Improvement of Power Transformer Insulation Calculation Methods
Abstract
Degradation of the internal insulation electrical strength is one of the main factors leading to failures of high-voltage oil-filled transformers. To a certain extent, this is due to structural shortcomings laid down at the design stage. Correct calculation of the transformer main insulation will help ensure their reliable operation within the standard service life. The experience gained with design, manufacture and operation of high-voltage oil-filled transformers, as well as new modern manufacturing technologies generate the need to develop new methods and approaches to the calculation of their insulation structures. An approach to calculation and design of transformer insulation is proposed, which takes into account the influence of the oil channel volume on the breakdown field strength at various points of insulation, as well as electrical strength statistical characteristics when exposed to various voltage waveforms under operating conditions. Using the ANSYS MAXWELL software package, the insulation structures of power transformers were calculated. A model of a 110 kV two-winding three-phase transformer's main insulation is constructed in two 2D projections. The model takes into account the design features of the main insulation of oil-barrier type power transformers: the distance between the windings and the distance from the windings to barriers and capacitive rings. By using the proposed approach it becomes possible to achieve better calculation accuracy and take into account the transformer design features and significantly larger number of influencing factors in designing the transformer insulation.
References
2. Львов М.Ю. и др. Методологические аспекты развития частичных разрядов и контроля изоляции силовых трансформаторов в эксплуатации. – Энергетик, 2017, № 9, с. 16–20.
3. Серебряков А.С. Семёнов Д.А. Определение оставшегося ресурса главной изоляции распределительных трансформаторов. – Электротехника, 2013, № 6, с. 2–8.
4. Кучинский Г.С., Кизеветтер В.Е., Пинталь Ю.С. Изоляция установок высокого напряжения. М.: Энергоатомиздат, 1987, 368 с.
5. Чорноготский В.М., Джунь Л.П. Методология выбора изоляции трансформаторного оборудования УВН переменного тока. – Электро, 2009, № 4, с. 19–25.
6. Морозова Т.И. Исследования электрической прочности и разработка метода расчета главной изоляции высоковольтных трансформаторов: автореф. дис. … канд. техн. наук. М.: ВЭИ им. В.И. Ленина, 1970, 22с.
7. Кучинский Г.С. Частичные разряды в высоковольтных конструкциях. Л.: Энергия, 1979, 224 с.
8. РД 34.45-51.300-97. Объем и нормы испытаний электрооборудования / под ред. Б.А. Алексеева, Ф.Л. Когана, Л.Г. Мамиконянца. Изд. 6-е. М.: НЦ ЭНАС, 2004, 355 с.
9. Силовые трансформаторы. Справочная книга / Под ред. С.Д. Лизунова, А.К. Лоханина. М.: Энергоиздат, 2004, 616 с.
10. Nelson J.К., Salvage B., Sharpley W.A. Electrical strength of transformer oil for large electrode areas. – Proc. IEE, 1971, vol. 118, No. 2. pp.388–390, DOI:10.1049/PIEE.1971.0071.
11. Ушаков В.Я., Лопатин В.В., Багин В.В. Эффект площади электродов при пробое трансформаторного масла. – Известия вузов. Физика, 1964, № 4, с. 147–149.
12. Weber K.H., Endicott H.S. Extremal area effect for large electrodes for electric breakdown of transformer oil. – AIEE Trans., Power App. And Syst., 1957, vol.76 pt.3, pp.1091–1096.
13. Мельникова О.С. Выбор и расчёт статистических характеристик электрической прочности масляных каналов главной изоляции трансформаторов для повышения эффективности её диагностики. – Вестник ИГЭУ, 2014, вып. 3, с. 38–44.
14. Митькин Ю.А., Мельникова О.С. Определение статистических характеристик электрической прочости трансформаторного масла с учётом его объёма в трансформаторах. – Вестник ИГЭУ, 2012, вып. 2, с. 21–25.
15. Мельникова О.С., Кузнецов В.С. Метод расчета электрической прочности масляных каналов главной изоляции силовых трансформаторов. – Вестник ИГЭУ, 2020, вып. 5, с. 48–55.
16. Кузнецов В.С., Мельникова О.С. Исследование электрической прочности главной изоляции силовых трансформаторов. – 27 МНТК «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», Москва, 2021, с. 1053.
17. Тихомиров П.М. Расчёт трансформаторов. М.: Энергоатомиздат, 1986, 528 с.
