高壓直流換流變壓器油紙絕緣線性與非線性電場分析

劉文里，白仕光，李祎春，李佳欣

(1．哈爾濱理工大學 電氣與電子工程學院，黑龍江 哈爾濱150080；2．大唐東北電力試驗研究所有限公司，吉林 長春 130015；3．內(nèi)蒙古東部電力有限公司物資分公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010000；4．國網(wǎng)通遼供電公司，內(nèi)蒙古 通遼 028000)

高壓直流換流變壓器油紙絕緣線性與非線性電場分析

劉文里1，白仕光2，李祎春3，李佳欣4

(1．哈爾濱理工大學 電氣與電子工程學院，黑龍江 哈爾濱150080；2．大唐東北電力試驗研究所有限公司，吉林 長春 130015；3．內(nèi)蒙古東部電力有限公司物資分公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010000；4．國網(wǎng)通遼供電公司，內(nèi)蒙古 通遼 028000)

換流變壓器油紙絕緣材料的電導率受電場強度與溫度的影響呈非線性變化。為研究材料非線性對換流變壓器極性反轉電場分布的影響，對油紙絕緣電導率的非線性變化規(guī)律進行了數(shù)值擬合，利用RC等效電路進行了計算與分析，并運用ElecNet有限元軟件對一臺±400 kV換流變壓器網(wǎng)側和閥側繞組端部電場進行了仿真。計算與仿真結果表明非線性材料極性反轉完成時油中最大電場強度為線性材料的78%，但穩(wěn)態(tài)時油中電場強度是線性情況下的36倍。電導率的電場強度非線性會均化由溫度梯度帶來的電場梯度。最后根據(jù)計算與仿真結果提出絕緣的改進方向。

換流變壓器；電場分布；極性反轉；油紙絕緣；非線性材料

0 引 言

特高壓直流輸電系統(tǒng)中，換流變壓器是最重要的設備之一，其運行可靠性直接影響電網(wǎng)的穩(wěn)定[1]。運行中的換流變壓器長期承受著交流、直流和極性反轉電壓的作用，故對其絕緣性能的要求異常嚴格[2-3]。近年來換流變壓器運行過程中頻頻出現(xiàn)故障，部分緣于其絕緣結構設計方面的缺陷[4]。目前，換流變壓器采用油紙復合絕緣，薄紙筒小油隙結構[5]，受電場強度與溫度的影響，兩種材料的電導率呈非線性變化，致使換流變壓器的電場分布更為復雜。

據(jù)統(tǒng)計，關于油紙絕緣非線性方面的研究較少。Takashi E、Rongsheng L等人根據(jù)測量結果得出隨著電場強度、溫度的升高油紙絕緣材料的電導率呈指數(shù)規(guī)律上升的結論，但由于設備水平的局限性無法給定具體函數(shù)[6-7]。LI Jinbiao、張施令等人研究了非線性電場的計算方法，提出可以利用ANSYS有限元軟件運用迭代法進行仿真計算；但運算過程非常繁瑣、誤差較大[8-9]。劉剛擬合了Takashi E的實驗數(shù)據(jù)，并對換流變壓器局部電場進行仿真，認為非線性材料電場強度最大值比線性材料小50%；但所用數(shù)據(jù)過于陳舊，采用2階C-N差分法精確度不足，所使用的模型也并非實際模型[10]。關健昕研究了材料非線性對閥側出線絕緣裕度的影響，認為考慮非線性時套管裕度過大[11]。

為改進換流變壓器的絕緣結構，提高其穩(wěn)定性，本文通過油紙絕緣的RC等效模型，建立了數(shù)學模型，并利用Matlab 4階Runge-Kutta算法分析了非線性油紙絕緣的電場分布及電荷量變化情況，根據(jù)換流變壓器的實際尺寸建立了電場仿真模型，利用ElecNet有限元軟件2階N-R高次迭代算法計算出不同溫度分布下非線性油紙絕緣結構中的電場分布。由于換流變壓器的故障主要發(fā)生在極性反轉時[12-14]，故本文著重研究了極性反轉電壓下材料非線性對電場分布的影響。

