变压器是电力系统的主要设备，发电机发出的电能通过变压器升压进行远距离的传输，在电力变压器的设计中，需要在满足绝缘裕度需求的条件下，尽量让电力变压器的设计应用更具经济性。主要研究电力变压器220 kV的两种结构，使用专业电场软件对铜棒包扎厚绝缘和铜棒分隔油隙这两种不同的引线绝缘结构，进行了电场进行仿真计算和校核。并不存在显著的差别。但导线的温升结果有显著的区别。当变压器内部有引线温升较低的需求时，改进后的绝缘结构会更加适用。改进后的绝缘结构，在导体绝缘覆盖中大大节省了包扎时间。
一、变压器及变压器引线绝缘概述
变压器的引线部分，通常情况下囊括了各线圈之间的连接、线圈引出线与套管的连接、调压线圈引出线与有载或无载开关的连线等内容。在变压器绝缘结构设计中，引线绝缘同是一项重要的部分。变压器的引线均为带电导体，要想让变压器处于安全运行的工作状态，在引线设计中就一定要注意分析引线对接地的金属构件，对油箱、对同相绕组、对异相绕组以及不同相的引线之间。引线电位越低，引线对各部分的电场状况可能就会越好。引线到金属件或者其他带电体的距离，是受到导体形状、导体上包扎的绝缘厚度等因素的直接影响的。在现阶段国家电力建设发展背景下，越来越多的客户会更容易，也更愿意接受大容量、超高电压的变压器，电力变压器设计领域的竞争尤为激烈。大容量变压器使用过程中，需要配合较好的引线才能发挥出最佳的应用效果。因此，需要注意考虑引线的电气性能与温升性能。在满足电气安全裕度的情况下，优化引线绝缘结构，降低变压器生产制造成本[1-2]。目前阶段，国内外学者对引线进行过电场都进行了分析与研究，分析220kV高压引线对升高座的电场，主要优化了升高座的结构。基于传统220kV电力变压器引线结构，作出进一步的优化改进，更改引线出头，增强产品结构的紧凑性。经过电场仿真、变压器主绝缘分析等工作后，可以得到具有针对性的电力变压器引线绝缘优化设计原则，在引线电场介绍、不同绝缘类型的温升以、相同条件下的电场等方面的分析较为欠缺。以上述研究为基础，综合比较基于相同背景下的引线分别采用包扎厚绝缘及分隔油隙这两种结构电场及温升。
当前开展的变压器绝缘计算分析，对不同的绝缘，进行的试验考核也不尽相同。对变压器绝缘进行高效率地分析，可以采用主绝缘和纵绝缘分别建模分析的方法，这样构建的模型较为简单，简化了工作流程，也提升了工作效率。220kV电力变压器的绝缘分析流程如下。
图1 220kV电力变压器的绝缘分析流程
二、引线的电场分类
引线间和引线到其他部分的绝缘距离：（1）引线到引线间的绝缘距离。按照引线的工频或雷电冲击全波（折合成工频），其中试验电压较高可以用来明确不同电压等级的引线 （包括引线对分接引线）间的绝缘距离。调压段各分接间的雷电冲击全波梯度，是分接引线间绝缘距离的决定因素。（2）引线到尖角（铁轭夹件等）间的绝缘距离。通过在试验中选取工频或雷电冲击全波（折合成工频），即可获取油中距离。（3）引线到绕组间的绝缘距离。按它们的工频，或是雷电冲击全波（折合成工频），其中试验电压较高的，可以明确引线到绕组的绝缘距离。（4）引线对平面（比如油箱箱壁）间的绝缘距离[3]。将最为普通的绝缘纸，用作引线绝缘。若是周边的气候条件比较干燥，此时变压器的耐电强度，可能在40~50 kV/2.5mm的区间内，使用同轴圆柱电场的计算公式，即可大致计算得出引线表面的电场强度，可明确确定引线的绝缘厚度。这种结构适用于参照高斯定律来计算电场强度。变压器绝缘材料的相对介电常数，见表1。
表1 变压器绝缘材料的相对介电常数
三、导线温升经济性分析
电力变压器的温升限值是基于变压器运行的寿命（一般是绝缘材料的寿命）为考核。通常情况下，油浸式电力变压器会选用A级绝缘材料。其中很大一部分原因，是A级绝缘材料允许最高的温度是105℃，应用到油浸式电力变压器中取得了较好的应用效果。如果按照98 ℃作为油浸式变压器热点寿命计算温度的衡量标准，一旦实际温度超过热点温度，之后温度每上升6℃，绝缘的老化率会出现指数式变化。这对变压器的使用寿命，会造成严重的破坏。所以对变压器引线绝缘的研究中，还需要将引线的温升计算，作为一项重要的参考条件。在缺少特殊要求的前提下，A级绝缘的变压器，其温升限值需遵循国际电工委员会或美国电气及电子工程师学会标准。当电力变压器处于持续运行的状态时，可以用允许的最大导体温度-计算的最大油温-年平均温度，计算得出允许的引线温升。变压器内部热量的散出是靠热传导、辐射和对流来实现的。引线结构有包扎厚绝缘结构以及分隔油隙结构之分，两种结构线温升之间，有着10.8K的差距，分隔油隙的引线绝缘结构的温升计算中比厚绝缘的引线结构低了很多。在导体的绝缘包扎方面，需要包扎的绝缘厚度，同原来的厚度相比至少减少了1/2，分隔油隙结构的绝缘包扎时间，对比传统的厚绝缘结构包扎时间，也能节省一半左右，这样的工作条件有助于提高产品生产效率。
