變壓器絕緣設計

1、脈沖變壓器設計說明脈沖變壓器絕緣設計1. 設計要求初級邊主電容充電電壓為1000V，初級線圈需220匝，線徑需大于0.38mm；脈沖變壓器次級邊，需輸出至少3000V空載電壓，至少500V負載電壓，次級線圈需660匝，線徑需大于0.18mm。初級、次級線圈間需耐受幅值60kV、脈寬約幾百s的沖擊電壓。設計此脈沖變壓器的絕緣結構（鐵芯可自選）。2. 絕緣要求本次設計采用油浸式封裝，變壓器絕緣主要包括原副邊各繞組的縱絕緣（匝間絕緣和層間絕緣），兩繞組間的主絕緣，高壓繞組對鐵軛的絕緣，高壓繞組對油箱外殼絕緣，出線端絕緣等。3. 具體設計選型過程3.1 鐵芯材料分析表1 鐵芯材料性能如表1所示，鐵基超

2、微晶具有初始磁導率高并且飽和磁密相對較高的特點，由此選擇該材料作為本次變壓器設計所采用的鐵芯。這種材料鐵芯不宜切口，所以可用于小容量的手工繞組的變壓器。超微晶磁芯可向磁芯廠家定制特定的尺寸。3.2 鐵芯幾何參數(shù)的選擇由于使用的是超微晶進行手工繞組，本次設計不同于一般的先選鐵芯在確定繞組絕緣的過程，首先對繞組和絕緣的尺寸進行計算，然后確定鐵芯尺寸，這樣有利于充分使用窗口面積，方便繞組。經(jīng)過絕緣設計后可得到如下圖1所示的尺寸的鐵芯，該鐵芯由兩塊環(huán)型拼成。圖1 鐵芯的幾何參數(shù)變壓器磁芯幾何截面積為：窗口面積為：磁芯有效截面積為：其中Kc為磁芯截面系數(shù)，根據(jù)廠家提供的參數(shù)在這里取值為0.7。本次變壓器

3、設計工作頻率為1500Hz，取工作磁密為0.5T，繞組匝數(shù)220匝，原邊電壓1000V，取波形系數(shù)K=4,由下面公式可以看出所選磁芯有效截面積可以滿足要求。由于原邊電壓較低，其與鐵芯之間的絕緣可以用一層0.2mm DMD紙實現(xiàn)，DMD紙的硬度高，也可以起到保護的作用，防止鐵芯毛刺刺傷原邊導線的絕緣。3.3 原副邊繞組的設計3.3.1繞組的絕緣結構的基本要求繞組絕緣結構需滿足以下的基本要求1：1.繞組絕緣應當具有足夠的抗電強度，在各種可能的過電壓下都不應該發(fā)生擊穿或飛??；2.繞組的寄生時間常數(shù)應當盡可能??；這里主要考慮兩繞組間的和繞組匝間分布電容要盡量小。3.在最高工作溫度下及規(guī)定的使用期限內，

4、繞組絕緣的電氣和機械性能應滿足要求。4.段間油道必須在最佳范圍內選擇。油道太小，會使場強增加，降低了繞組的絕緣性能。但油道太大，也會使場強增大，對絕緣沒有好處。5.增大匝絕緣可以有效地減小場強。當場強較大時，采用增加匝絕緣的方法比增大油道等其它措施能更有效地降低場強。6.盡量降低或限制線段的段間梯度。線段的電位是最高的，線端附近的絕緣是整個繞組絕緣的關鍵部位。為減小此處場強，必須采取各種措施增加縱向電容，減小段間梯度。因此，所用絕緣材料的抗電強度越高越好，介電常數(shù)越小越好。常用絕緣材料的性能如下表所示2。表2 常用絕緣材料的性能材料名稱標稱代號介電常數(shù)最高允許工作溫度（）抗電強度（kV/cm）

5、變壓器油SYB1351-762.0-2.2595160電容器油SYB1355-60S2.1-2.395200甲基硅油2.6-3.0150乙基硅油2.4-2.7150苯甲基硅油2.6-2.8180電纜紙QB 131-79313080油中電纜紙4-4.895160油中電容器紙4.6-5.295250電絕緣紙（0.5）QB 342-734.595420電絕緣紙（0.1）QB 342-734.595360絕緣漆布GB 1306-772.8-7.7105-150120-300有機硅漆布JB 881-75180120-250聚四氟乙烯HG 2-537-671.8-2.2250250-600聚酯薄膜JB 1