1 油紙絕緣分析

1.1 線性油紙絕緣的分析

1.1.1 RC模型及極性反轉電壓

目前，利用如圖1所示的平板電極RC等效電路來分析和計算雙層介質(zhì)電壓分布的方法已趨于成熟，本文沿用此方法來分析極性反轉電壓下油紙絕緣結構中的電場分布情況。極性反轉電壓如圖2所示。加壓瞬間，電壓按電容分布；電場分布達到穩(wěn)態(tài)時，電壓按電阻分布；最后為極性反轉情況。文獻[15-19]證實：極性反轉完成瞬間油中出現(xiàn)極高的電場強度，而油的最大耐受場強比紙板低，故本文主要研究油中電壓變化。

圖1 油紙絕緣結構及其等效電路Fig.1 Oil-board insulation structure and its equivalent circuit

圖2 極性反轉電壓Fig.2 Polarity reversal voltage circuit

1.1.2 數(shù)學模型

當t=t0(t0→-)時，RC等效模型兩端開始施加電壓，電壓按電容分布，可得：

當t=0時，認為電壓分布已達到穩(wěn)態(tài)，電壓按電阻分布，可得：

可用三要素法計算出：

當0

(1)

此方程為線性一階微分方程，其通解為

(2)

將K1代入式(2)可得

當t>ΔT時，仍可按照三要素法計算，可得

經(jīng)計算該結果與全電流相等方法所求得的結果完全一致。

通過分析數(shù)學模型可知：U1(t)的幅值與γ2d1/(γ2d1γ1d2)呈正比關系，實際工程中γ1>>γ2，故增大γ1或d2均可降低U1(t)的幅值。

U1(t)最大值出現(xiàn)在t=ΔT時刻，即

該值中的增量與ΔT、τ呈反比關系，且τ越大極性反轉后達到穩(wěn)態(tài)所需時間亦越長。

1.2 非線性油紙絕緣的分析

1.2.1 非線性參數(shù)的選取及其影響的分析

目前，換流變壓器廣泛使用直流專用的KI50X變壓器油，其擊穿電壓為88 kV/2.5 mm，含水率5 ppm以下，90℃時介質(zhì)損耗因數(shù)小于0.001%，可有效地防止高壓直流電場下的放電現(xiàn)象與功率損失。于會民、關健昕等人對KI50X變壓器油及絕緣紙板在不同電場強度、不同溫度下的電導率進行了大量的實驗[11,20-21]，數(shù)據(jù)如表1、表2所示。

表1 6 kV/mm時不同溫度下2種材料的電導率Table 1 Two materials′ conductivity under different temperature at 6 kV/mm

表2 65 ℃時不同電場強度下KI50X油的電導率Table 2 Oil conductivity under different electric strength at 65 ℃

KI50X變壓器油的電導率隨電場強度或溫度升高呈指數(shù)上升。絕緣紙板的電導率隨溫度升高呈指數(shù)上升但在電場強度小于50 kV/mm時并不隨電場強度變化。對實驗數(shù)據(jù)擬合得到KI50X變壓器油及絕緣紙板的電導率的經(jīng)驗公式為：

γ油=0.036 8e0.07Te0.8E+1×10-17S/m,

γ紙=e0.05(T-75)×10-15S/m。

式中：T為溫度；E為油中電場強度。

考慮到變壓器油實際的工作環(huán)境，其電導率局部函數(shù)圖像如圖3所示。

如果不考慮電場強度對變壓器油電導率的影響，由于溫度的連續(xù)性，在油與紙板交界面處2種材料的溫度相等，2種材料的電阻R1和R2為定值，仍可按照原數(shù)學模型進行計算與分析。

當考慮電導率的電場強度非線性時，R1和R2變?yōu)橹笖?shù)函數(shù)，此時無法通過求解一階微分方程求得式(1)的解析解，本文采用Matlab 4階Runge-Kutta算法進行數(shù)值求解，該方法用4階方法提供候選解，5階方法控制誤差，是1種高精確度自適應步長的常微分方程數(shù)值解法。

