220kV產(chǎn)品的局放分析及電場仿真絕緣優(yōu)化

摘 要：本文基于一臺時間220kV產(chǎn)品產(chǎn)生局部放電的現(xiàn)象，分析了產(chǎn)生均局部放電的原因，并使用電場分析軟件進行分析，提出了有效的電場改進措施，最終使產(chǎn)品順利通過出廠試驗。

關(guān)鍵詞：電場仿真；絕緣優(yōu)化設(shè)計

中圖分類號：TM216 文獻標識碼：A 文章編號：1004-7344（2018）12-0194-02

1 前 言

隨著我國電力變壓器電壓等級的提高，電力變壓器的絕緣水平也隨之顯著提高，這樣對產(chǎn)品的端部電場設(shè)計難度也提出了相應(yīng)的挑戰(zhàn)。如果絕緣設(shè)計的端部絕緣結(jié)構(gòu)布置不合理，在很多絕緣考核可能出現(xiàn)影響的問題。特別是在變壓器的感應(yīng)試驗時，用于端部電場的集中，可能出現(xiàn)局部放電等相應(yīng)的問題。因此在產(chǎn)品絕緣設(shè)計時，需仔細考慮對產(chǎn)品的端部電場的分布情況，在變壓器絕緣布置初期需要結(jié)合有限元仿真軟件進行開展，仿真分析可以通過合理的布置端部絕緣結(jié)構(gòu)，以保證產(chǎn)品的絕緣性能。

本文以某臺實際220kV產(chǎn)品為例，在該臺產(chǎn)品感應(yīng)試驗時出現(xiàn)局放超標的情況下，對其可能產(chǎn)生局放的原因進行詳細分析，并結(jié)合電場分析仿真軟件對其進行有效地驗證。通過初步判斷與有限元驗證結(jié)合的方法，最終提出了改善電場集中的有效方法，通過合理的改進措施使產(chǎn)品最終通過局放試驗。

2 產(chǎn)品局放試驗過程及分析

2.1 產(chǎn)品主要性能參數(shù)

本文分析的產(chǎn)品為一臺240MVA，220kV絕緣等級的變壓器，其主要參數(shù)可以高壓繞組聯(lián)結(jié)組別為YN，中壓繞組聯(lián)結(jié)組別為YN，低壓繞組聯(lián)結(jié)組別為D。高壓繞組的額定電壓為230±8×1.25%kV，中壓繞組的額定電壓為117kV，低壓繞組的額定電壓為37kV。三個繞組的設(shè)備最高壓電分別為252kV，126kV以及40.5kV。感應(yīng)試驗電壓為395kV，200kV，以及85kV。三個繞組的局放量均控制為低于100pC以內(nèi)。

該設(shè)計試驗高壓調(diào)壓的方式，設(shè)計絕緣結(jié)構(gòu)采用粗細調(diào)壓方式，線圈的排列方式從鐵心向外依次為低壓繞組，中壓繞組，高壓繞組，粗調(diào)繞組以及細調(diào)繞組。不同繞組的匝數(shù)分布為高壓繞組488匝，中壓繞組276匝，低壓繞組151匝，粗調(diào)繞組54匝，細調(diào)繞組53匝。

2.2 局放現(xiàn)象描述

根據(jù)GB1094.3標準規(guī)定，變壓器在進行長時感應(yīng)出廠試驗時，在高壓繞組端部對地達到1.5Um/√3時，需要進行局放量的檢測。該項目要求在此階段的局放量需要低于100pC，以達到考核變壓器產(chǎn)品的端部絕緣性能的要求。在實際產(chǎn)品的出廠試驗時，試驗分接檔位為第8檔位，試驗方法采用中性點直接接地接線方式進行。

在試驗過程中，當加壓過程中達到高壓對地電位為1.1Um/√3=160kV時，出現(xiàn)了起始局放信號，高壓B相局放量達到350pC。

加壓到高壓對地1.5Um/√3=218kV時，高壓B相局放量達到1400pC。

由于感應(yīng)試驗與繞組匝數(shù)成正比，此時感應(yīng)倍數(shù)可以計算為：

■=1.62

此后的短時間內(nèi)反復(fù)加壓、降壓，發(fā)現(xiàn)該局放信號起始、熄滅相對穩(wěn)定，且該局放量隨電壓升高而升高，因此考慮改變試驗檔位，通過改變電氣連接方法進一步查找問題出現(xiàn)的線索。

保持感應(yīng)試驗時的接線方式不變，改變分接檔位為17檔。加壓到高壓對地142kV出現(xiàn)起始局放信號，高壓B相局放量達到360pC。

繼續(xù)在高壓對地達到194kV時，B相局放量達到1800pC。

由于感應(yīng)試驗與繞組匝數(shù)成正比，此時感應(yīng)倍數(shù)可以計算為：

■=1.62

保持長時感應(yīng)試驗時的接線方式不變，改變變壓器的分接檔位調(diào)整到1檔。加壓到高壓對地電位為174kV出現(xiàn)起始局放信號，高壓B相局放量達到335pC。

進一步采取局放超聲定位措施，發(fā)現(xiàn)B相對高壓側(cè)油箱位置有較強的超聲信號，出現(xiàn)位置正對于粗調(diào)線圈端部區(qū)域，具體位置見圖1。

