大型变压器主绝缘电场的全域分析工程仿真软件开发

的击穿电压，根据绝缘结构尺寸的不同，分别设计了 雷电冲击试验模型 1 和模型 2， 试验时模型的左边 界和下边界接地， 将上下静电板及靠近静电板的线 饼连接在一起并施加雷电全波， 图 1 为原模型简化 后的下半部分区域。试验爬电现象为从图 2b 中的电 力线位置沿靠近线饼侧的第一层纸筒表面向下并分 别从纸筒下端跨接第二层纸筒和第三层纸筒对地放 电。 若将雷电冲击电压折算为工频一分钟时取换算 系数 2.3, 则工频情况下施加爬电 时 的 电 压 和 分 析 结果如表 2 所示，图 2 为模型 1 的电场分布结果。由 表 2 可知， 爬电时的两个模型切向最小绝缘裕度计 算结果分别为 1.1 和 1.05。 为了安全起见，在产品设 计应用中取绝缘裕度安全判据大于 1.15。
第 47 卷 第 9 期 2010 年 9 月
TRANSFORMER
Vol.47 No.9 September 2010
专题综述 大型变压器主绝缘电场的全域分析 工程仿真软件开发
王建民 1，张喜乐 1，张国强 2，吴明训 1，赵银汉 1，刘力强 1
（1.保定天威保变电气股份有限公司，河北 保定 071056；2.中国科学院电工研究所，北京 100190）
变压器主绝缘电场全域分析仿真软件计算结果 的检验，充分利用了企业自身的资源优势，分别采用 了解析方法、 模型实测数据或产品绝缘试验结果和 同类软件对产品结果的对比分析等方法。 2.2.1 不同方法或软件之间的电场验算
为了检验电场分析结果的准确性， 在计算条件 完全相同的情况下，分别利用研发的仿真软件（有限 元方法）和同类软件（模拟电荷法）计算了两台变压 器的交直流主绝缘电场， 其最大电场强度的对比分 析结果如表 1 所示。由表 1 中的数据可知，两种计算 方法的最大电场强度的相对误差约为 3%， 从而相 互校验了计算软件结果的正确性。
（3）输出结果图文并茂且形象、直观。例如，变压
大型变压器主绝缘电场全域分析工程仿真软件 器电场强度分布和沿电力线的绝缘裕度分布既可以
不仅在计算功能方面进行了技术创新， 而且在推广 采用汉字数据文件的形式输出， 又可以利用带有数
应用方面也采取了一些行之有效的措施。例如，在软 件的输入数据方面， 充分考虑了广大使用者的习惯
王建民、张喜乐、张国强等：大型变压器主绝缘电场的全域分析工程仿真软件开发
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（2）在前、后处理方面，采用了 C++用户界面汉
（1）输 入 数 据 采 用 变 压 器 逐 个 部 件 输 入 的 方 式 ：
字驱动技术、拉格朗日插值和曲线拟合技术等。
包括变压器绕组、线饼、各种绝缘件（静电环、角环、
（3）电场分布结果采用汉字数据文件和图形分 纸筒和端圈） 等的尺寸、 材料属性和各导体上的电
在变压器主绝缘电场全域分析仿真软件的开发 设计中， 自始至终遵循面向变压器工程及产品设计 人员的宗旨， 既考虑了计算软件的通用性也兼顾了 工程实用性，在程序实现上采取了如下技术措施。
（1）仿 真 软 件 提 供 了 开 放 的 数 据 接 口 ， 因 此 可 以 方便地实现与其他程序的友好连接。
第9期
仿真软件所具有的上述特点和计算功能， 集中
可用于求解在工频、 雷电冲击等交流情况下的静电 体现了理论性、通用性和工程实用性的有机结合。因
场和施加直流电压情况下的恒定电流场与直流极性 此， 与目前国内外商用软件或单一功能的专业性软
反转时的迭加电场， 能够提供变压器主绝缘与端绝 件相比可以有效提高计算工作效率。 它不仅可以提
Large Transformer
WANG Jian-min1, ZHANG Xi-le1, ZHANG Guo-qiang2, WU Ming-xun1, ZHAO Yin-han1, LIU Li-qiang1
（1.Baoding Tianwei Baobian Electric Co., Ltd., Baoding 071056, China; 2.Institute of Electrical Engineering, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China）
的最小绝缘裕度等参数， 并能直接判断和确定绝缘 程序、前处理自动剖分程序、有限元分析程序、数据
较薄弱的部位。
后处理程序和绝缘强度自动分析程序组成。 其功能
（2）计算变压器在施加直流电压情况下的恒定 流程图如图 3 所示。
电流场，包括直流电场分布，绝缘纸或纸板中的最大 电场强度和油纸交界面切向电场强度分布等。
布曲线两种方式输出。
位，因此，数据准备简单，便于设计人员使用和接受。
通过运用这些技术，使仿真软件简单、实用，输
（2）适用于各种类型的交直流电力变压器。例如