圖3 變壓器油的電導率隨電場強度、溫度變化曲面Fig.3 Curved surfaces of oil conductivity changing with electric field intensity and temperature circuit

1.2.2 物理模型及數(shù)值計算

(3)

可知平行雙極板中電壓分布與兩種介質(zhì)的接觸面積無關。由微分方程規(guī)律可知d1/d2的影響與線性方程時一致。由于實際工程中d1/d2≈1，故本文假設d1/d2=1，式(3)可簡化為

根據(jù)實際工程數(shù)據(jù)，給定圖1模型的參數(shù)為：ε0=8.85×10-12F/m，ε1=2.2，ε2=4.4，d1=d2=0.01 m，Um=105V，ΔT=60 s。應用Matlab進行數(shù)值計算得出20～105 ℃下油中電場強度E1(t)隨時間(0

由圖4可知：溫度上升，非線性油中電場強度E1(0)與E1(6 000)均降低，且E1(6 000)趨近于E1(0)，極性反轉最大電場強度E1(6 000)在8.42～9.63 kV/mm之間變化并在65 ℃時達到極大值。由圖5(a)、圖6(a)可知：0

圖4 0/60/6 000 s時非線性油中電場強度隨溫度變化曲線Fig.4 Curve of electric field intensity changing with temperature in oil at 0/60/6 000 s

圖5 20 ℃時非線性油中電場強度、電壓變化曲線Fig.5 Curve of electric field intensity and voltage changing with time in nonlinear oil at 20 ℃

圖6 105 ℃時非線性油中電場強度、電壓變化曲線Fig.6 Curve of electric field intensity and voltage changing with time in nonlinear oil at 105 ℃

表3 75 ℃線性與非線性油中電場強度對比Table 3 Comparing of electric field strength between linear and nonlinear oil at 75 ℃

圖7 75 ℃時線性油中電場強度、電壓變化曲線Fig.7 Curve of electric field intensity and voltage changing with time in linear oil at 75 ℃

由圖7(a)可知：0

由表3可知：穩(wěn)態(tài)時非線性油中的電場強度E1(0)為線性油中的36倍，極性反轉時非線性油中的最大電場強度E1(60)為線性油中的78%。當t=6 000 s時線性油中的電壓達到穩(wěn)態(tài)，而非線性油中仍有18.3%的增量。線性油中的電場強度在極性反轉時變化非常劇烈，最大電場強度為穩(wěn)態(tài)時的144倍，而非線性油中僅為3.16倍。

換流變壓器按照線性的情況設計會造成較大的裕度導致浪費。考慮非線性因素時，油紙絕緣的電場分布在極性反轉后5 400 s時未達到穩(wěn)態(tài)。

1.3 微觀電荷量變化的分析

由于實際工程中R2C2>>R1C1，故有電荷積聚在油紙的界面處，且積聚電荷的極性與所施加電壓的極性相同，國內(nèi)外的大量實驗[22-29]也驗證了該理論。

當不考慮材料非線性時，τ′=[R1R2(C1+C2)]/(R1+R2)=τ。

由于R2>>R1，所以τ′可以近似變?yōu)镽10×(C1C2)，所以τ′與γ1呈反比關系，可以用1/τ′來表征界面上電荷的變化速度。

極性反轉時界面處和極板上的電荷開始消散；由于穩(wěn)態(tài)時油中電場強度較小，致使油中電導電流也較小，故位移電流占主要部分，認為極板上電荷的消散速度遠大于界面處電荷的消散速度。極板上電壓極性改變的瞬間，界面處積聚的電荷量變化非常小，隨后極板上開始積聚相反極性的電荷，而界面處的電荷繼續(xù)消散。隨著電場強度上升，油中的電密開始增加，界面處電荷的消散速度亦開始增加，導致極性反轉過程中油中的電場強度增加速度減慢，故極性反轉完成時非線性油中的電場強度小于線性油中的電場強度。極性反轉完成時極板上等效面電荷量達到穩(wěn)態(tài)，界面上電荷繼續(xù)消散直至為零，隨后重新積聚與極板極性相同的電荷，油中電場強度逐漸降低；由于油的電導率隨電場強度呈非線性變化，油中電密衰減速度也逐漸降低。

