 14 lnr/ri i lnr3/r lnr4/r3 /A3 0 5结论 介绍了矿用干式变压器绕组匣间及层间绝 缘结构， 并制作试样， 通过试验系统分析试样老化过 程中匣间绝缘的放电参数， 采集不同类型试样的红 外谱图。 2 根据试验结果分析绕组局部放电对其温度 的影响， 得出以下结论尖端放电过程中的升温速度 较绝缘层中存在气隙时快； 绝缘劣化严重的绕组升 ， 热 。 3 剖析了局部放电点形成过程， 结合传热学 原理， 分析了整体绕组的发热量。这对于运行中变 压器温度场的研究有重要的参考价值， 为连续绕组 变压器内部发热点的定位及局部放电点的准确定位 提供了理论依据。同时， 对变压器绕组故障诊断尤 其是热点温度的研究有重要意义。 参 考 文 献 （参 考 文 献 （References Conference on Electrical Insulation Dielectric Phenomena，，Amherst,i982. *雷志鹏， 宋建成雷志鹏， 宋建成.综采工作面输送设备工况实时监测综采工作面输送设备工况实时监测 及 故 障 诊 断 系 统 的 设 计及 故 障 诊 断 系 统 的 设 计[ J ] .工 矿 自 动 化 ，工 矿 自 动 化 ，20i0, 3 6 7 -5 . 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