換流變壓器套管出線裝置許用場強及其絕緣結(jié)構(gòu)型式設(shè)計研究

張施令，彭宗仁，龔桂勝

（1.國網(wǎng)重慶市電力公司電力科學(xué)研究院，重慶 401123；2.西安交通大學(xué) 電力設(shè)備電氣絕緣國家重點實驗室，陜西 西安 710049；3.桂林電器科學(xué)研究院有限公司，廣西 桂林 541004）

0 引言

換流變壓器作為超/特高壓直流輸電工程中的重要設(shè)備，其運行狀況直接關(guān)系到電力輸送的可靠性。換流變壓器運行工況復(fù)雜，閥側(cè)繞組不僅要承受交/直流電壓作用，而且在電能潮流反送或極性反轉(zhuǎn)試驗中，還需承受極性反轉(zhuǎn)電壓的作用，這對換流變壓器絕緣系統(tǒng)的設(shè)計標準和制造質(zhì)量都提出了更高要求。出線裝置作為連接換流變壓器高壓繞組與套管尾部的必要設(shè)備，作為變壓器油中載流端子與高壓引出線的連接結(jié)構(gòu)，對保證變壓器的載流性能和套管尾部的絕緣性能具有重要作用，其運行狀況是決定換流變壓器整體性能的關(guān)鍵因素[1-5]。

高壓套管尾部的電場比較集中，特別是均壓球表面及附近的油中場強較高，極易引發(fā)電暈放電、閃絡(luò)甚至絕緣介質(zhì)擊穿，因此需要設(shè)計合理的變壓器出線裝置結(jié)構(gòu)。出線裝置一般由絕緣紙板形成的屏障系統(tǒng)構(gòu)成，該系統(tǒng)可將大油道分割為許多小油隙，且各油隙寬度與局部場強相匹配，這樣可有效提高油隙的絕緣強度，另外絕緣屏障可防止懸浮雜質(zhì)和氣泡等在電應(yīng)力作用下形成小橋擊穿[6-7]。實際工程中的出線裝置一般安裝在換流變壓器升高座內(nèi)部，其空間較小，結(jié)構(gòu)緊湊，且同時存在變壓器油、絕緣紙板、環(huán)氧浸紙等多種復(fù)合絕緣介質(zhì)，在交/直流穩(wěn)態(tài)、極性反轉(zhuǎn)、交直流疊加等運行和試驗電壓下，電場分布極為復(fù)雜，因此有必要在各工況下對換流變壓器出線裝置復(fù)合絕緣結(jié)構(gòu)的電場分布開展較為準確的數(shù)值模擬研究[8-9]。特高壓換流變套管尾部包含環(huán)氧浸紙芯子、變壓器油、油浸紙板等多種絕緣介質(zhì)，且換流變套管升高座內(nèi)空間狹小，因此套管尾部電場分布較為復(fù)雜和集中，需設(shè)計安裝結(jié)構(gòu)合理的出線裝置來改善套管尾部的電場分布[10]。一方面，現(xiàn)場條件下，直流穩(wěn)態(tài)和極性反轉(zhuǎn)是換流變套管出線裝置復(fù)合絕緣結(jié)構(gòu)的兩種典型運行工況；另一方面，環(huán)氧浸紙、變壓器油、油浸紙板等絕緣介質(zhì)的電性能參數(shù)具有較強的場變、溫變非線性，因此在溫度梯度存在時，其電性能參數(shù)的改變將影響復(fù)合絕緣結(jié)構(gòu)的直流穩(wěn)態(tài)和極性反轉(zhuǎn)電場。

本研究討論了典型絕緣介質(zhì)的許用電場強度，分析不同運行溫度、不同直型屏障數(shù)量、不同直型屏障位置、極性反轉(zhuǎn)電壓下出線裝置的電位和電場分布特征規(guī)律，建立出線裝置三維有限元仿真模型對其整機進行電場校核計算與分析，結(jié)合許用場強得出關(guān)鍵路徑的絕緣裕度，以期為換流變壓器出線設(shè)計提供參考。

