Insulation performance analysis and structural optimization of 33 kV transformer under power frequency and impulse voltage

Abstract

This thesis explores the insulation performance of a 33 kV power transformer under power frequency and impulse voltage. A simplified two-dimensional electrostatic model of the transformer insulation model was established based on typical transformer internal structure. Finite element simulations were performed using COMSOL Multiphysics software to analyse the electric field distribution characteristics. The simulation results indicate the main electric field concentration occurs at the edge of conductors and the interface of the insulation. Under the frequency power, the peak electric field intensity is approximately 6.55 × 10⁶ V/m. And under the impulse power, the peak electric field intensity significantly increases 1.75 × 10⁷ V/m, which is about 2.7 times higher than under power frequency. Under the simulation model, structural optimization methods like edge smoothing and adjusting insulation thickness are proposed. After optimization, the maximum field intensity decreases approximately 1.20 × 10⁷ V/m, corresponding to a reduction of about 31.4%. Otherwise, the electric field is more uniform, and the risk of insulation breakdown is reduced.

Tämä opinnäytetyö tutkii 33 kV:n tehomuuntajan eristysominaisuuksia verkkotaajuudella ja impulssijännitteellä. Yksinkertaistettu kaksiulotteinen sähköstaattinen malli muuntajan eristysmallista luotiin tyypillisen muuntajan sisäisen rakenteen perusteella. Sähkökentän jakautumisominaisuuksia analysoitiin elementtimenetelmäsimulaatioilla COMSOL Multiphysics -ohjelmistolla. Simulaatiotulokset osoittavat, että sähkökentän pääkontentti esiintyy johtimien reunalla ja eristeen rajapinnalla. Taajuustehon vaikutuksesta sähkökentän huippuintensiteetti on noin 6,55 × 10⁶ V/m. Impulssitehon vaikutuksesta sähkökentän huippuintensiteetti kasvaa merkittävästi 1,75 × 10⁷ V/m, mikä on noin 2,7 kertaa suurempi kuin verkkotaajuudella. Simulaatiomallissa ehdotetaan rakenteellisia optimointimenetelmiä, kuten reunojen tasoitusta ja eristyksen paksuuden säätöä. Optimoinnin jälkeen suurin kentänintensiteetti pienenee noin 1,20 × 10⁷ V/m, mikä vastaa noin 31,4 %:n pienenemistä. Muuten sähkökenttä on tasaisempi ja eristyksen rikkoutumisriski pienenee.