高壓電容式套管電容芯子極板電場分布的研究*

路彥峰， 李 宏， 張金鋒， 劉明勝， 何金鑫

(淮北師范大學物理與電子信息學院，安徽 淮北 235000)

0 引 言

高壓套管電極結(jié)構(gòu)特點決定了電容芯子極板和均壓球表面的電場強度值要遠大于其它部位，局部過高的電場容易擊穿絕緣保護層而造成套管及其連接設備的損壞[1-3]。因此，在套管研制時必需對其電場分布進行分析進而對其結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，使套管內(nèi)部的電場分布盡可能均勻。

在對套管電場進行計算時，首先需要建立盡可能符合實物的模型。但現(xiàn)有的文獻大多只考慮了對均壓球的優(yōu)化[4-8]，忽略了均壓球涂層的作用，也沒有明確給出高壓引線、變壓器升高座直徑及變壓器外殼等因素的影響。本文就這方面展開、探討其對套管電場分布的影響。另外，在應用有限元法進行計算時，截斷邊界S2定義和懸浮導體的處理則是有限元法的需要解決的兩個問題，電荷守恒法、部分電容法、最小能量法等常用的懸浮電位處理方法并不適用于具有細長形狀的套管懸浮導體極板，但是套管中介質(zhì)的介電系數(shù)較小，虛擬介電常數(shù)法[4]就成為一個很好的選擇。

1 高壓套管電場計算模型

根據(jù)套管電場結(jié)構(gòu)對稱性的特點，可以將其看成二維軸對稱問題。圖1給出了計算模型，其中均壓球內(nèi)表面是指均壓球與其涂層的交界面，均壓球的外表面是均壓球涂層與變壓器油交界面。

圖1 電容式套管、均壓球和電容芯子計算模型

則高壓套管內(nèi)部的電位分布是如下邊值問題的解

φ|Li=φ|Ci邊界加強電位

2 高壓套管電場分析

2.1 套管電場分析

以變壓器升高座直徑取500mm，高壓引線長度為650mm為例(高電位取值100V，以下同)對套管電場分布進行分析。為表述方便起見，將電容芯子極板從內(nèi)向外依次編號記為：1、2、…、n。計算結(jié)果表明：電容芯子極板和均壓球表面的電場強度要遠大于套管內(nèi)其它部位場強值。由圖2可知，按照編號從小到大的順序，電容芯子極板外表面的電場強度依次減少；場強最大值均出現(xiàn)在圖1所示位置，其它位置的場強值基本相等。圖3則說明均壓球的弧線表面處的場強明顯要高于其它位置，且內(nèi)表面的場強值要小于外表面。

圖2 前10個級板表面的電場強度

圖3 均壓球表面的電場強度

2.2 影響套管電場分布因素的分析

圖4表明高壓引線能夠影響套管的電場分布，并能在一定程度上降低均壓球表面的最大電場強度。圖5顯示，有高壓引線時均壓球內(nèi)、外表面電場強度的最大值分別比無高壓引線時降低了4.78%和7.91%。因此，在套管場強分布的數(shù)值計算中高壓引線的作用不可忽略。但是橫向高壓接引線產(chǎn)生的影響卻很小。

圖6-7分別研究了升高座直徑對極板表面和均壓球內(nèi)、外表面場強分布的影響。由結(jié)果曲線表明：極板和均壓球表面電場強度均隨著變壓器升高座直徑的增加而有較大幅度的減小。以直徑取480mm為基準，在直徑取500mm、700mm兩種情況下，極板的場強分別減少了2.05%、4.32%，均壓球內(nèi)表面場強分別減少了2.79%、20.03%；而外表面電場則減少了2.92%、20.03%。很明顯，隨著變壓器升高座直徑的增加，套管內(nèi)部場強有較大的降低，電場分布也更加趨于均勻。

圖5 高壓引線對均壓球內(nèi)外表面場強的作用

圖6 升高座直徑以極板表面場強的作用

圖7 升高座直徑對均壓球內(nèi)外表面場強的作用

圖8-10則分別研究了有無涂層及涂層的介電系數(shù)對套管電場分布的作用。結(jié)果顯示，均壓球涂層能夠明顯降低其表面上的電場分布，降低幅度達到50.6%之多。但是對極板產(chǎn)生的作用很小，僅有了0.4%的降低。涂層介電系數(shù)取值為3.5和4.5時均壓球內(nèi)外表面的電場強度最大值分別比取值為3時減少了18.5%和18.1%。此時，極板表面的場強最大值也減少了1.93%。

圖8 涂層對均壓球內(nèi)表面場強的作用

圖9 涂層介電系數(shù)對均壓球內(nèi)外表面場強的作用

圖10 涂層介電系數(shù)對極板表面場強的作用

圖11 極板位置對極板表面場強的作用

另外，就有無變壓器外殼、移動電容芯子極板的位置、減少極板的個數(shù)、增加極板的厚度等幾個方面進行了研究分析，圖11和12分別表明極板表面場強隨著極板位置下移的變化及極板位置對均壓球內(nèi)部的場強分布影響均很小。

圖12 極板位置對均壓球內(nèi)表面場強的作用

3 結(jié) 論

通過對高壓引線、變壓器升高座直徑、涂層、極板等影響套管電場分布因素的計算分析，得出如下結(jié)論：高壓引線對極板和均壓球表面的場強分布會產(chǎn)生較大影響，套管內(nèi)部電場分布的不均勻程度隨著變壓器升高座直徑的增加而得到明顯的改善，而涂層同樣是降低均壓球表面場強值的一種非常有效手段，其降低幅度可以達到50.6%之多。而變壓器外殼和極板位置、間距、厚度在一定范圍內(nèi)對套管場強分布產(chǎn)生的作用很小。