中国电机工程学会高电压专业委员会2004年学术会议论文
高压绝缘设计
刘志强，李庆，张子生，张庆安，周文杰
河北大学（071002）
本文着重讨论气体、液体、固体及复合绝缘材料的击穿机理，并以绝缘为主线设计出一套110kV摘 要：
高压电源。本文具体探讨了油浸变压器内、外绝缘选材及设计方案。
关键词：高电压 绝缘 变压器
1 引言
绝缘通常是电气设备中的薄弱环节。电力系统事故中很大一部分就是由于设备绝缘破坏所造成的。如根据110kV及以上变压器的93次事故分析，绝缘事故要占80%以上（匝绝缘、主绝缘及套管绝缘各占43%、23%及15%）如何采用先进技术，既经济合理而又安全可靠的解决电力系统中的绝缘问题就变得十分重要了。
2 击穿机理
2.1 固体绝缘材料的绝缘击穿原理
2.1.1 电击穿
根据气体放电的汤逊碰撞电离理论，本征击穿强度EB与电子平均自由行程λ有关，如将固体看作是强烈压缩的气体，则固体的密度约为气体的2000倍，随着密度增大而减小的电子自由行程，前者比后者小2000倍，固体介质点击穿强度就应大致比气体高2000倍。已知空气在正常状态下的平均击穿强度约3×106kV，这样估算的固体电击穿强度应达6×109kV左右，它与实验值(108～109kV)的误差不大。所以说固体电击穿基于气体电子碰撞电离机理的观点是可取的。
按判断击穿发生的条件不同，电击穿理论分为:以碰撞电离开始作为击穿判据的本征击穿理论；以电离开始后电子剧增到一定数值，足以破坏介质介电状态作为击穿判据的“雪崩”击穿理论两大类。
1) 本征电击穿
电子在电场中被加速，单位时间获得的能量（能量速率）：
A=
e2E2m*
τ=fv=eμE2=⎜
⎛∂ε⎞
⎟=A(E,ε) ∂t⎝⎠E
当平衡时，A(E,ε)=B(T,ε),晶体中形成稳定的电导。当电场升高到使平衡破坏时，立即发生碰撞电离，因此以满足平衡条件（A=B）的最大场强作为电离的起始场强，用此场
强表示介质EB的即为本征电击穿理论。
2) “雪崩”电击穿
① 隧道击穿（静电电离或场致发射击穿） 电介质由于隧道效应使电流剧增而丧失介电性能的现象称为静电电离隧道击穿（齐纳击穿）。 714
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在强电场下隧道电流随场强增大而剧增，因而势必导致介质丧失介电性能；隧道电流与禁带宽度有密切的关系。当禁带狭窄时，在相对较低的强电场下就有很大的隧道电流。对于禁带宽度较窄的介质半导体来说，在强电场下完全有发生隧道击穿的可能性。
② 碰撞电离雪崩击穿。固体电介质在强电场下会发生同气体放电类似的碰撞电离，形成电子崩的电子过程。塞兹提出以电子崩传递给介质的能量足以破坏介质晶格结构作为击穿判据，提出 “40代理论”。由“40代理论”可以推断，当介质厚度很小，碰撞电离不及发展到四十代时，电子崩已进入阳极复合掉，介质就不会击穿，要使介质击穿必须提高场强。这就解释了薄层介质的强化效应。 2.1.2 热击穿
当固体介质加上电场时，介质中将发生损耗引起发热，使介质温度升高；而介质的电阻具有负的温度系数，即温度上升时电阻将变小，这又会使电流进一步增大，损耗发热亦跟着增大。因此，如果同一时间内介质中发生的热量比发散的热量大时，介质温度将不断上升，进一步引起介质分解，炭化等，致使介质击穿。
为避免产生热击穿，在采用材料及选择结构时，应尽量考虑减小发热因素和改善散热条件。
2.2 液体材料的绝缘击穿
一般认为，纯净的液体介质的击穿过程基本上与气体介质的击穿过程相类似。在液体介质中，总会有一些最初的自由电子（被外界来的高能射线游离出来的，或在局部强电场作用下从阴极冷发射出来的，等等），这些电子在电场的作用下运动，产生撞击游离而导致电击穿。
由于液体介质的密度远比气体介质大，液体介质中电子的自由行程很短，不易积累到足以产生撞击游离所需的动能，因此，纯净液体介质的耐电强度总比常态下气体介质的耐电强度高得多，前者可达10V／cm数量级，而后者仅有10V／cm数量级。纯净液体介质的击穿完全由电的作用造成，故为“电击穿”。