18. ГОСТ Р 55195-2012. Электрооборудование переменного тока на напряжения от 1 до 750 кВ. Требования к электрической прочности изоляции. М.: Стандартинформ, 2014, 48 с.
19. ГОСТ Р 56738–2015. Трансформаторы и силовые реакторы. Требования и методы испытаний электрической прочности изоляции. М.: Стандартинформ, 2016, 78 с.
#
1. L'vov М.Yu. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2010, No. 2, pp. 27–31.
2. L'vov М.Yu., et al. Energetik – in Russ. (Power Engineer), 2017, No. 9, pp. 16–20.
3. Serebryakov A.S. Semyonov D.A. Elektrotekhnika – in Russ. (Electrical Engineering), 2013, No. 6, pp. 2–8.
4. Kuchinskiy G.S., Kizevetter V.E., Pintal' Yu.S. Izolyatsiya ustanovok vysokogo napryazheniya (Isolation of High Voltage Installations). М.: Energoatomizdat, 1987, 368 p.
5. Chornogotskiy V.M., Dzhun' L.P. Elektro – in Russ. (Electro), 2009, No. 4, pp. 19–25.
6. Morozova T.I. Issledovaniya elektricheskoy prochnosti i razrabotka metoda rascheta glavnoy izolyatsii vysokovol'tnykh transformatorov: avtoref. dis. … kand. tekhn. nauk (Studies of Electrical Strength and Development of a Method for Calculating the Main Insulation of HV Transformers: Abstract of the Dis. ... Cand. Sci. (Eng.)). М.: VEI im. V.I. Lenina, 1970, 22 p.
7. Kuchinskiy G.S. Chastichnye razryady v vysokovol'tnykh konstruktsiyakh (Partial discharges in high-voltage structures). L.: Energiya, 1979, 224 p.
8. RD 34.45-51.300-97. Ob"em i normy ispytaniy elektro-oborudovaniya (Scope and Standards of Testing of Electrical Equipment)/ Under Ed. B.А. Alekseev, F.L. Kogan, L.G. Mamikonyants. М.: NTs ENAS, 2004, 355 p.
9. Silovye transformatory. Spravochnaya kniga (Power Transfor-mers. Reference Book) / Under Ed. S.D. Lizunov, А.К. Lokhanin. М.: Energoizdat, 2004, 616 p.
10. Nelson J.К., Salvage B., Sharpley W.A. Electrical strength of transformer oil for large electrode areas. – Proc. IEE, 1971, vol. 118, No. 2. pp.388–390, DOI:10.1049/PIEE.1971.0071.
11. Ushakov V.Ya., Lopatin V.V., Bagin V.V. Izvestiya vuzov. Fizi-ka – in Russ. (News of Universities. Physics), 1964, No. 4, pp. 147–149.
12. Weber K.H., Endicott H.S. Extremal area effect for large electrodes for electric breakdown of transformer oil. – AIEE Trans., Power App. And Syst., 1957, vol.76 pt.3, pp.1091–1096.
13. Mel'nikova O.S. Vestnik IGEU – in Russ. (Vestnik of ISPEU), 2014, iss. 3, pp. 38–44.
14. Mit'kin Yu.А., Mel'nikova O.S. Vestnik IGEU – in Russ. (Vestnik of ISPEU), 2012, iss. 2, pp. 21–25.
15. Mel'nikova O.S., Kuznetsov V.S. Vestnik IGEU – in Russ. (Vestnik of ISPEU), 2020, iss. 5, pp. 48–55.
16. Kuznetsov V.S., Mel'nikova O.S. 27 MNTK «Radioelektronika, elektrotekhnika i energetika» – in Russ. (27 ISTC "Radio Electronics, Electrical Engineering and Power Engineering"), 2021, p. 1053.
17. Tikhomirov P.М. Raschyot transformatorov (Calculation of Transformers). М.: Energoatomizdat, 1986, 528 p.
18. GОSТ R 55195-2012. Elektrooborudovanie peremennogo toka na napryazheniya ot 1 do 750 kV. Trebovaniya k elektricheskoy prochnosti izolyatsii (Electrical Equipment for А.С. Voltages from 1 to 750 kV. Requirements for Dielectric Strength of Insulation). М.: Standartinform, 2014, 48 p.
19. GОSТ R 56738–2015. Transformatory i silovye reaktory. Trebovaniya i metody ispytaniy elektricheskoy prochnosti izolyatsii (Power Transformer and Reactors. Requirements and Methods for Dielectric Tests). М.: Standartinform, 2016, 78 p.