2.3 局放初步分析

初步對上述試驗結(jié)果數(shù)據(jù)進行整理分析。從表1中可以看出，在保證了感應(yīng)倍數(shù)相同的情況下，高壓端部對地電位高的情況局放量卻反而會小，這樣可以初步判斷局放與高壓的端部對地電壓并無直接聯(lián)系。這樣可以排除高壓引線對油箱、夾件等地電位區(qū)域激發(fā)局部放電的可能性。

進一步整理分析發(fā)現(xiàn)，當高壓端部對粗調(diào)端部電位差達到一定數(shù)值時，試驗開始產(chǎn)生起始局放信號，且局放量的持續(xù)水平非常接近，具體可見表2中數(shù)據(jù)。從表2中可以看出，隨著高壓端部對粗調(diào)端部電位差值增加時，局放量也會相應(yīng)增加，表現(xiàn)出正相關(guān)的趨勢。這樣可以初步判斷出局放量與高壓端部與粗調(diào)端部之間的電位差有直接關(guān)系，電位差值的增加會直接反映到該處的電場強度數(shù)值的增加，該區(qū)域為局部放電信號最有可能激發(fā)的位置。

3 電場仿真分析

3.1 電場計算驗證

根據(jù)以上的初步判斷，采用電場分析軟件對該區(qū)域電場分布情況進行分析。

根據(jù)圖1的確定的局放位置，局放信號可能出現(xiàn)在變壓器器身內(nèi)的高壓與粗調(diào)之間。在有限元軟件中采用2D軸旋轉(zhuǎn)邊界元方法進行仿真計算，仿真需要建立變壓器的整體模型框架，在每個閉合區(qū)域賦予相應(yīng)材料的屬性。由于在交流電場分析的條件下，需要重點考慮材料的相對介電常數(shù)，通常油賦予2.2，紙板賦予4.0，近似2倍的關(guān)系。

建模計算是變壓器整體的鐵心中心作為計算的旋轉(zhuǎn)軸，以高壓側(cè)的油箱為電位的零邊界條件進行仿真計算。

電場計算的邊界條件模擬實際感應(yīng)試驗在檔位8的電場分布情況。其端部的電位分布作為電場分析的邊界激勵，各個繞組的端部電位值。

電場仿真的等位線分布圖，可見圖2。從仿真的模擬計算可以看出，由于粗調(diào)繞組端部的電極形狀不夠圓整，特別是在端部的電極形狀，由于導線的倒角較小，整體粗調(diào)壓繞組類似于90°直角，電極形狀不好。通過仿真的結(jié)果來看，在粗調(diào)端部內(nèi)側(cè)的等位線密度非常集中，該處位置場強最大，這也就是感應(yīng)試驗下端部區(qū)域電場的薄弱點。該薄弱點區(qū)域直接導致在感應(yīng)試驗過程中的局部放電量過高，使得產(chǎn)品的局部放電指標無法滿足合同要求。

3.2 繞組端部絕緣改進

根據(jù)以上的電場仿真結(jié)果，電場力線的集中區(qū)域在粗調(diào)的端部，因此考慮在粗調(diào)線圈端部增加額外屏措施以降低該處的電場強度。

具體設(shè)計通過在粗調(diào)繞組的端部位置增加一個靜電環(huán)，靜電環(huán)絕緣2mm，左上角的倒角為4mm，該善措施之前的導線倒角為0.5mm，這樣該處的電極倒角增加了8倍。

同時考慮到該區(qū)域存在一個較大的油隙。由于變壓器油隙中的耐電強度與其距離大小反相關(guān)，因此在該區(qū)域額外增加了兩個1mm分瓣角環(huán)，進一步將油道分割為4mm，增加油隙的耐受強度。

根據(jù)改進后的絕緣布置，重新建立絕緣模型。通過仿真計算得到的等位線見圖3?？梢钥闯?，正是由于粗調(diào)端部采用了靜電環(huán)，有效屏蔽了粗調(diào)線圈本線左上角的場強集中區(qū)域，而靜電屏倒角增大又有效的降低了表面場強，使得該區(qū)域場強大大降低。再結(jié)合通過進一步使用分瓣角環(huán)分割該處的油隙，有效提高了該油隙的場強耐受值。該改進方案也被最終應(yīng)用在產(chǎn)品中。

4 重新處理

將原試驗失敗產(chǎn)品進行吊芯檢查，拆除到粗調(diào)的端部絕緣，發(fā)現(xiàn)B相粗調(diào)端部沿端圈往上爬電，并發(fā)展到第一道分瓣角環(huán)，這樣足夠驗證了以上分析的正確性。

將產(chǎn)品按電場優(yōu)化后的絕緣結(jié)構(gòu)進行處理，重新進行局放試驗，局部放電由于合同要求，即在長時感應(yīng)試驗的1.5Um/√3階段的局放量低于100pC，最后產(chǎn)品順利出廠。

5 結(jié) 論

（1）對起始、熄滅相對穩(wěn)定的局部放電類型（或期間），可通過合適的電氣法去判斷與放電相關(guān)的因素，例如改變變壓器試驗的分接等有效手段初步推測放生局部放電可能出現(xiàn)的位置；

（2）在線圈端部的高場強區(qū)域，可通過增加靜電環(huán)改善電極形狀，降低表面強度數(shù)值；

（3）在端部高場強區(qū)域的油道，可通過增加角環(huán)進一步分割成小油隙，提高油隙的耐電強度。

參考文獻

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收稿日期：2018-3-25