變壓器絕緣設(shè)計(jì)

1、脈沖變壓器設(shè)計(jì)說(shuō)明脈沖變壓器絕緣設(shè)計(jì)1. 設(shè)計(jì)要求初級(jí)邊主電容充電電壓為1000V，初級(jí)線圈需220匝，線徑需大于0.38mm；脈沖變壓器次級(jí)邊，需輸出至少3000V空載電壓，至少500V負(fù)載電壓，次級(jí)線圈需660匝，線徑需大于0.18mm。初級(jí)、次級(jí)線圈間需耐受幅值60kV、脈寬約幾百s的沖擊電壓。設(shè)計(jì)此脈沖變壓器的絕緣結(jié)構(gòu)（鐵芯可自選）。2. 絕緣要求本次設(shè)計(jì)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(duì)鐵軛的絕緣，高壓繞組對(duì)油箱外殼絕緣，出線端絕緣等。3. 具體設(shè)計(jì)選型過(guò)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(dǎo)率高并且飽和磁密相對(duì)較高的特點(diǎn)，由此選擇該材料作為本次變壓器設(shè)計(jì)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(jìn)行手工繞組，本次設(shè)計(jì)不同于一般的先選鐵芯在確定繞組絕緣的過(guò)程，首先對(duì)繞組和絕緣的尺寸進(jìn)行計(jì)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(guò)絕緣設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(mǎn)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(shí)現(xiàn)，DMD紙的硬度高，也可以起到保護(hù)的作用，防止鐵芯毛刺刺傷原邊導(dǎo)線的絕緣。3.3 原副邊繞組的設(shè)計(jì)3.3.1繞組的絕緣結(jié)構(gòu)的基本要求繞組絕緣結(jié)構(gòu)需滿(mǎn)足以下的基本要求1：1.繞組絕緣應(yīng)當(dāng)具有足夠的抗電強(qiáng)度，在各種可能的過(guò)電壓下都不應(yīng)該發(fā)生擊穿或飛??；2.繞組的寄生時(shí)間常數(shù)應(yīng)當(dāng)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(nèi)，

4、繞組絕緣的電氣和機(jī)械性能應(yīng)滿(mǎn)足要求。4.段間油道必須在最佳范圍內(nèi)選擇。油道太小，會(huì)使場(chǎng)強(qiáng)增加，降低了繞組的絕緣性能。但油道太大，也會(huì)使場(chǎng)強(qiáng)增大，對(duì)絕緣沒(méi)有好處。5.增大匝絕緣可以有效地減小場(chǎng)強(qiáng)。當(dāng)場(chǎng)強(qiáng)較大時(shí)，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(chǎng)強(qiáng)。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(gè)繞組絕緣的關(guān)鍵部位。為減小此處場(chǎng)強(qiáng)，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(qiáng)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(chēng)標(biāo)稱(chēng)代號(hào)介電常數(shù)最高允許工作溫度（）抗電強(qiáng)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(jī)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(jī)玻璃3.5-4.5110180-350繞組結(jié)構(gòu)及其絕緣方式由脈沖變壓器的電壓、使用條件及功率來(lái)確定。其中繞組工作電壓是確定絕緣結(jié)構(gòu)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(guò)等值計(jì)算獲得的縱向電容，通常稱(chēng)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(duì)鐵芯的分布電容、繞組對(duì)油箱的分布電容等值的橫向電容。起始時(shí)刻沖擊電壓的分布主要由單位長(zhǎng)度的橫向電容對(duì)單位長(zhǎng)度的縱向電容的比值來(lái)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(huì)引起振蕩過(guò)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(guò)電壓的可能性也越小3。圖2 線圈暫態(tài)等值電路本次設(shè)計(jì)需要考慮變壓器原副邊之間主絕緣會(huì)有60kV的沖擊電壓，所以原副邊繞組上也有可能承受短時(shí)沖擊高壓，因此繞組不能只考慮穩(wěn)態(tài)時(shí)的電壓分布，在設(shè)計(jì)縱絕緣時(shí)要設(shè)法改善匝間電位梯度，并要適當(dāng)提高匝間絕緣的耐受電壓。為改善匝間電位分布，本文所設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)，副邊采用分層分段

8、式繞法，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。圖3 繞組絕緣結(jié)構(gòu)該繞制方法具有卷制工藝簡(jiǎn)單；各層對(duì)鐵軛絕緣距離不同分級(jí)絕緣；層間電容大，對(duì)地電容小，沖擊電壓下層間電壓分布較均勻等優(yōu)點(diǎn)。而在低功率低電流變壓器中，該繞法機(jī)械強(qiáng)度不易保證，層間軸向油道長(zhǎng)而窄，不利于散熱的缺點(diǎn)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(shè)計(jì)為油浸式，所以絕緣結(jié)構(gòu)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(chǎng)強(qiáng)度為2-3kV/mm來(lái)確定絕緣爬距。在確定絕緣間隙的厚度時(shí)，根據(jù)允許電場(chǎng)強(qiáng)度為4-5kV/mm來(lái)確定絕緣間隙。對(duì)于原邊，繞組設(shè)計(jì)為單層密繞結(jié)構(gòu)，導(dǎo)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(dǎo)線為聚四氟乙烯膜包線，導(dǎo)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(jí)沖擊電壓而沖擊電壓具體參數(shù)具有很強(qiáng)的隨機(jī)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(dǎo)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(shè)一層厚度為1mm的電絕緣紙，原邊繞組對(duì)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(duì)于副邊，繞組設(shè)計(jì)為兩段三層結(jié)構(gòu)，導(dǎo)線型號(hào)取為0.1*5的膜包線，導(dǎo)線直徑為0.3mm，匝間同樣采用導(dǎo)線本身絕緣就可認(rèn)為能夠耐受幾十千伏級(jí)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(zhǎng)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(shè)計(jì)變壓器主絕緣設(shè)計(jì)時(shí)，必須了解絕緣結(jié)構(gòu)中的電場(chǎng)分布、出現(xiàn)最大場(chǎng)強(qiáng)值及其部位，從而合理的進(jìn)行主絕緣設(shè)計(jì)，并使其絕緣水平對(duì)試驗(yàn)電壓具有一定裕度。對(duì)于油浸式電力變壓器，最大場(chǎng)強(qiáng)值點(diǎn)發(fā)生在靜電板的拐角處，由于本次設(shè)計(jì)所選用的絕緣結(jié)構(gòu)與上述電力變壓器較相似，可以由此推斷所設(shè)計(jì)變壓器的最大場(chǎng)強(qiáng)值也發(fā)生在靜電板拐角處，該點(diǎn)絕緣需加強(qiáng)。3.4.1電場(chǎng)影響因素分析為了優(yōu)化主絕緣結(jié)構(gòu)，通過(guò)查