6、256-773120100聚酰胺薄膜3.5-418090聚酰亞胺膜3250100環(huán)氧混合料3.3-4.7130200-300有機玻璃3.5-4.5110180-350繞組結構及其絕緣方式由脈沖變壓器的電壓、使用條件及功率來確定。其中繞組工作電壓是確定絕緣結構的主要因素。3.3.2變壓器線圈的沖擊特性等值電路如圖2所示，與電感并聯(lián)的電容支路是由匝間電容、段間分布電容通過等值計算獲得的縱向電容，通常稱為縱向等值電容；接在電感兩端的電容是由繞組間的分布電容、繞組對鐵芯的分布電容、繞組對油箱的分布電容等值的橫向電容。起始時刻沖擊電壓的分布主要由單位長度的橫向電容對單位長度的縱向電容的比值來決定的，比值

7、越大，電壓分布越不均勻，大部分電壓主要降落在靠近入波端的小部分線圈上，而電壓 最終分布將由電感電路決定，即基本呈線性分布。起始分布和最終分布之差會引起振蕩過程。因此，在沖擊電壓下，起始電壓分布越接近最終電壓分布，振蕩電壓的幅值越小，出現(xiàn)過電壓的可能性也越小3。圖2 線圈暫態(tài)等值電路本次設計需要考慮變壓器原副邊之間主絕緣會有60kV的沖擊電壓，所以原副邊繞組上也有可能承受短時沖擊高壓，因此繞組不能只考慮穩(wěn)態(tài)時的電壓分布，在設計縱絕緣時要設法改善匝間電位梯度，并要適當提高匝間絕緣的耐受電壓。為改善匝間電位分布，本文所設計的變壓器原副邊繞組采用同心圓筒式繞組，其中原邊繞組為單層結構，副邊采用分層分段

8、式繞法，其結構如圖3所示。圖3 繞組絕緣結構該繞制方法具有卷制工藝簡單；各層對鐵軛絕緣距離不同分級絕緣；層間電容大，對地電容小，沖擊電壓下層間電壓分布較均勻等優(yōu)點。而在低功率低電流變壓器中，該繞法機械強度不易保證，層間軸向油道長而窄，不利于散熱的缺點可以忽視。為了減小繞組絕緣處的分布電容，希望采用介電常數(shù)較小的絕緣材料。由于脈沖變壓器設計為油浸式，所以絕緣結構是紙油混合的。常用的絕緣材料是電纜紙和絕緣厚紙。根據(jù)允許表面電場強度為2-3kV/mm來確定絕緣爬距。在確定絕緣間隙的厚度時，根據(jù)允許電場強度為4-5kV/mm來確定絕緣間隙。對于原邊，繞組設計為單層密繞結構，導線選擇杭州偉峰電子公司生產(chǎn)

9、的0.1*20的多股絞線，該導線為聚四氟乙烯膜包線，導線直徑為0.5mm，其絕緣膜可耐受10kV穩(wěn)態(tài)電壓，非常適合于繞組需承受幾十千伏級沖擊電壓而沖擊電壓具體參數(shù)具有很強的隨機性的工作環(huán)境。這樣匝間可以不再使用其他絕緣材料，利用導線本身絕緣膜即可，原邊繞組高度為110mm。在鐵芯和原邊繞組之間鋪設一層厚度為1mm的電絕緣紙，原邊繞組對鐵芯爬距取10倍裕量，即都取為5mm，則原邊繞組總高度為120mm。原邊厚度為1.5mm。對于副邊，繞組設計為兩段三層結構，導線型號取為0.1*5的膜包線，導線直徑為0.3mm，匝間同樣采用導線本身絕緣就可認為能夠耐受幾十千伏級沖擊電壓。 每段繞線按照從底層到上層

10、120+110+100的繞線方式，每段長度為36mm，在沖擊電壓下，每層之間最高電壓差為十幾千伏，層間使用油紙絕緣，每層厚度為2mm，爬距取為5mm，段間距離取為10mm。副邊繞組的厚度為5mm。3.4 原副邊繞組之間主絕緣設計變壓器主絕緣設計時，必須了解絕緣結構中的電場分布、出現(xiàn)最大場強值及其部位，從而合理的進行主絕緣設計，并使其絕緣水平對試驗電壓具有一定裕度。對于油浸式電力變壓器，最大場強值點發(fā)生在靜電板的拐角處，由于本次設計所選用的絕緣結構與上述電力變壓器較相似，可以由此推斷所設計變壓器的最大場強值也發(fā)生在靜電板拐角處，該點絕緣需加強。3.4.1電場影響因素分析為了優(yōu)化主絕緣結構，通過查

11、閱資料可以知道變壓器內部電場分布受以下幾點的影響較大4。1. 主空道距離m對最大場強值Emax的影響：隨著繞組間空道距離的減小，最大場強值Emax的變化率也逐漸增大，其變化規(guī)律為非線性。2.高壓繞組端部到鐵軛的距離H對最大場強值Emax的影響：H對最大場強值Emax的影響較m要小很多，所以從節(jié)約成本的角度看，在符合性能要求的前提下，減小H可以有效的節(jié)約成本而不會對最大場強值造成較大影響，從降低最大場強值的角度看，減小H對最大場強值的影響有限。3.靜電環(huán)曲率半徑的變化對最大場強Emax的影響：隨著靜電環(huán)曲率半徑的逐漸增大，最大場強值Emax逐漸減小，說明經(jīng)典話曲率半徑對最大場強值有較大影響，且大