2 實例分析

2.1 實例仿真

本文針對一臺±400 kV換流變壓器建立網(wǎng)側和閥側端部模型，使用ElecNet進行極性反轉電壓仿真，根據(jù)GB/T 18494.2計算其極性反轉電壓為

Upr=1.25[(N-0.5)Udm0.35Uvm]=460.73 kV。

其中：Uvm=178.8 kV為閥側繞組最大相間交流工作電壓；Udm=204 kV為每個閥橋最高直流電壓；N=2為從直流線路中性點至與變壓器相連的整流橋間所串接的六脈波橋的數(shù)量。

模型如圖8所示，其中A、B為局部的網(wǎng)側靜電環(huán)和繞組，C、D為局部的閥側靜電環(huán)和繞組，E為壓板，ab邊為上鐵箱壁，中間條狀部分為絕緣紙板和角環(huán)，所有間隙均為變壓器油。

圖8 換流變壓器網(wǎng)側對閥側端部模型Fig.8 Model of upper part of Line-valve side winding of convert transformer

按照實際情況添加曲率，設置A、B區(qū)域和ab邊為接地邊界條件，C、D區(qū)域所施加的極性反轉電壓如圖9所示，其余邊界為開放邊界。

圖9 模型電壓Fig.9 Applied voltage on model

有限元剖分設置最大尺寸為2 mm，材料邊緣加密25%，共計剖分105 337個三角形單元，三角形內(nèi)采用線性插值，極性反轉電壓采用瞬態(tài)求解中的二階Newton-Raphson非線性求解器，迭代次數(shù)為20次，許用公差為0.1%。為了簡化計算，本文采用油道分段加溫法進行仿真，網(wǎng)、閥側各有5個油道，所施參數(shù)如表4所示。

2.2 仿真結果與分析

圖10(a)表示0 s時，1—10號仿真的電場分布，且最大電場強度出現(xiàn)在閥側第一油道靜電環(huán)處，均為6.54 kV/mm。圖10(b)代表5 460 s時，1—10號仿真的電場分布規(guī)律，且最大電場強度出現(xiàn)在閥側第一油道靜電環(huán)處，值見表5。圖10(c)代表5 400 s時，1—6號仿真的電場分布規(guī)律，且最大電場強度出現(xiàn)在閥側靜電環(huán)上，值見表5。圖10(d)表示5 400 s時，7號仿真的電場分布，且最大電場強度出現(xiàn)在閥側第一油道靜電環(huán)處，值見表5。圖10(e)表示5 400 s時，8號仿真的電場分布，且最大電場強度出現(xiàn)在閥側第一油道靜電環(huán)處，值見表5。圖10(f)代表5 400 s時，9—10號仿真的電場分布規(guī)律，且最大電場強度出現(xiàn)在網(wǎng)、閥側靜電環(huán)下尖端處，值見表5。

表4 換流變壓器模型的溫度參數(shù)Table 4 Temperature parameters of convert transformer model

溫度升高有助于降低最大電場強度，但若閥側溫度高于網(wǎng)側反而會增大閥側出現(xiàn)的最大電場強度。20 ℃時變壓器油與紙板的電導率降低了2個數(shù)量級，且變壓器油與絕緣紙板的電導率之比由75 ℃的100∶1變?yōu)?.38∶0.01，故時間常數(shù)τ大幅度增加遠大于5 400 s，因此5 400 s時油中電場強度仍然很高。5 460 s時油中最大電場強度由12.03 kV/mm降低至7.91 kV/mm。當考慮電場強度非線性、溫度為75 ℃時，5 460 s時最大電場強度由12.03 kV/mm降至76%即9.15 kV/mm，與Matlab的仿真結果相符，而5 400 s時油中的電場強度與紙板中的電場強度相近。存在溫度梯度時若考慮電場強度非線性則油中的電場強度在3.4～4.1 kV/mm范圍變化，不考慮電場強度非線性時在0.002～0.02 kV/mm范圍變化，故變壓器油電導率的電場強度非線性會均化由溫度梯度帶來的電場強度梯度。