出结果形象、直观，因此可直接用于变压器电气绝缘 普通多绕组、自耦、有载调压、无励磁调压变压器和
设计。
电抗器等。
2.4 在推广应用方面采取的技术措施
表 1 电场强度计算结果的比较 Table 1 Comparison of calculated results of
electric field strength
kV/mm
方案
产品 1
交流
直流
产品 2
交流
直流
有限元方法 10.5
41.3
11.2
29.9
模拟电荷法 10.3
42.5
11.1
30.2
2.2.2 对油纸交界面爬行放电测试模型的验算分析 为了测量浸在油中的纸筒受到表面爬行放电时
电场全域分析工程仿真软件具有优越的推广基础和
（5） 由 于 输 入 与 输 出 全 部 采 用 汉 化 形 式 及 菜 单
应用条件。
驱动，前、后处理具有较强的图形显示功能，因此，用
3 主要计算功能与特点
户界面十分友好。 （6）兼顾仿真软件的通用仿真软件
Abstract：The principle, culculation function and characteristic of the fulfilling method of developed results of engineering simulation softwere of total domain analysis of electric field in main insulation of large transformer are introduced. The application of the product is presented. Key words：Transformer； Main insulation； Electric field； Simulation software
字刻度的直观的曲线表示等。 （4） 通 过 对 各 绝 缘 部 件 采 用 “ 统 一 规 定 ” 的 剖 分
用法与接受能力， 借鉴和吸收了目前工程设计中流 处理，减小了由于剖分对计算结果带来的误差，避免
行软件的输入方法或方式； 用户使用手册采用变量 了通用软件因使用者建模或剖分方面的差异所产生
与举例说明简单易懂的方式等。因此，变压器主绝缘 的结果分散性。
4 程序结构与功能流程图
下的静电场，包括主绝缘、端绝缘、纵绝缘电场分布
大型变压器主绝缘电场全域分析工程仿真软件
和沿油纸交界面等部位的电场强度 （包括发生值及 运行于 Windows 环境下，程序结构主要由仿真界面
许用值）与绝缘裕度；自动分析和提供沿各条电力线 驱动程序、 变压器绝缘部件及结构属性参数的描述
分类
模型 1 模型 2
最大场强 /kV·mm-1
10.03 11.12
切向场强 /kV·mm-1
1.58 1.56
切向最小 绝缘裕度
1.1 1.05
施加电压 /kV
400 356.5
缘电场全域分析各场量分布趋势正确， 最大电场强 度计算误差约在 3%内； 沿油纸交界面的切向电场 强度和绝缘裕度满足产品绝缘设计要求， 并且计算 结果优于目前同类软件或传统方法对应的结果，从 而验证了仿真软件和计算方法的正确性。 2.3 Windows 用户界面技术
摘要：介绍了大型变压器主绝缘电场全域分析工程仿真软件研发成果的实现方法原理、计算功能、特点和产品应用
情况。
关键词：变压器；主绝缘；电场；仿真软件
中图分类号：TM401+.1
文献标识码：B
文章编号：1001－8425（2010）09－0015－06
Development of Engineering Simulation Software of Total Domain Analysis of Electric Field in Main Insulation of
5 输出结果与产品应用
（3） 计 算 变 压 器 在 施 加 直 流 极 性 反 转 电 压 情 况
大型变压器主绝缘电场全域分析工程仿真软件
本文中笔者就高电压大容量变压器主绝缘电场 全域分析工程仿真软件的研发成果，介绍了其主要实
现方法原理、计算功能、特点和产品应用情况等内容。
2 计算方法与技术创新点
2.1 计算模型的技术处理与工程算法 根据对大型变压器绝缘结构特点的分析和数值
计算的实践经验，利用有限元方法，建立了交直流电 场工程计算模型。 在 Windows 环境下利用 C++语言 和 Visual Fortran 语言研发了大型变压器主绝缘交 流、 直流电场及油纸交界面切向电场和最小绝缘裕 度等分布特性的工程仿真软件。 根据大型变压器绝 缘部件多、但很规则的特点和计算精度的要求，对绝 缘结构采用了以绝缘正角环、反角环、横端圈、纸筒、 静电环和绕组导体为主要输入对象的绝缘部件输入 方法， 并对各部件进行了自动剖分网格疏密的合理 控制； 为了实现对变压器整体绝缘结构的可靠性分