12、于H對最大場強值的影響，所以不宜通過減小靜電板厚度增加H，那樣會縮小的變化空間，從而影響最大場強值。4.靜電板絕緣厚度對最大場強值Emax的影響隨著靜電環(huán)絕緣層厚度S逐漸增加，最大場強值Emax逐漸減小，增加靜電板絕緣層厚度S可以有效地降低最大場強值Emax。在變化量相同的情況下，靜電板絕緣層厚度S對最大場強值的影響遠大于其他因素的影響，但是S的變化空間有限，因為S增大使靜電環(huán)對線匝的電容減小，從而減小了對線段的沖擊保護作用。3.4.2絕緣距離的確定絕緣距離的確定粗略地講，當脈沖寬度大于10-15s時，絕緣材料的性能和工頻電壓時相同。當脈沖寬度為1s左右時，絕緣材料的抗電強度大約比工頻時高兩倍

13、。在寬度為1-10s的范圍內，隨脈沖寬度的增長，絕緣材料的抗電強度成比例地下降。進行脈沖變壓器設計時，如果不知道絕緣材料的脈沖參數(shù)，就可以按照上述原則確定絕緣距離。圖4 變壓器主絕緣結構圖變壓器主絕緣的結構如圖4所示，主絕緣采用油隔板形式5，在油浸式電力變壓器絕緣結構中，絕緣紙板是廣泛應用的絕緣材料之一，絕緣紙板在變壓器絕緣中主要用作主絕緣的隔板、繞組間支撐條、墊塊、繞組的支撐絕緣和鐵軛絕緣，在110kV級及以上變壓器中作隔板和角環(huán)等。因此，本次設計主絕緣采用介電常數(shù)較小的變壓器油和電絕緣紙組合的方式，考慮初次級繞組之間為均勻電場，電絕緣紙的介電常數(shù)取為4.5，變壓器油介電常數(shù)取2.2，兩繞組

14、間近似視為均勻電場，初次級耐受電壓為百微秒級60kV脈沖電壓，所以絕緣材料的電氣強度取為穩(wěn)態(tài)電氣強度，耐壓取4倍裕量，則耐受電壓為240kV，則有：可取總絕緣間距為10mm，電絕緣紙總厚度取為4mm，分為4層，每層之間墊有撐條，油道總厚度為6mm。 靜電板與高壓繞組首端第一匝聯(lián)接在一起，有改善端部電場分布以及改善繞組首段電壓梯度分布的作用?？扇§o電板厚度為1mm。由于本次設計變壓器電壓水平較低，可不設計角環(huán)，或憑經(jīng)驗取適當角環(huán)結構即可。3.5 高壓繞組與鐵軛之間絕緣由于窗口面積選取較大，高壓繞組與鐵芯之間的絕緣由變壓器油可以實現(xiàn)，不需要額外絕緣措施。3.6 引線絕緣出線端各纏繞2層0.1m聚酰

15、亞胺粘膠，并使用高壓套管，引線距離為80mm。3.7 變壓器各處絕緣總結表3給出了本次變壓器設計所考慮的正常工作下的絕緣要求以及使用的絕緣結構。表3 絕緣結構匯總需要絕緣區(qū)域區(qū)域間最大壓差絕緣結構理論耐壓原邊繞組匝間4.5V膜包線外膜10KV原副邊間60kV4mm電絕緣紙6mm油道240kV副邊繞組層間1kV2mm油紙80kV副邊繞組段間2kV10mm油道160kV副邊繞組與磁芯間3kV變壓器油絕緣4. 變壓器散熱設計本文設計了一款小功率脈沖變壓器，取油式封裝中導線的載流密度為4A/mm2，可以推算變壓器容量僅為1000VA左右，又由于選取導線為多股絞線，每股絞線線徑小于其集膚深度，可以忽略集膚效應和臨近效應的影響，因此變壓器產(chǎn)熱很小，可以不考慮散熱問題。5. 總結圖5 繞制好的鐵芯效果圖鐵芯整體效果如圖5所示本文所設計的變壓器在正常工作下的電壓等級很低，但由于可能存在隨機性很大的沖擊電壓，所以選取的絕緣結構較厚，這會帶來變壓器原副邊漏感很大等一系列問題，并使變壓器整體尺寸過大和成本較高。在進一步設計的過程中，如果充分了解變壓器工作條件，則在變壓器散熱較低的情況下使用環(huán)氧澆注的封裝方式，可以減小變壓器的尺寸、提高其動穩(wěn)定性并使成