變壓器端部鐵軛夾件肢板區(qū)域三維電場分析

張沛紅， 單濤， 時(shí)亞娟， 齊玉麟， 杜學(xué)承

(1．哈爾濱理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150080;2．山東電力集團(tuán)公司東營供電公司，山東東營 257091;3．哈爾濱變壓器有限責(zé)任公司研發(fā)中心，黑龍江哈爾濱 150070)

0 引言

變壓器是電力系統(tǒng)中的重要設(shè)備之一，隨著系統(tǒng)輸電電壓的提高，變壓器的容量和電壓等級也在不斷提高。變壓器的可靠性直接關(guān)系到電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行［1］。

端部出線變壓器具有絕緣緊湊、沖擊梯度好的優(yōu)點(diǎn)，是220kV及以下電壓等級變壓器的主要結(jié)構(gòu)形式［2］。但端部出線變壓器的端部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，經(jīng)常成為變壓器絕緣的薄弱環(huán)節(jié)［3］，特別是為了節(jié)省空間，高壓引線的套管和均壓球位于升高座內(nèi)部，這種設(shè)計(jì)均壓球周圍環(huán)境好，電場分布均勻，但使得高壓引線和具有地電位的鐵軛夾件肢板之間形成高電場區(qū)域［4－5］，存在發(fā)生局部放電的風(fēng)險(xiǎn)。

油紙絕緣變壓器中，由于油的介電常數(shù)低于固體絕緣，使得復(fù)合絕緣中油承受較高的場強(qiáng)，且油的耐電強(qiáng)度低于固體絕緣，所以油絕緣是變壓器絕緣的薄弱環(huán)節(jié)。油中發(fā)生局部放電會使變壓器絕緣性能下降，甚至在局部放電長期作用下導(dǎo)致?lián)舸?。變壓器絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，設(shè)法降低油中的最大場強(qiáng)和限制油中的最大場強(qiáng)不超過允許值是十分重要的。

本文利用Pro/E建模技術(shù)和Ansoft有限元分析軟件對一臺220kV端部出線變壓器的高壓上夾件肢板區(qū)域的電場進(jìn)行了三維分析，得到了引線及夾件肢板邊緣的電場分布，并且討論了高壓引線與肢板間距離及高壓引線走向?qū)χ暹吘壸畲髨鰪?qiáng)的影響。為了降低肢板表面油中場強(qiáng)，嘗試采取在肢板表面覆蓋絕緣層的措施，計(jì)算了當(dāng)絕緣層厚度分別為1 mm、2 mm、3 mm時(shí)，肢板表面和油中的最大場強(qiáng)，為端部出線變壓器高壓引線的合理設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

1 變壓器端部電場有限元分析原理

有限元法是電場數(shù)值計(jì)算的常用方法［6］。靜電場問題在均勻、線性、各向同性媒質(zhì)中可以歸結(jié)為拉普拉斯方程

在直角坐標(biāo)系下電位函數(shù)φ滿足邊值問題

式中:Ω為整個(gè)求解區(qū)域;S'為高電位邊界;S″為零電位邊界;Γ為不同介質(zhì)分界面。

將式(2)的微分邊值問題通過變分原理轉(zhuǎn)換成與其等價(jià)的條件變分的極值問題，經(jīng)過剖分離散，得到有限個(gè)單元。在每個(gè)單元中選用合理的插值函數(shù)以及強(qiáng)加第一類邊界條件后，即可得到每個(gè)單元節(jié)點(diǎn)上的電位函數(shù)Φ，通過電位函數(shù)

即可進(jìn)一步求出場域中的電場分布［7－8］。

本文分析的變壓器端部結(jié)構(gòu)如圖1所示，區(qū)域中包括鐵軛、鐵軛夾件及肢板、高壓套管均壓球、高壓引線、油箱、高壓繞組及靜電環(huán)。分析中鐵軛肢板、油箱、低、中壓繞組及與其相連的靜電環(huán)為地電位邊界，高壓引線、高壓繞組及高壓靜電環(huán)為高電位邊界，在電場分析中對應(yīng)第一類邊界條件;其余對應(yīng)第二類邊界條件。

圖1 變壓器端部高壓引線及鐵軛夾件肢板區(qū)域結(jié)構(gòu)Fig．1 Schematic diagram of HV lead and yoke clamp limb at winding end of transformer

