變壓器套管表面空間電場特性研究

陳昊，黃祖榮，陳夢濤，張東東，黃宵寧，劉錦

(1. 國網(wǎng)江蘇省電力有限公司檢修分公司，江蘇 南京 211102；2. 南京工程學院 電力工程學院，江蘇 南京 211167)

我國電網(wǎng)已進入特高壓、大電網(wǎng)、高負荷時代，新能源接入[1-2]、新設(shè)備并網(wǎng)[3-4]、負荷波動規(guī)律趨于復雜[5]，大大增加了輸變電設(shè)備運維與檢修的壓力，亦對設(shè)備運行狀態(tài)監(jiān)測提出了更高要求[6-7]。近年來，大范圍霧霾天氣發(fā)生頻率增高，部分變電站外絕緣設(shè)備運行外部環(huán)境較惡劣，尤其在夏季潮濕多雨、冬季降雪嚴重的典型氣候特征出現(xiàn)時，由此引發(fā)的變壓器套管瓷套沿面閃絡等問題更為嚴重。

國內(nèi)外對于電力系統(tǒng)設(shè)備檢測進行了大量的研究，變壓器套管帶電檢測方法有紅外法、紫外法等[8]。紅外測溫技術(shù)不會影響變壓器內(nèi)部結(jié)構(gòu)，且安全可靠，但受環(huán)境因素影響較大；紫外法可以檢測到套管表面的異常放電情況，但是紫外檢測設(shè)備價格昂貴，不易推廣。優(yōu)于帶電檢測技術(shù)的變壓器套管在線監(jiān)測技術(shù)已是目前研究熱點[9-11]。文獻[9]提出了基于介質(zhì)損耗增長值、增長幅度的變壓器套管在線監(jiān)測故障預警方法。文獻[11]提出了變壓器套管末屏適配器于套管在線監(jiān)測中的應用。

現(xiàn)有的變壓器套管在線監(jiān)測技術(shù)主要是通過末屏外部接地及安裝相應測量裝置，對變壓器套管介損、電容量及泄漏電流進行實時監(jiān)測；但由末屏外部接地導致的末屏接地不良、套管內(nèi)部受潮等危險現(xiàn)象非常普遍[12]，這些現(xiàn)象對套管帶來安全隱患。

作為重要電氣參量之一，電場信號可通過非接觸式傳感的方法獲得，其與末屏接線安裝傳感器的方式相比，不會對套管本身造成影響。獲取變壓器套管空間電場變化與其運行狀態(tài)之間的聯(lián)系，是非接觸式變壓器套管在線監(jiān)測的前提。本文以交流500 kV R- C65515-KEA型油浸紙?zhí)沾勺儔浩魈坠転閷ο?，通過仿真建模詳細分析了不同觀測路徑下，干燥、濕潤、放電等3種典型表面狀態(tài)的變壓器套管周圍空間電場變化特性，研究結(jié)果可為非接觸式變壓器套管在線監(jiān)測提供理論支撐。

1 仿真模型及設(shè)置

1.1 試品

選取500 kV R-C65515-KEA型油浸紙?zhí)沾勺儔浩魈坠茏鳛榉抡鎸ο?，建立有限元仿真模型，進行高壓套管空間電場強度的特性分析。套管結(jié)構(gòu)示意如圖1所示，其由均壓罩、導電桿、油浸紙-鋁箔內(nèi)絕緣電容心子、外絕緣瓷套傘裙構(gòu)成。法蘭以下部分均處于變壓器油箱內(nèi)。高壓套管外瓷套為一大一小傘型，大傘間距為70 mm，大傘伸出為70 mm，大小傘伸出差為15 mm，干弧距離為5 470 mm，結(jié)構(gòu)高度為6 690 mm，法蘭上部瓷套平均直徑為395 mm。

圖1 變壓器高壓套管模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of transformer high voltage bushing model

由于變壓器套管在任意徑向截面均顯現(xiàn)中心對稱，各軸向截面呈現(xiàn)軸對稱，選擇二維空間對稱模型簡化建模，可以減小模型維度和簡化仿真計算[13]。

1.2 參數(shù)設(shè)置

工頻交流電壓下，對變壓器高壓套管電流場進行仿真[14]，均勻電介質(zhì)場中、自由電荷體密度不存在，其電位分布為

2φ=0.

(1)

對于二維軸對稱場域中任意一點應滿足方程

(2)

對于高壓端和低壓端電場滿足一類邊界條件，即

φ|L1=f0(p).