工程用液体电介质总是不很纯净的，总是含有一些杂质的。这些杂质的介电常数和电导与纯净液体介质本身的相应参数不等同，这就必然会在这些杂质附近造成局部强电场。由于电场力的作用．这些杂质会在电场方向被拉长，在电场方向定向，并逐渐沿电场力线排列成杂质的“小桥”。如果此“小桥”贯穿于电极之间，则由于组成此“小桥”的纤维及水分等的电导较大，使泄漏电流增大，发热增加，促使水分汽化，形成气泡；即使杂质小桥尚未贯穿全部极间间隙，在各段杂质链端部处液体电介质中的场强也将增大很多，液体介质在此局部高场强下电离而分解出气体；小桥中气泡的增多，促使游离过程增强，最后将小桥通道游离击穿。此过程是与热过程紧密联系着的，故为热击穿。
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3 高压静电变压器绝缘设计
3.1内绝缘设计
3.1.1低压绕组的绝缘结构
变压器的铁芯采用单相壳式结构，中心柱放置绕组，并采用五级铁芯其直径为82mm的圆柱结构。低压绕组采用多层式绕组形式。
绕组的绝缘结构既要考虑其耐压还要考虑机械强度及制作工艺条件。低压骨架的绝缘
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材料有：聚氯乙稀灰塑料管，电力变压器绝缘纸筒及30环氧酚醛层压玻璃布管。其中30具有较高的机械强度，较好耐热性能和介电性能，适用于较潮湿环境。浸在变压器油中效果较好。
图1 低压包结构
低压包结构示意图如图1。低压包的主绝缘骨架其垂直层向的工频击穿强 度≥20kV符合工频实验电压2500V的绝缘要求。低压绕组的层间绝缘用0.1mm聚酯薄膜，其工频击穿强度≥10kV/层 满足低压绕组层间绝缘1kV的要求。 3.1.2 高压绕组的绝缘结构
高压绕组工作电压高，易发生闪络击穿故障。高压绕组采用分段式每个 绕组承受交流电压55kV
1) 高压骨架的选材
可采用聚氯乙稀管外缠0.1mm的聚酯薄膜，也可采用30。 2) 高压骨架的结构
① 采用30绝缘筒，工频击穿强度≥140kV，试验在常温、常压合格25号变压器油内进行。
② 高压线圈两侧3240绝缘挡板，工频击穿强度≥90kV，试验在常温、常压、合格的25号油中进行。
③ 两个高压包中间隔板，材料为3240，性能与B相同。
④ 环氧树脂粘合面。由环氧树脂、二丁脂和乙二胺调配而成，是高压绝缘结构中的最薄弱的环节,要求配比适当，否则，极易击穿。
3) 高压绕组的绝缘结构
同样的高压骨架结构，不同的绕组及绝缘结构，研制出的设备性能不尽相同，我们主要考虑两种高压绕组结构，一种是纸满梯形绕组及绝缘结构，另一种是纸不满梯形绕组及绝缘结构，这里的“纸”是指绕组的层间绝缘纸。
本设计通过对比纸满梯形与纸不满梯形的结构作出合理选择。 ① 首先介绍纸满梯形结构
VAVB为高压包两个输出端电位，VAB的额定电压为110 kV，由图中可以看出此结构的
最大特点是绕组呈梯形结构，其优点在于随A、B两绕组之间相对电压的升高，绕组与两侧隔板以及绕组之间的净绝缘距离逐渐增大，他在的层间绝缘采用0.1mm的聚酯薄膜，其工频击穿强度≥10kV/层。每层绕组为300－500匝，层与层之间的电压最高为1000V。由于薄膜的结构采用满放于骨架之中的结构，当电压升到80kV时，就会在顶层绕组与中隔板以及绕组与侧挡板之间靠近线圈的边缘产生1－3mm长的“爬弧”．当电压升到100kV时，“爬弧”长到10—30mm。随之有放电声出现，绕组边缘线圈向外移动，直至VAB之间放电把中间挡板C打出黑痕，甚至VAB间击穿，所以该结构仅适用于80kV以下的静电电源中。本设计不能采用此结构。
② 纸不满梯形结构 716