四、变压器引线绝缘优化方法
由上文对220kV电力变压器引线绝缘的分析，可以明确的是220kV电力变压器的高压绕组匝绝缘，以及油道尺寸的配合有一定余地的程度,允许有一定的误差。根据既往研究结果中，对安全裕度的研究成果，可知220kV电力变压器的主绝缘安全裕度为1.2，纵绝缘的安全裕度为1.2。继续沿用现有的匝绝缘以及油道的大小，配合得到的安全裕度，余量依然是比较大的，特别是纵绝缘的安全裕度，甚至可能达到2。同论理要求的安全裕度，高出了将近百分之八十。
（一）新结构的主绝缘分析与改进
新结构的主绝缘，缩短了高压线圈的匝绝缘尺寸，由原本的1.95mm，缩短至0.95mm。而主绝缘的尺寸，在新结构中并未发生变化。主绝缘的结构，可能不满足新结构下对安全裕度的需求，因此需要对此加以改进。
（二）改进后结构的纵绝缘分析
改进主绝缘结构后，匝绝缘减少，相应的匝间的电容就会增加，具体表现出双饼单元的电容明显增加。端部起始电位处，电位梯度是逐渐降低的趋势。但在电容增大的影响下，会在屏蔽式、连续式之间，形成较多的电容突变[4]。研究发现在处于过渡阶段中的一个双饼单元，梯度电位达到了95kV，此时与之相对应的高压线圈的匝绝缘尺寸（0.95mm，4mm），配合绝缘为105kV，之间的裕度为1.1，不满足1.2的安全裕度要求。出现这种问题，可能是因为上述的电容增大。所以要改进这一问题，就从降低初始电容着手即可，改善电容的出初始分布。
（三）冲击电源下的主绝缘分析
当高压内表面、中压外表面的许用最大场强，达到11.2kV/mm的条件下时，裕度为1.43，1.64，均在1.2的安全裕度要求以上，经过改进，产品的安全裕度会有一个新的提升，更进一步地满足了工程的要求。
SSZ-300 000/220电力变压器，新结构的主绝缘，缩短了高压线圈的匝绝缘尺寸，由原本的1.95mm，缩短至0.95mm。经过对改进后产品进行绝缘分析，针对可能出现的安全裕度不符合应用要求的问题，进行了针对性的优化处理对策分析，总结得出两点结构调整方法，以提升绝缘裕度。第一点是进行首段1-8双饼单元的增加线饼角环处理，这样可以对原有的电场分布起到结构改善的作用，解决了最大电场的强度增加的问题，有效提升了变压器引线绝缘的安全裕度。第二是要进行更改屏蔽结构的优化处理，让屏蔽结构变得更加简洁，有效解决了高压绕组匝绝缘降低带来的不合理冲击分布问题。
五、结语
综合以上对SSZ-300 000/220电力变压器的引线绝缘分析，分析对比后发现在相同条件下，铜棒包扎厚绝缘和铜棒分隔油隙这两种不同的引线绝缘结构的电场强度、最小安全裕度，并不存在显著的差别。但导线的温升结果有显著的区别。当变压器内部，有引线温升较低的需求时，改进后的绝缘结构会更加适用。改进后的绝缘结构，在导体绝缘覆盖中大大节省了包扎时间，有效提升了工作效率。
参考文献：
[1] 王晓雨,肖竹. 变压器用引线绝缘螺杆的电场分析及结构改进[J]. 科技创新导报,2019,16(2):126-127. DOI:10.16660/j.cnki.1674-098X.2019.02.126.
[2] 刘翀,汪柏松. 电力变压器内绝缘老化水平的状态评估及分析[J]. 自动化仪表,2021,42(7):27-30,36. DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.2020100001.
[3] 张开轩,吴柏涛. 10kV变压器圆形引线绝缘距离的减小设计[J]. 华东科技（综合）,2019(11):0280-0280,0293.
[4] 张涛,李林多,冉华军,等. 采用改进Davidson-Cole介电模型的变压器油纸绝缘状态分析[J]. 电力自动化设备,2019,39(1):192-197,204. DOI:10.16081/j.issn.1006-6047.2019.01.028.