(3)

在對稱軸處滿足二類邊界條件，即

(4)

不同表面狀態(tài)下變壓器套管電場分布的方程組：

(5)

式(1)—(5)中：φ為電位；σ、ε分別為材料的電導率和介電常數(shù)；r、z為圓柱坐標系中坐標；L1為高壓側(cè)的邊界；L2為對稱軸；Ω為求解場域；p為場域中任意一點；泛函數(shù)F為基于變分法求解電勢分布的中間變量，其最小值即為微分方程的解；f0(p)為第一類邊界條件系數(shù)，物理意義為高壓端上的電位取所施交流電壓的幅值；δ介質(zhì)損耗常數(shù)；ω為 角速度。

仿真模型材料的介電常數(shù)和電導率見表1[13-15]。

表1 材料屬性Tab.1 Material properties

利用有限元法求解空間電場分布時，對遠處空氣邊界、變壓器油箱外殼、法蘭和最外層電容屏加載零伏電壓，對于高壓套管內(nèi)部的導電桿加載實際運行電壓。為保證計算精度的同時節(jié)省計算機內(nèi)存資源，因套管傘裙和油浸紙等結(jié)構(gòu)較密集，選取高密集度網(wǎng)格單元，而油箱內(nèi)部和空氣域等結(jié)構(gòu)單一，選取粗糙網(wǎng)格劃分。模型完成剖分后的示意圖如圖2所示。

圖2 高壓套管網(wǎng)格剖分圖Fig.2 High voltage bushing meshing diagram

1.3 高壓套管運行狀態(tài)模擬設(shè)置

對3種不同表面狀態(tài)下變壓器套管空間電場強度分布變化進行模擬。

狀態(tài)1——干燥潔凈狀態(tài)。由于高壓套管周圍附近的污穢沉積對于空間電場強度的影響較小，所以對于仿真模型不作額外修改。

狀態(tài)2——濕潤狀態(tài)。通過在變壓器套管表面設(shè)置1層均勻水膜邊界來模擬套管濕潤狀態(tài)，如圖3深色區(qū)域所示。

圖3 濕潤狀態(tài)下的高壓套管Fig.3 High voltage bushing in wet state

狀態(tài)3——局部起弧狀態(tài)。利用在高壓套管表面邊界設(shè)置電位差來模擬局部電弧放電，局部電弧橋接區(qū)域用電勢交替排列來模擬，如圖4所示在傘裙上設(shè)置不同的電壓，使得電弧延伸至M點，即

圖4 高壓套管表面局部電弧設(shè)置示意圖Fig.4 Partial arc setting on the surface of high voltage bushing

Ua=ALaI-na.

(6)

式中：Ua為局部電弧所承受電壓的峰值；I為泄漏電流的峰值；La為電弧長度；na為與電弧電流有關(guān)的常數(shù)，當I<0.1 A時，na取0.2～0.5；A為與氣體性質(zhì)和氣壓有關(guān)的常數(shù)，且與電弧冷卻情況有關(guān)。本文電弧長度為250 mm，A為68，na為0.3，I為15 mA，由式(6)計算出電弧電位差約為6 kV，基于此在高壓端至M點深色連線的網(wǎng)格格點處設(shè)置點電位，從而形成電弧電位差，以模擬沿面局部電弧。

1.4 空間電場分布觀測點設(shè)置

為便于后續(xù)試驗對比，分別在法蘭接地外殼上200 mm處、法蘭接地外殼右側(cè)200 mm處和距離上瓷套2 000 mm處設(shè)置3處觀測路徑，依次對應的觀測路徑1為AB、路徑2為CD和路徑3為EF，如圖5所示。由圖5可知，觀測路徑處電位快速跌落，能夠代表套管周圍電位的一般分布情況。后續(xù)討論中所指的空間電場強度均指該3處觀測路徑的電場強度數(shù)值。

圖5 空間電場強度觀測線示意圖Fig.5 Observation line of space electric field

2 仿真結(jié)果及分析

2.1 不同表面狀態(tài)的空間電場強度分布特性

在路徑AB、CD、EF 3種不同路徑處提取不同狀態(tài)下的高壓套管空間電場強度特征值，觀測不同路徑的空間電場強度情況，分別如圖6、圖7和圖8所示。

圖8 觀測路徑3的空間電場情況Fig.8 Space electric field of observation line 3

圖7 觀測路徑2的空間電場情況Fig.7 Space electric field of observation line 2

由圖6可知：

圖6 觀測路徑1的空間電場情況Fig.6 Space electric field of observation line 1

a)觀測路徑1處提取的空間電場強度特征值豎直分量、水平分量和電場幅值都隨著距離A點位置的變遠而呈現(xiàn)一個逐漸減弱的過程。

b)與干燥情況相比，濕潤狀態(tài)下觀測路徑1距離A點0～500 mm區(qū)間空間電場強度特征值體現(xiàn)出相當劇烈的變化，電場強度水平分量和電場強度幅值分別呈現(xiàn)相當顯著的下降，前者幅度達385%，后者幅度達372%，距離A點500 mm處是變化的拐點；隨著測量位置的變化，電場強度水平分量和電場強度幅值的變化速率趨于平緩。

c)與干燥情況相比，放電狀態(tài)下觀測路徑提取空間電場強度特征值的變化趨勢都近似于干燥情況，無法有效區(qū)分兩者的狀態(tài)。

綜上可得，觀測路徑1上提取的空間電場強度特征值可以有效分辨干燥和濕潤狀態(tài)下的變化，但無法區(qū)分干燥和放電狀態(tài)下的變化。

由圖7可知：

a)觀測路徑2處提取的空間電場強度特征值(電場強度豎直分量、水平分量和電場強度幅值)隨著距離D點位置越遠而逐漸增大。

b)在此觀測路徑上距離D點4 000 mm的位置處，與干燥情況相比，濕潤狀態(tài)和放電狀態(tài)下的電場強度豎直分量體現(xiàn)出相當明顯增加。

c)在此觀測路徑上任意位置處，與干燥情況相比，放電狀態(tài)下的電場強度幅值及其水平分量都無明顯變化，表明通過監(jiān)測路徑上的電場強度幅值及其水平分量難以有效區(qū)分這2種狀態(tài)。