1 出線裝置關(guān)鍵部件分析及許用場強討論

1.1 出線裝置關(guān)鍵部件分析

換流變壓器閥側(cè)套管出線裝置各關(guān)鍵位置處的控制場強與以下兩方面因素有關(guān)：具體位置和運行工況，其中具體位置包括：①均壓球+外包覆；②油浸紙筒屏障內(nèi)部；③紙筒屏障間油隙內(nèi)部；④油浸紙筒屏障端部；⑤套管尾部；⑥電容芯子內(nèi)部徑向；⑦電容芯子內(nèi)部軸向。①～⑤關(guān)鍵部位的位置如圖1所示，⑥和⑦是套管電容芯子內(nèi)部關(guān)鍵位置[11]。

圖1 出線裝置關(guān)鍵位置示意Fig.1 Schematic diagram of key positions of outlet device

運行工況是指對出線裝置施加的電壓型式，主要包括：①交流耐受；②直流耐受；③交直流疊加；④電熱耦合；⑤極性反轉(zhuǎn)；⑥操作耐受和雷電耐受電壓。一般認為對于場強均勻分布的油隙，局部放電起始場強Epd是油隙厚度d的函數(shù)[12-13]，如式（1）所示。

式（1）中：Epd為均勻場強條件下1 mm厚度油隙的局放起始場強；d為油隙的厚度，單位為mm；a為指數(shù)系數(shù)。從式（1）可以看出，d越小，Epd(d)反而增大。要計算油隙間的場強Epd(d)，需要確定式（1）中的Epd(1 mm)和指數(shù)a，這樣就可直接根據(jù)式（1）確定油隙在不同厚度下的局部放電起始場強Epd(d)。對于脫氣變壓器油，Epd(1 mm)=21 kV/mm，a=0.37；對于飽和氣變壓器油，Epd(1 mm)=17.8 kV/mm，a=0.364[13]；根據(jù)文獻[3]的數(shù)據(jù)反推可得Epd(1 mm)=15.686 kV/mm，a=0.302 2。假設(shè)出線裝置油隙的厚度在0.1～100 mm變化，將上述數(shù)值代入式（1）進行計算，結(jié)果如圖2所示。

圖2 油隙厚度與局部放電起始場強的關(guān)系對比Fig.2 Relationship between the thickness of oil gap and the partial discharge initial field strength

從圖2可以看到，經(jīng)過脫氣的變壓器油比未脫氣的變壓器油具有較高的局部放電起始場強（相同油隙厚度下），主要原因是未脫氣的變壓器油容易形成氣泡。同時還可以看到局部放電起始場強隨油隙厚度增加反而降低，這主要是由于厚度越大，出現(xiàn)絕緣缺陷的可能性就越大。根據(jù)設(shè)計曲線得到典型油隙厚度下的局部放電起始電場強度，如表1所示。

表1 油隙厚度與局部放電起始場強關(guān)系Tab.1 Relationship between the thickness of oil gap and partial discharge initial field strength

對于油隙局部放電起始場強的判定：首先在各工況下，計算出線結(jié)構(gòu)油隙各處的最大場強，再根據(jù)式（1）計算局部放電起始場強，然后對兩者進行比較，計算值需低于許用場強。從表1的計算結(jié)果可以看出，油道厚度越大，局部放電起始場強反而越低，因此對油隙中局部放電起始場強的電場校核需主要關(guān)注厚油隙處的設(shè)計裕度。

1.2 出線裝置許用場強計算

（1）出線裝置紙板內(nèi)電場強度許用值

從機械強度和電氣性能綜合考慮，絕緣紙板的厚度一般取2 mm[14]，一般說來絕緣紙板的電氣強度大概為變壓器油的3～4倍[15]。因此紙板內(nèi)場強許用值可以根據(jù)紙板的厚度d計算，將d代入式（1）計算出局部放電起始場強Epd，然后再在Epd的基礎(chǔ)上乘以3～4倍系數(shù)即可。