表5 5 400/5 460 s時最大電場強度Table 5 Maximum electric field strength at 5 400/5 460 s

圖10 電場分布圖Fig.10 Distribution of electric field

絕緣紙板的許用場強為40 kV/mm，長時直流電壓下變壓器油的許用場強為10 kV/mm、極性反轉電壓下變壓器油的許用場強為13 kV/mm。由仿真結果可知：絕緣紙板在所有情況下均有很大的絕緣裕度。當不考慮材料的非線性時，5 400 s和5 460 s時變壓器油的絕緣裕度分別為500和1.08；當考慮材料的非線性時，5 400 s和5 460 s時變壓器油的絕緣裕度分別為2.44和1.42。故5 400 s時變壓器油并沒有很大的絕緣裕度，5 460 s時變壓器油的絕緣裕度反而增大。

3 結 論

1)非線性材料極性反轉完成時油中的最大電場強度為線性材料的78%；

2)溫度越低電場達到穩(wěn)態(tài)所需時間越長、極性反轉時油中的最大電場強度越低、極性反轉完成后油中的電場強度越高；

3)電導率的電場強度非線性會均化由溫度梯度帶來的電場強度梯度；

4)通過加厚紙板和增大靜電環(huán)曲率半徑均可以降低油中電場強度。

[1] 趙畹君．高壓直流輸電工程技術[M]．北京：中國電力出版社，2004：60-65．

[2] ELLIOTT FE，LAVIER BE，KUEHN WP，et al．FEM-study on converter transformer failures in the Celilo HVDC converter station[J].PESW，1999：1047．

[3] HP Moser．Transformerboard II[M]．Germany：Zürich，1999：53．

[4] 李曉黎，陳祖勝．特高壓直流輸電技術發(fā)展綜述[J]．廣西電力，2009(1)：23． LI Xiaoli，CHEN Zusheng．Summary of ultrahigh voltage direct current transmission technology[J]．Guangxi Electric Power，2009(1)：23．

[5] 李文平，陳志偉，宋秀生，等．±800 kV直流輸電工程用換流變壓器主絕緣結構的研究[J]．電力設備，2007，8(3)：5． LI Wenping，CHEN Zhiwei，SONG Xiusheng，et al．Analysis on main insulation structure of converter transformer for ±800 kV HVDC transmission[J]．Electrical Equipment，2007，3(8)：5．

[6] TAKAHASHIE，SHIRASAKA Y，OKUYAMA K．Analysis of an anisotropic nonlinear electric field with a discussion of dielectric tests for converter transformers and smoothing reactors[J]．IEEE Transactions on Power Delivery，1994，9(3)：1480．

[7] RONGSHENGL，WAHLSTROM G．Measurements of the DC electric field in liquid impregnated pressboard using the pressure wave propagation technique[C]．Australia：Brisbane，1994：103-106．

[8] LI Jinbiao，XIE Dexin，WANG Xiaoyan．Adaptive FE analysis of nonlinear and anisotropic DC electric field of converter transformer in HVDC transmission systems[C]．Automation Congress，2008．WAC 2008．World．2008．

[9] 張施令，彭宗仁，馮驊．復合絕緣非線性電場的有限元迭代計算[J]．電網(wǎng)技術，2014，38(2)：448． ZHANG Shiling，PENG Zongren，F(xiàn)ENG Hua．Iterative finite element method applied to nonlinear electric field of composite insulation．power system technology[J].Power System Technology，2014，2(38)：448．

[10] 劉剛，李琳，李文平，等．換流變壓器極性反轉非線性電場分析[J]．高電壓技術，2012，38(2)：451． LIU Gang，LI Lin，LI Wenping，et al．Analysis of nonlinear electric field of converter transformer under polarity reversal voltage[J]．High Voltage Engineering，2012，2(38)：451．