11、閱資料可以知道變壓器內(nèi)部電場(chǎng)分布受以下幾點(diǎn)的影響較大4。1. 主空道距離m對(duì)最大場(chǎng)強(qiáng)值Emax的影響：隨著繞組間空道距離的減小，最大場(chǎng)強(qiáng)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(duì)最大場(chǎng)強(qiáng)值Emax的影響：H對(duì)最大場(chǎng)強(qiáng)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(huì)對(duì)最大場(chǎng)強(qiáng)值造成較大影響，從降低最大場(chǎng)強(qiáng)值的角度看，減小H對(duì)最大場(chǎng)強(qiáng)值的影響有限。3.靜電環(huán)曲率半徑的變化對(duì)最大場(chǎng)強(qiáng)Emax的影響：隨著靜電環(huán)曲率半徑的逐漸增大，最大場(chǎng)強(qiáng)值Emax逐漸減小，說(shuō)明經(jīng)典話曲率半徑對(duì)最大場(chǎng)強(qiáng)值有較大影響，且大

12、于H對(duì)最大場(chǎng)強(qiáng)值的影響，所以不宜通過(guò)減小靜電板厚度增加H，那樣會(huì)縮小的變化空間，從而影響最大場(chǎng)強(qiáng)值。4.靜電板絕緣厚度對(duì)最大場(chǎng)強(qiáng)值Emax的影響隨著靜電環(huán)絕緣層厚度S逐漸增加，最大場(chǎng)強(qiáng)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(chǎng)強(qiáng)值Emax。在變化量相同的情況下，靜電板絕緣層厚度S對(duì)最大場(chǎng)強(qiáng)值的影響遠(yuǎn)大于其他因素的影響，但是S的變化空間有限，因?yàn)镾增大使靜電環(huán)對(duì)線匝的電容減小，從而減小了對(duì)線段的沖擊保護(hù)作用。3.4.2絕緣距離的確定絕緣距離的確定粗略地講，當(dāng)脈沖寬度大于10-15s時(shí)，絕緣材料的性能和工頻電壓時(shí)相同。當(dāng)脈沖寬度為1s左右時(shí)，絕緣材料的抗電強(qiáng)度大約比工頻時(shí)高兩倍

13、。在寬度為1-10s的范圍內(nèi)，隨脈沖寬度的增長(zhǎng)，絕緣材料的抗電強(qiáng)度成比例地下降。進(jìn)行脈沖變壓器設(shè)計(jì)時(shí)，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(jié)構(gòu)圖變壓器主絕緣的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)中，絕緣紙板是廣泛應(yīng)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(jí)及以上變壓器中作隔板和角環(huán)等。因此，本次設(shè)計(jì)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(jí)繞組之間為均勻電場(chǎng)，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(chǎng)，初次級(jí)耐受電壓為百微秒級(jí)60kV脈沖電壓，所以絕緣材料的電氣強(qiáng)度取為穩(wěn)態(tài)電氣強(qiáng)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(chǎng)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(shè)計(jì)變壓器電壓水平較低，可不設(shè)計(jì)角環(huán)，或憑經(jīng)驗(yàn)取適當(dāng)角環(huán)結(jié)構(gòu)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(shí)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(jié)表3給出了本次變壓器設(shè)計(jì)所考慮的正常工作下的絕緣要求以及使用的絕緣結(jié)構(gòu)。表3 絕緣結(jié)構(gòu)匯總需要絕緣區(qū)域區(qū)域間最大壓差絕緣結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)本文設(shè)計(jì)了一款小功率脈沖變壓器，取油式封裝中導(dǎo)線的載流密度為4A/mm2，可以推算變壓器容量?jī)H為1000VA左右，又由于選取導(dǎo)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(yīng)和臨近效應(yīng)的影響，因此變壓器產(chǎn)熱很小，可以不考慮散熱問(wèn)題。5. 總結(jié)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(shè)計(jì)的變壓器在正常工作下的電壓等級(jí)很低，但由于可能存在隨機(jī)性很大的沖擊電壓，所以選取的絕緣結(jié)構(gòu)較厚，這會(huì)帶來(lái)變壓器原副邊漏感很大等一系列問(wèn)題，并使變壓器整體尺寸過(guò)大和成本較高。在進(jìn)一步設(shè)計(jì)的過(guò)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(dòng)穩(wěn)定性并使成