（2）出線裝置紙板、油界面切向電場強度許用值

對于紙板、油界面切向電場強度的控制主要是防止沿紙板、油界面發(fā)生閃絡(luò)。對于這個場強的許用值，一般是通過式（1）計算得到油隙的局部放電起始場強Epd(d)，然后將Epd(d)乘以70%，以此作為紙板、油界面切向電場強度的許用值。紙板/油界面和單純油的電氣強度相當，主要是由于油能夠進入紙板纖維素中，因此油與紙板界面過渡很好，不同于瓷套、環(huán)氧與油之間形成的界面，但為了防止界面由于粗糙可能積累油中的污穢，本研究按照上述方法給出界面切向場強許用值[16-17]。

（3）均壓球表面電場強度許用值

一般來說，分兩種情況討論：①均壓球加包覆，此時的場強許用值按紙板內(nèi)的場強許用值即可；②均壓球表面不加包覆，此時場強許用值按照變壓器油的場強許用值即可。對于以上兩種情況，式（1）中的Epd(1 mm)=13.5 kV/mm，a=0.375，兩種情況的計算結(jié)果對比如圖3所示。

圖3 均壓球附近油隙厚度與局部放電起始場強的具體數(shù)值關(guān)系Fig.3 Relationship between the thickness of oil gap near the corona ring and the partial discharge initial field strength

從圖3可以看出，油與金屬直接接觸后，局部放電起始場強反而降低，主要是由于表面包覆可在一定程度上避免均壓球尖端毛刺絕緣缺陷出現(xiàn)，改善了其表面狀態(tài)分布。

（4）其他電壓型式作用下各關(guān)鍵位置處場強許用值的轉(zhuǎn)換關(guān)系

前述場強許用值都是在交流電壓下得出的(1 min，50 Hz，有效值)，在雷電沖擊電壓、操作沖擊電壓、1 h交流沖擊等電壓型式下，需要根據(jù)前述場強許用值進行修正，如式（2）所示。

式（2）中，DIL-factor為修正系數(shù)，對于雷電沖擊，其值為2.3；對于操作沖擊，其值為1.8；對于1 h交流沖擊，其值為0.8?，F(xiàn)以油隙厚度為11 mm，紙板厚度為2 mm進行說明，如式（3）～（4）所示。

式（4）中，修正系數(shù)取3.5，以上計算結(jié)果表明紙板內(nèi)出現(xiàn)局部放電的可能性較小。

在雷電和操作沖擊下，根據(jù)前述修正系數(shù)進行修正即可得到許用場強。極性反轉(zhuǎn)條件下，出線裝置局部區(qū)域會出現(xiàn)場強的漸變，甚至?xí)霈F(xiàn)場強峰值，此時需要對出線裝置進行極性反轉(zhuǎn)的計算，將最嚴重的場強分布和前述許用場強進行比較。另一方面，考慮到后續(xù)將計算出線裝置油紙絕緣系統(tǒng)直流穩(wěn)態(tài)條件、極性反轉(zhuǎn)條件下的電場分布情況，將油紙絕緣體系(OIP)電導(dǎo)率與電場、溫度的非線性關(guān)系示于圖4中。

直流穩(wěn)態(tài)、極性反轉(zhuǎn)條件下，出線裝置電場分布決定于材料的電導(dǎo)率和介電常數(shù)，由圖4可知，絕緣材料的電導(dǎo)率與溫度、電場存在非線性關(guān)系，因此在直流穩(wěn)態(tài)電場的計算中，需考慮絕緣材料的溫度、電場非線性和各向異性。

圖4 電導(dǎo)率非線性特征Fig.4 Nonlinear characteristics of conductivity

2 出線裝置的三維有限元仿真模型及變量分析

2.1 出線裝置的三維有限元仿真模型建立

目前±400 kV換流變出線裝置典型結(jié)構(gòu)型式包括敞開式、封閉式等[18]，限于篇幅現(xiàn)采用“直型屏障”+“均壓球包覆”結(jié)構(gòu)型式進行說明，圖5為出線裝置典型結(jié)構(gòu)實物圖，可見若干直型屏障呈階梯狀排布，且均壓球表面均包覆絕緣紙板。依據(jù)典型結(jié)構(gòu)型式實物建立三維有限元仿真模型，如圖6所示。從圖6可以看出，依據(jù)不同均壓球外輪廓形狀可配置對應(yīng)外絕緣包覆，且直型屏障可保持一致。加載過程中在出線裝置中心導(dǎo)體上加載高電位，在出線套筒上施加零電位，其電位和電場分布如圖7所示。