[11] 關健昕．油紙絕緣電導非線性特性對閥側出線絕緣裕度的影響研究[D]．北京：中國電力科學研究院，2014．

[12] WENKC，ZHOU YB，F(xiàn)U J，et al．A calculation method and some features of transient field under polarity reversal voltage in HVDC insualtion[J]．IEEE Transactions on Power Delivery，1993，8(1)：223．

[13] 王冰，王清璞，孫優(yōu)良．換流變壓器閥側繞組端部極性反轉瞬態(tài)電場的計算與分析[J]．變壓器，2007，44(6)：11． WANG Bing，WANG Qingpu，SUN Youliang．Calculation and analysis of polarity reverse transient electric field in valve winding end of converter transformer[J]．Transformer，2007，44(6)：11．

[15] 王永紅，魏新勞，朱寶森，等．極性反轉電壓下變壓器油的擊穿特性[J]．電機與控制學報，2011，15(3)：46． WANG Yonghong，WEI Xinlao，ZHU Baosen，et al．Breakdown characteristics of transformer oil at DC polarity reversal voltage[J]．Electric Machines and Control，2011，15(3)：46．

[16] 王永紅，魏新勞．極性反轉電壓下油紙復合絕緣的特性[J]．中國電機工程學報，2012，32(19)：161． WANG Yonghong，WEI Xinlao．Characteristics of oi-pressboard insulation under polarity reversal voltage[J]．Proceedings of the CSEE，2012，32(19)：161．

[17] 魏新勞，聶洪巖，陳慶國，等．極性反轉電壓下油紙絕緣系統(tǒng)中電場分布[J]．電機與控制學報，2010，14(11)：27． WEI Xinlao，NIE Hongyan，CHEN Qingguo，et al．Analysis of electrical field on oil-paper insulation system under polarity reversal voltage[J]．Electric Machines and Control，2010，14(11)：27．

[18] 丁中尼，李光范．極性反轉時典型油紙復合絕緣的電場特性[J]．電網(wǎng)技術，2008，32(23)：82． DING Zhongni，LI Guangfan．Electric field characteristic calcul-ation on typical oil-paper combination insulation under polarity reversal[J]．Power System Technology，2008，32(23)：82．

[19] 呂曉德，陳敦利．極性反轉時換流變壓器絕緣電場特性研究[J]．高電壓技術，1997，23(1)：67． Lü Xiaode，CHEN Dunli．The study on electric field characteristics of converter transformer under polarity reversal[J]．High Voltage Engineering，1997，23(1)：67．

[20] 聶洪巖．極性反轉電壓作用下油紙復合絕緣系統(tǒng)擊穿特性研究[D]．哈爾濱：哈爾濱理工大學，2010．

[21] 于會民，張綺，郭春梅，等．KI150X和KI150GX變壓器油的應用研究[J]．潤滑油，2012，27(3)：21． YU Huimin，ZHANG Qi，GUO Chunmei，et al．Application study on KI150X and KI150GX Transformer Oils[J]．Lubricating Oil，2012，27(3)：21．

[22] 于會民，鄭鵬宇，張培恒，等．高壓直流電場下UHV換流變壓器用油電導率的對比研究[J]．絕緣材料，2014，47(5)：96． YUHuimin，ZHENG Pengyu，ZHANG Peiheng，et al．Condu-ctivity comparative study of transformer oils for uhv converter transformer in HVDC electric field[J]．Insulating Materials，2014，47(5)：96．

[23] KATOK，OKUBO H，ENDO F，et al．Investigation of charge behavior in low viscosity silicone liquid by Kerr electro-optic field measurement[J]．IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation，2010，17(4)：1214．

[24] OKUBOH，SHIMIZU R，SAWADA A，et al．Keer electro-optic field measurememt and charge dynamics in transformer oil/solid composite insulation systems[J]．IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation，1997，4(1)：64．