2 三維分析模型的建立

電場分析模型的建立主要有2種方法，一是直接在電場分析軟件中建立計(jì)算模型，二是在CAD機(jī)械設(shè)計(jì)軟件中建立實(shí)體模型后再導(dǎo)入到電場分析軟件。目前常用的電場分析軟件設(shè)有與機(jī)械設(shè)計(jì)軟件相連的接口，所以，對于三維結(jié)構(gòu)，尤其是復(fù)雜結(jié)構(gòu)，第2種方法的功能更強(qiáng)大，建模更直觀方便，而第1種方法更適合簡單結(jié)構(gòu)。

采用Pro/E機(jī)械設(shè)計(jì)軟件完成建模。Pro/E是具有單一數(shù)據(jù)庫、參數(shù)化、基于特征和全相關(guān)特點(diǎn)的大型三維設(shè)計(jì)軟件［9］。Pro/E軟件提供了十分強(qiáng)大的三維造型設(shè)計(jì)功能，用戶可以通過拉伸、旋轉(zhuǎn)以及掃描等特征完成復(fù)雜模型的三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，還可以通過二次開發(fā)工具實(shí)現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計(jì)，使得在絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中可以方便的調(diào)整各部分結(jié)構(gòu)尺寸，直到獲得滿意的電場分布。

對Pro/E進(jìn)行二次開發(fā)可以分別利用C語言和VB語言，前者基于Pro/E自帶的二次開發(fā)軟件包Pro/Toolkit來實(shí)現(xiàn)的，這種方法是Pro/E最根本的二次開發(fā)方法，它可以不借助其他插件直接訪問Pro/E底層的全部數(shù)據(jù)庫［10］。利用VB語言對Pro/E進(jìn)行二次開發(fā)，需要 AGW(Automation GATEWAY)作為中間橋梁，利用AGW提供的函數(shù)，VB也可以訪問Pro/E的底層數(shù)據(jù)庫，將VB界面的參數(shù)值傳送給Pro/E，Pro/E根據(jù)模型參數(shù)間的幾何約束關(guān)系生成新的模型，完成二次開發(fā)［11－12］。

利用VB編程語言及Pro/E軟件完成了變壓器端部結(jié)構(gòu)的參數(shù)化建模，具體方法是利用Pro/E軟件提供的拉伸、旋轉(zhuǎn)以及掃描等功能依次建立繞組、靜電環(huán)、夾件、油箱等底層基礎(chǔ)零件，之后實(shí)現(xiàn)對其關(guān)鍵尺寸的參數(shù)化驅(qū)動，并對用于各零件間裝配的參考平面、參考軸等依次進(jìn)行命名，進(jìn)而利用VB編程語言實(shí)現(xiàn)其他零件的參數(shù)化設(shè)計(jì)和自動裝配，完成與Pro/E軟件的連接，建立整體模型，隨后將模型導(dǎo)入到有限元分析軟件Ansoft中進(jìn)行電場分析

用Pro/E軟件建立的與圖1區(qū)域?qū)?yīng)的變壓器端部高壓引線及鐵軛上夾件肢板區(qū)域的三維結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。

圖2 變壓器端部高壓引線及鐵軛上夾件肢板區(qū)域三維結(jié)構(gòu)模型Fig．2 3D model of high voltage lead and yoke clamping limb at the winding end of transformer

3 變壓器端部夾件肢板區(qū)域電場數(shù)值分析

變壓器端部高壓引線與夾件肢板間的電場是三維場。選取的分析場域?yàn)橐澡F心中心線為軸的一定角度的區(qū)域，如圖2所示。借助Ansoft有限元分析軟件對該區(qū)域電場進(jìn)行分析［13］，并考慮引線的不同位置對肢板表面油中最大場強(qiáng)的影響以及肢板表面覆蓋絕緣層對降低油中最大場強(qiáng)的改善作用。

將在Pro/E軟件中設(shè)計(jì)完成的模型存為STP格式文件，利用Ansoft軟件的IMPORT功能將其導(dǎo)入，并對各零件賦予相應(yīng)的材料屬性和激勵電壓。高壓引線、繞組及靜電環(huán)金屬層選用系統(tǒng)自帶的copper屬性;油箱壁及夾件選用steel－1008屬性;高壓引線絕緣層材料為電纜紙，相對介電常數(shù)為3.5;變壓器油及絕緣紙板的相對介電常數(shù)分別為2.2和4.1。引線、高壓繞組第一餅和靜電環(huán)為高電位，賦395kV電壓，高壓繞組其余部分按線性分布考慮，中壓繞組、低壓繞組、油箱及夾件為地電位。鐵心起到提供邊界條件的作用，在有限元分析時(shí)，只考慮其外表面電位分布即可，因此利用布爾操作將鐵心及鐵軛模型從油中減去。設(shè)置完成后，利用Ansoft軟件的分析自檢功能進(jìn)行檢查，檢查無誤后進(jìn)行分析求解。為了方便討論分析結(jié)果，選擇圖3所示的4個(gè)平面查看鐵軛夾件肢板區(qū)域的電場分布，其中平面1由肢板表面最大場強(qiáng)點(diǎn)和高壓引線中心線確定，平面4為肢板下表面。

