超高壓電力變壓器縱絕緣電場分布計算與分析

劉飛達(dá) 馬嬙

摘要：絕緣故障是變壓器最主要的問題，改進(jìn)變壓器的絕緣結(jié)構(gòu)，提升絕緣能力是設(shè)計過程中的首要任務(wù)。故開展大型電力變壓器絕緣電場分析確定絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計中電場強度的分布并且進(jìn)行絕緣結(jié)構(gòu)的設(shè)計優(yōu)化，對輸變電系統(tǒng)的可靠運行和提高變壓器經(jīng)濟(jì)指標(biāo)具有重要理論意義。

關(guān)鍵詞：變壓器;主絕緣;電場強度;絕緣裕度

隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展及國內(nèi)用電量的大幅增漲，國內(nèi)外變壓器技術(shù)發(fā)展迅猛，容量也快速增長，目前可達(dá)到1000MVA以上^[1]，電壓等級也隨之快速提高，變壓器在數(shù)量和類別上也有明顯得提升。針對變壓器縱絕緣電場，本文基于變壓器繞組波過程計算的研究情況，建立了簡化的繞組模型和等值電路，合理地提取了電感和電容等參數(shù)，進(jìn)行了雷電過電壓作用下波過程計算，得到了變壓器繞組電位及梯度分布，計算絕緣欲度找出絕緣薄弱點，為工程設(shè)計提供了理論依據(jù)。對變壓器絕緣設(shè)計具有一定的指導(dǎo)意義。

1.變壓器線圈等值電路

要想分析清楚繞組整個波過程，首先需要做的就是弄清楚變壓器繞組的等值電路。這個等值電路實際上包含了電容、電感以及電阻等元件，是一個非常復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)。實際上由于繞組匝間及繞組對地產(chǎn)生的分布電容是比較小的，影響也是能夠忽略的。但是，一旦處于雷電沖擊電壓或者其它高頻電壓的激勵作用之下，整個變壓器繞組的等值電路就會轉(zhuǎn)變的非常復(fù)雜，一定要綜合考慮電感、電容以及電阻等元件之間的影響作用。我們以連續(xù)式繞組當(dāng)作例子，其等值電路如圖1.1所示。

L0為線圈的單元電感，整體表現(xiàn)出線圈存儲的磁場能量特性。

C0為相鄰線圈匝間電容，K0為相鄰餅間電容，他們都屬于縱向電容的范疇。

C10為線圈對地的電容，C20為繞組對油箱的電容，他們同樣都是屬于輻向電容的范疇。

沖擊電壓波可以看作是一個等值且頻率的波峰的最大值較大，由于沖擊波的作用，繞組成了一個復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)。沖擊波開始運行的那一刻，這時電容其主要作用，隨之沖擊波作用過程的發(fā)展，電容、電感和電阻同時作用，當(dāng)頻率降到足夠低，這時沖擊波對繞組的作用由電感決定^[2]。

通過沖及測量結(jié)果及計算分析表明，按繞組簡化等效電路分析變壓器的沖擊特性是可行的。

2. 波過程計算結(jié)果及分析

目前，對變壓器繞組沖擊電壓分布的計算是一個難題，它也是變壓器產(chǎn)品的絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計中十分關(guān)鍵的一個步驟，沖擊電壓分布的電位最大值對主絕緣具有決定作用，縱絕緣也會受最大梯度的影響。

沖擊電壓分布計算對確定變壓器產(chǎn)品的主縱絕緣結(jié)構(gòu)非常重要。本文以SFP-370000/500產(chǎn)品結(jié)構(gòu)為例進(jìn)行波過程計算。高壓繞組為內(nèi)屏連續(xù)式結(jié)構(gòu)采用換位導(dǎo)線結(jié)構(gòu)，低壓繞組為雙層螺旋式結(jié)構(gòu)采用網(wǎng)包換位導(dǎo)線。以高壓繞組上半柱全波電位與梯度計算結(jié)果為例進(jìn)行顯示，如圖2.1。

通過計算結(jié)果可知，不論是全波還是截波，它們在繞組上的分布的共同點是都是非線性的，它們的起始端的電位變化迅速，梯度從起始端到尾端逐漸減小，全波存在震蕩現(xiàn)象。從計算數(shù)據(jù)可知，全波時最大梯度出現(xiàn)屏蔽段處，電位梯度值是6.14%。該油道降落的電壓為95.2kV，油道的大小是6mm。截波時電位最大梯度仍然出現(xiàn)在屏蔽端，梯度值達(dá)到6.17%。該油道降落的電壓為103.3kV。結(jié)合工程實踐及軟件校核標(biāo)準(zhǔn)，以上數(shù)值均能夠滿足設(shè)計要求。

通過同樣方法對低壓繞組波過程進(jìn)行計算，可以得出低壓繞組中部線餅之間電位最高。中間向兩端逐漸減小，直至為零，其在分布上是均勻的，全波的最大梯度為1.4 %，絕緣裕度更大。

通過以上對高壓繞組和低壓繞組的分析來看，就繞組絕緣性的角度考慮，截波和全波的關(guān)注重點都應(yīng)該集中在高壓繞組上。

3.結(jié)語

本章介紹了變壓器線圈的等值電路原理，主要工作在分析變壓器中的繞組，對其開展了波程計算，計算了變壓器高繞組及低繞組在雷電沖擊的影響下的電壓分布情況，考慮到軟件及工程實踐，所得到的安全裕度是符合設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的。相較于高壓繞組而言，低壓繞組的絕緣裕度更高，不用著重考慮，類似產(chǎn)品設(shè)計時在縱絕緣方面需要重點考核的是高壓繞組。

參考文獻(xiàn)

[1] 謝毓城.電力變壓器手冊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[2] 呂曉德.各向異性非線性直流電場數(shù)值算法研究[J].電工技術(shù)學(xué)報，1998，13（4）：60-64.

（作者單位：特變電工沈陽變壓器集團(tuán)有限公司）