[25] CHEN George．Research on the feature extraction of DC space charge behavior of oil-paper insulation[J]．Science China(Technological Sciences)，2011(5)：1315．

[26] CIOBANU R，SCHREINER C，PFEIFFER W，et al．Space charge evolution in oil-paper insulation for DC cables application[C]．Austria：Graz，IEEE，2002：321-324．

[27] 周遠翔，田冀煥，王云杉，等．變壓器油紙絕緣系統(tǒng)中的空間電荷現(xiàn)象[J]．高電壓技術，2011，37(3)：520． ZHOU Yuanxiang，TIAN Jihuan，WANG Yunshan，et al．Analysis of electrical field on oil-paper insulation system under polarity reversal voltage[J]．High Voltage Engineering，2011，37(3)：520．

[28] 張明澤，趙東旭，黃玲，等．變壓器油紙絕緣含水量的介電響應測量方法[J]．哈爾濱理工大學學報，2016，21(2)：84． ZHANG Mingze，ZHAO Dongxu，HUANG Ling，et al．Dielectric response measuring method on moisture content of oil-paper insulation in transformer[J]．Journal of Harbin University of Science and Technology，2016，21(2)：84．

[29] 王正偉，趙大偉，楊嘉祥，等．階躍電壓下液體電介質(zhì)擊穿過程數(shù)值分析[J]．哈爾濱理工大學學報，2014，19(3)：80． WANG Zhengwei，ZHAO Dawei，YANG Jiaxiang，et al．Numerical analysis of liquid dielectric breakdown process applied in step voltage[J]．Journal of Harbin University of Science and Technology，2014，19(3)：80．

[30] 張秋也，朱學成，高自偉，等．溫度對油、紙介電參數(shù)及復合電場分布的影響[J]．哈爾濱理工大學學報，2015，20(6)：59． ZHANG Qiuye，ZHU Xuecheng，GAO Ziwei，et al．Influence of temperature on dielectric parameters of oil & pressboardand the electric field distribution of oil-paper insulation under compound voltage[J]．Journal of Harbin University of Science and Technology，2015，20(6)：59．

(編輯：張 楠)

AnalysisoflinearandnonlinearelectricfieldofHVDCconverttransformeroil-boardinsulation

LIU Wen-li1，BAI Shi-guang2，LI Yi-chun3，LI Jia-xin4

(1.School of Electrical and Electronic Engineering,Harbin University of Science and Technology,Harbin 150080,China;2.Datang Northeast Electric Power Test & Research Institute,Changchun 130015,China;3.East Inner Mongolia Electric Power Company,Hohhot 010000,China;4.East Inner Mongolia Electric Power Company,Tongliao 028000,China)

Converter transformer oil-board insulating material′s conductivity changes nonlinearly with electric field intensity and temperature.This nonlinear change rule is data-fitted in order to study the influences of material′s nonlinearity to the distribution of converter transformer polarity reversal electric field.Calculation and analysis were carried out using RC equivalent circuit.The upper part of line and valve side windings’ electric field of one ±400 kV converter transformer were simulated by using the finite element software ElecNet.The results show that while the polarity reversal finishes,the maximum field strength of nonlinear material is of 78% compared with linear material.While at steady state,the field strength in the nonlinear oil is 36 times of linear oil.The conductivity change caused by electric field would homogenize the the electric field gradient caused by the temperature gradient.Finally,a few improvement measures are offered according to calculation and simulation results.

converter transformer；electric field distribution；polarity reversal；oil-board insulation；nonlinear material

10.15938/j.emc.2017.09.011

TM 401

:A

:1007-449X(2017)09-0080-08

2015-06-18

國家自然科學基金(51207037)

劉文里(1956—)，男，碩士，教授，研究方向為變壓器的理論研究、結構設計與計算；白仕光(1991—)，男，碩士，研究方向為變壓器電、磁場計算與分析；李祎春(1990—)，男，碩士，研究方向為變壓器電、磁場計算與分析；李佳欣(1990—)，女，碩士，研究方向為變壓器電、磁場計算與分析。

白仕光