圖3 高壓引線與鐵軛夾件肢板之間的4個(gè)平面Fig．3 Four sections between HV lead and clamp limb

4 結(jié)果與分析

4.1 變壓器端部電場分布

圖2模型區(qū)域三維電壓分布如圖4所示。區(qū)域中最大場強(qiáng)為5.851 7 kV/mm，出現(xiàn)在肢板靠近下表面的圓角處油中，如圖5所示。

圖3平面4中肢板附近電場分布如圖6所示，平面2和平面3的電場分布與平面1相似，最大場強(qiáng)值及出現(xiàn)位置列于表1中。

圖4 模型區(qū)域電壓分布Fig．4 The voltage distribution of the model

圖5 最大場強(qiáng)及出現(xiàn)位置Fig．5 The magnitude and location of maximum electric field

圖6 平面4電場分布Fig．6 The l electric field distribution in section 4

表1 圖3各平面中的最大場強(qiáng)及出現(xiàn)位置Table 1 The magnitude and location of maximum field strength in each section in Fig3

4.2 高壓引線位置對肢板表面最大場強(qiáng)的影響

引線位置及走向的改變會影響端部油中最大場強(qiáng)出現(xiàn)的位置及數(shù)值。圖7中A為本臺變壓器引線的設(shè)計(jì)位置，如果分別將引線移至B、C位置(改變了高壓引線的走向及與肢板距離)，三維電場分析結(jié)果列于表2中。

圖7 不同引線位置示意圖Fig．7 Schematic diagram of different lead positions

表2 不同引線位置時(shí)肢板表面油中的最大場強(qiáng)及出現(xiàn)位置Table 2 The magnitude and location of maximum field strength in oil of the limb surface with different lead position

從計(jì)算結(jié)果可以看出，高壓引線的位置選擇對肢板區(qū)域油中最大場強(qiáng)有很大影響，引線與肢板的距離及其走向的合理設(shè)計(jì)是必要的，以避免肢板邊緣區(qū)域的電場集中。

4.3 肢板表面覆蓋絕緣層改善油中最大場強(qiáng)

為了降低肢板表面油中的場強(qiáng)，本文嘗試采用在肢板表面覆蓋絕緣層的方法。絕緣層能夠承擔(dān)一定比例的電壓，使油中最大場強(qiáng)下降［14］。

選擇絕緣紙板作為覆蓋層材料，分別對覆蓋絕緣層厚度為1 mm、2 mm和3 mm時(shí)肢板區(qū)域電場進(jìn)行三維分析，肢板表面及油中最大場強(qiáng)列于表3中，出現(xiàn)位置與不加覆蓋層時(shí)相同。

表3 肢板表面及油中最大場強(qiáng)Table 3 The maximum field strength on the limb surface and in the oil (kV/mm)

從計(jì)算結(jié)果中可以看出，外加覆蓋層可以降低肢板區(qū)域油中的最大場強(qiáng)，當(dāng)覆蓋層厚度為1 mm時(shí)，絕緣層表面油中最大場強(qiáng)與沒有覆蓋時(shí)相比減少不明顯，當(dāng)覆蓋層厚度為2 mm時(shí)，截面1肢板處油中場強(qiáng)從無覆蓋時(shí)的5.851 7 kV/mm下降到4.5348 kV/mm;當(dāng)覆蓋層厚度為3 mm時(shí)，電極表面電場強(qiáng)度與覆蓋層厚度為2 mm時(shí)基本相同，截面1肢板表面油中場強(qiáng)從無覆蓋時(shí)的5.851 7 kV/mm下降到3.970 1 kV/mm，可見絕緣層的作用還是相當(dāng)明顯的。覆蓋層越厚，油中最大場強(qiáng)越低。

5 結(jié)論

1)端部出線變壓器的高壓引線會使鐵軛上夾件肢板邊緣區(qū)域電場集中，最大場強(qiáng)出現(xiàn)在肢板下表面邊緣曲率半徑最小處，為避免發(fā)生局部放電，變壓器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中對高壓引線距肢板的距離和走向應(yīng)給與充分考慮。

2)在肢板表面加絕緣覆蓋層的方法可以顯著降低肢板表面油中場強(qiáng)，減小變壓器端部發(fā)生局部放電的風(fēng)險(xiǎn)。

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