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纸不满的梯形绕组及绝缘结构如图2所示。此种结构的特点是线圈层间用的绝缘纸不满，左右留有空挡，绝缘纸比绕组宽10－20mm，加大层与层间“爬弧”距离，亦可防止线从包上滑下。层间采用DLZ－12型电缆纸，每层电缆纸的绝缘≥0.9kV时， Φ0.19漆包层绝缘≥1500V，每层匝数为330－350匝，具体每层匝数由排线的松紧而定，层间最高
电压
图2 纸不满梯形绕组及绝缘结构
为700V，此种结构绕组须进行真空浸漆处理并在高压包两侧作一些处理，防止高压线圈左右滑动。此结构高压包两侧线圈无放电现象发生。 3.1.3 中筒的绝缘结构
中筒的结构选用30环氧酚醛层压玻璃布管，中筒可以改善高压包与低压包之间的绝缘性能。中筒与高压包之间有一定的间隙作为油道加强散热。
3.2 油的绝缘设计
变压器油用于变压器的线圈浸渍和铁芯绝缘，同时作为冷却介质，将变压器在运行中产生的热排除掉。变压器油是电力和配电变压器中大量应用的介质，应受到特别的注意。 变压器对油的要求是：①良好的电性能，如介电强度高，介质损耗因数小；②粘度小，散热快，冷却效果好；③抗氧化稳定性好，使用寿命长；④凝点低，有较好的低温流动性；⑤闪电高，蒸发损失小，着火危险性小；⑥不含腐蚀金属与其它材料的物质，相容性好。
油中杂质有外来杂质和内分解杂质。外来杂质有固体绝缘纤维，空气中的尘埃和变压器制造过程中导致的微粒。内分解杂质有油中不饱和烃所分解的氧化物，油泥，可溶性树脂和游离碳等。这些杂质悬浮于油中，在电场作用下，易形成“桥”使油的电气强度降低。油中的树脂系化合物使酸值增大和对油的粘度和凝点有不利影响。
变压器油中的气体对油的电气强度也有影响。若气体在油中为溶解状态，影响不甚显著。若为悬浮状，则引起电场畸变，影响较大。当气压为760mmHg，温度为20C时，变压器油对空气的溶解量大约为8－10％体积。当温度上升，或压力增大时，溶解量相应增大。
极纯净变压器油的电气强度很高，而工程用变压器油的电气强度往往为180kV/cm ，这是由于在制造和运行过程中不可避免的会有杂质，气泡和水分等混入。油中的水分可能会有不同的形态：完全溶解，液态微粒以及固态（例如冰）微粒等。当水分完全溶解于油中时它对油击穿电压的影响很小，因此当温度从0C左右上升时，水的溶解度增大，相同含水量的油的击穿电压值提高；当冷到0C以下后水分又转为固态微粒，影响也减少了。
为减少气泡的存在保证变压器绝缘的稳定可靠，本设计采用真空注油。先将变压器抽真空至剩余压力小于133Pa（应考虑油箱的强度而定），维持一定时间，以消除绝缘在装配过程中吸收的潮气，然后进行真空注油。注油后还要要求热油循环，以提高绝缘质量。
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4 结论
（1）110kV高压静电变压器可采用30及3240为主的绝缘材料为骨架。
（2）110kV高压静电变压器高压绕组采用纸不满梯形结构可满足相应绝缘要求。 （3）变压器油采用25号油即可满足要求。
参考文献
[1] 张子生等，《100kV高压静电变压器绝缘结构探讨》，《静电》1997季刊12卷12期。 [2] 郑树人，郑景清，《变压器应用与维修》，上海科学技术出版社，P250-254 。 [3]《电工绝缘手册》编审委员会 编，《电工绝缘手册》，机械工业出版社，1部分P82-85。 [4] 朱德恒，严璋，《电压绝缘》清华大学出版社，P187-1。 [5] 周泽存，《高电压技术》水利电力出版社，P75-76。 [6] [日]小崎正光，《高电压与绝缘技术》，科学出版社，P20-52。
作者简介
刘志强：出生于54年6月，教授，河北大学等离子体专业硕士生导师，现任河北大学科学技术处、
静电研究所所长。主持多项省级纵向课题，获省科技进步三等奖5项，主持多项横向课题，发表学术论文40余篇，其中多篇EI检索。
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