圖5 出線裝置典型結(jié)構(gòu)型式實物Fig.5 Typical structure of outlet device

圖6 出線裝置典型結(jié)構(gòu)三維有限元模型Fig.6 3D FEM model of outlet device

圖7 出線裝置電位電場分布Fig.7 Potential and electric field distribution of outlet device

從圖7可以看出，等位線從套管尾部均勻發(fā)散至直型屏障內(nèi)部，表明套管尾部有較強的電位調(diào)制作用[19]。同時出線裝置在直流條件下的高場強區(qū)域主要集中于直型屏障內(nèi)部，表明直型屏障具備較好的電阻分壓效果。在此基礎(chǔ)上，繼續(xù)針對以下3種變量下出線裝置的電位電場分布進行討論：①不同運行溫度；②不同直型屏障數(shù)量；③不同直型屏障位置。通過以上影響因素討論挖掘出線裝置電場分布與絕緣結(jié)構(gòu)的關(guān)系。

2.2 運行環(huán)境及結(jié)構(gòu)參數(shù)對電場分布的影響分析

（1）不同運行溫度

25、50、90℃下出線裝置的電位分布如圖8所示，分別對應(yīng)室溫、輕載、重載3種條件。從圖8可以看出，溫度在一定程度上影響等位線分布，特別是均壓球附近的等位線分布，在溫度變化過程中重點關(guān)注均壓球包覆、直型屏障兩處電場強度與溫度的關(guān)系，如圖9所示。

圖8 不同溫度下等位線分布Fig.8 Potential distribution under different temperatures

圖9 不同溫度下關(guān)鍵位置場強值Fig.9 Field strength of key positions under different temperatures

從圖9可以看出，隨著溫度的升高，均壓球包覆的電場強度先逐漸降低后略微升高，直型屏障中的電場強度逐漸下降，表明在溫度升高過程中絕緣紙板分擔(dān)的電壓逐漸減小，因此重載和高溫條件下較易發(fā)生紙板閃絡(luò)等絕緣事故。

（2）不同直型屏障數(shù)量

出線裝置直型屏障將套管尾部較大的變壓器油隙空間分割為較多小油隙，由前述理論可知將大油隙分割為小油隙可有效提高其擊穿場強[20]。不同直型屏障數(shù)量出線裝置附件等位線分布如圖10所示。從圖10可以看出，隨屏障數(shù)量的增多，出線裝置附近發(fā)散至外部區(qū)域的等位線減少，表明屏障數(shù)量對套管尾部電位分布的影響較為顯著。特高壓出線裝置的設(shè)計依據(jù)：①各關(guān)鍵部位場強需滿足控制要求；②直型屏障下端部滿足爬電距離要求。將均壓球包覆直型屏障兩處電場強度與屏障數(shù)量變化關(guān)系示于圖11中。

圖10 不同屏障數(shù)量下等位線分布Fig.10 Distribution of equi-potential lines under different number of barriers

圖11 不同屏障數(shù)量下關(guān)鍵位置場強值Fig.11 Field strength of key position under different number of barriers

從圖11可以看出，隨著直型屏障數(shù)量的增加，均壓球包覆內(nèi)的最大電場強度下降顯著，而直型屏障內(nèi)的電場強度略微上升，均在控制場強范圍之內(nèi)，說明直型屏障對高壓均壓具有分配電壓的作用。