綜上可得，觀測路徑2上提取的空間電場強度豎直分量能有效區(qū)分變壓器高壓套管的干燥、濕潤、放電不同狀態(tài)，可以為輸配電設(shè)備運行狀態(tài)監(jiān)測提供依據(jù)。

由圖8可知：

a)觀測路徑3處提取的空間電場強度特征值豎直分量隨著距離F點位置的變遠總體呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，而電場強度特征值水平分量和電場強度幅值呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢。

b)與干燥情況相比，在該觀測路徑上距離F點1 000 mm到2 000 mm之間，濕潤狀態(tài)下的電場強度豎直分量體現(xiàn)出相當明顯增加，漲幅達86%。

c)在此觀測路徑上任意位置處，與干燥情況相比，放電狀態(tài)下的電場強度幅值及其水平、豎直分量都無變明顯變化，表明通過監(jiān)測該路徑上的電場強度信號難以有效區(qū)分這2種狀態(tài)。

綜上可得，觀測路徑3上提取的空間電場強度特征值無法有效區(qū)分套管在不同狀態(tài)下的變化，故無法作為變壓器套管狀態(tài)監(jiān)測的依據(jù)。

2.2 最佳路徑下空間電場強度特征值對比

由第2.1節(jié)可知路徑2(即CD)為最佳監(jiān)測路徑，基于此獲得的仿真對比結(jié)果如圖9所示。路徑2位于變壓器外殼附近，其對法蘭位置電荷產(chǎn)生的電力線有一定的屏蔽作用；但高壓套管結(jié)構(gòu)很長，法蘭至高壓端之間大部分電荷產(chǎn)生的電力線都會經(jīng)過路徑2處，尤其是它們的豎直分量，本文考慮的幾種典型表面狀態(tài)，均處于套管外部，這將導致套管豎直方向爬距的電位發(fā)生變化，從而容易改變周圍電場強度的豎直分量大小。路徑1、3均受電場強度水平分量作用明顯，而路徑2的電場強度水平分量恰好能被外殼屏蔽，從而使得電場強度豎直分量產(chǎn)生明顯變化，這有可能是路徑2對套管表面狀態(tài)改變而較為敏感的原因之一。

圖9 觀測路徑電場流線分布Fig.9 Electric field streamline distribution of observation lines

綜上所述，對比分析不同路徑、不同表面狀態(tài)下的空間電場強度仿真結(jié)果，可見路徑2為反映套管表面狀態(tài)的最佳路徑，且應使用此路徑下的空間電場強度豎直分量作為依據(jù)。由圖7(a)所示，與干燥情況相比，在距離D點4 000 mm位置處，濕潤狀態(tài)和放電狀態(tài)下的空間電場強度豎直分量增幅明顯，以干燥狀態(tài)為基準，得到濕潤、放電2種狀態(tài)下的空間電場強度豎直分量最大變化率分別為52%和31%；因此，濕潤狀態(tài)下的空間電場強度豎直分量最大變化率明顯大于放電狀態(tài)下的變化率，且3種不同狀態(tài)下的空間電場強度豎直分量差異均可達到20%以上。排除因誤差帶來的影響，該差異十分明顯，表明該處空間電場強度豎直分量可作為在線監(jiān)測高壓套管運行狀態(tài)的特征值。上述結(jié)論同時表明，通過空間電場強度在線監(jiān)測來實時獲取變壓器套管的運行狀態(tài)在一定程度上是可行的。

3 結(jié)論

本文分別對干燥、濕潤、局部起弧狀態(tài)下的高壓套管周圍空間電場的幅值大小及變化規(guī)律進行了仿真分析，并得到如下結(jié)論：

a)不同表面狀態(tài)下，變壓器高壓套管的空間電場變化明顯。與干燥情況相比，濕潤、放電狀態(tài)下變壓器套管空間電場均有一定的增加趨勢。

b)3個典型觀測路徑下，觀測路徑1、3的空間電場特征值可以有效分辨干燥和濕潤狀態(tài)下的變化，但不能區(qū)分干燥和放電狀態(tài)下的變化，因而無法作為變壓器套管狀態(tài)監(jiān)測依據(jù)。

c)觀測路徑2上的空間電場豎直分量可以有效反映變壓器高壓套管的干燥、濕潤、放電不同狀態(tài)，其在3種不同狀態(tài)下的差異可達到20%以上，故觀測路徑2上的空間電場豎直分量可作為監(jiān)測高壓套管表面運行狀態(tài)的特征參量。