（3）直型屏障位置

直型屏障在出線裝置中的位置同樣為變化因素之一，在其設(shè)計中需確定屏障位置，以便于安裝過程中能夠有效定位，位置移動示意如圖12所示。

圖12 出線裝置位置坐標變化Fig.12 Coordinate change of outlet device position

在出線裝置位置變化過程中，重點關(guān)注直型屏障及均壓球包覆最大電場強度隨坐標變化的情況，如圖13所示。從圖13可以看出，直型屏障上下移動過程中，均壓球包覆上弧面、下弧面和下端部的電場強度均逐漸減??；直型屏障左右移動過程中，3處電場強度均逐漸增大，在出線裝置設(shè)計中可依據(jù)場強設(shè)計值反推出其坐標位置，以便進行定位安裝。

圖13 出線裝置位置與電場強度關(guān)系Fig.13 Relationship between the position of outlet device and electric field strength

3 出線裝置整機校核計算與分析

出線裝置整機校核計算與分析主要包括小油隙絕緣裕度分析和極性反轉(zhuǎn)電壓作用下的電位電場分布特征。其中小油隙局放裕度為油隙局放起始電場與油隙實際電場之間的比值，以圖6中1#結(jié)構(gòu)與2#結(jié)構(gòu)型式均壓球包覆間油隙絕緣裕度為例進行說明，將其示于圖14中。

圖14 油隙絕緣裕度Fig.14 Oil gap insulation margin

從圖14可以看到，1#結(jié)構(gòu)與2#結(jié)構(gòu)各個油隙均存在較高的絕緣裕度，其中1#結(jié)構(gòu)4個油隙的絕緣裕度分別為2.72、2.81、3.07、5.57，2#結(jié)構(gòu)4個油隙的絕緣裕度分別為2.76、2.42、2.85、6.16，表明兩種絕緣結(jié)構(gòu)裕度較高且較為均勻，同時可見具有較高電場強度的油隙位于靠近均壓球側(cè)，且分布在均壓球倒角處。以上場強分布計算結(jié)果表明，為保證各個油隙的絕緣裕度分布均勻，在靠近均壓球側(cè)的油隙厚度應(yīng)較小，保證其具有較高的局部放電起始電場強度。進一步考核出線裝置直型屏障結(jié)構(gòu)在極性反轉(zhuǎn)電壓作用下的電位和電場瞬態(tài)變化，如圖15所示。

圖15 出線裝置極性反轉(zhuǎn)瞬態(tài)等位線Fig.15 Polarity reversal transient equi-potential line of outlet device

從圖15可以看出，出線裝置在極性反轉(zhuǎn)過程中，在5 400、10 800、13 500、18 900 s 4個時間點內(nèi)瞬態(tài)等位線差異較大，在5 400 s附近接近于交流條件下的等位線分布，而后逐漸過渡到直流條件下的等位線分布。

4 結(jié)論

通過分析換流變壓器尾部出線裝置在各種不同運行工況下的許用場強，建立了典型出線結(jié)構(gòu)有限元仿真計算模型，在極性反轉(zhuǎn)等各種電壓型式下討論了出線裝置瞬態(tài)電位、電場分布特征，得到如下結(jié)論：

（1）脫氣變壓器油的局部放電起始場強Epd(1 mm)=21 kV/mm，a=0.37；飽和氣變壓器油的局部放電起始場強Epd(1 mm)=17.8 kV/mm，a=0.364。對于雷電沖擊，DIL-factor修正系數(shù)為2.3，對于操作沖擊，DIL-factor修正系數(shù)為1.8，對于1 h交流耐受，DIL-factor修正系數(shù)為0.8。

（2）運行溫度、直型屏障數(shù)量、直型屏障位置對出線裝置電場分布的影響顯著。隨著溫度的升高，均壓球包覆中的電場強度先逐漸降低后略微升高，直型屏障中的電場強度逐漸下降，重載高溫條件下較易發(fā)生紙板閃絡(luò)等絕緣事故。

（3）出線裝置各個油隙均存在較高的絕緣裕度，1#結(jié)構(gòu)4個油隙的絕緣裕度分別為2.72、2.81、3.07、5.57；2#結(jié)構(gòu)4個油隙的絕緣裕度分別為2.76、2.42、2.85、6.16，兩種絕緣結(jié)構(gòu)裕度較高且較為均勻，具有較高電場強度的油隙位于靠近均壓球側(cè)，且分布在均壓球倒角處。