220 kV電力變壓器引線絕緣分析及優(yōu)化

殷連開，劉文秋，趙偉娟，李 昂

（廣州西門子變壓器有限公司，廣州 510530）

0 引言

變壓器的引線部分，一般包括各線圈之間的連接、線圈引出線與套管之間的連接以及調(diào)壓線圈引出線與有載或無(wú)載開關(guān)的連線。引線絕緣同樣屬于變壓器絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)其中一個(gè)重要部分。變壓器的引線都是帶電導(dǎo)體，為保證變壓器的安全運(yùn)行，進(jìn)行引線設(shè)計(jì)必須考慮引線對(duì)接地的金屬構(gòu)件，對(duì)油箱、對(duì)同相繞組、對(duì)異相繞組以及不同相的引線之間。引線的電位越高，引線對(duì)各部分的電場(chǎng)狀況越差，在設(shè)計(jì)過程中需要特別注意。引線到金屬件或者其他帶電體的距離與導(dǎo)體形狀、導(dǎo)體上包扎的絕緣厚度等相關(guān)。由于電力建設(shè)的發(fā)展的需要，目前大容量、超高電壓的變壓器越來越受客戶的青睞，行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)也達(dá)到了白熾化的程度。隨著電壓、容量的提高，引線的電氣性能與溫升性能必須兼顧，在滿足電氣安全裕度的情況下，經(jīng)過對(duì)引線絕緣結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，從而降低變壓器生產(chǎn)制造成本。

目前國(guó)內(nèi)外部分論文對(duì)引線進(jìn)行過電場(chǎng)的分析與研究[1]，通過分析220 kV 高壓引線對(duì)升高座的電場(chǎng)，主要優(yōu)化了升高座的結(jié)構(gòu)[2]。介紹了220 kV 電力變壓器引線結(jié)構(gòu)改進(jìn)，通過更改引線出頭的方式，以確保產(chǎn)品更加緊湊[3]。通過電場(chǎng)仿真，分析變壓器主絕緣主絕緣，提出一些標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)原則，不過對(duì)引線電場(chǎng)介紹甚少[4]。只是針對(duì)500 kV 變壓器高壓出線裝置電場(chǎng)分析及校核[5]。是關(guān)于不同導(dǎo)線溫升計(jì)算推導(dǎo)與計(jì)算，但并沒有考慮不同絕緣類型的溫升以及比較相同條件下的電場(chǎng)。各文獻(xiàn)有很多關(guān)于電場(chǎng)或溫升計(jì)算[6-15]，本文基于以上研究的基礎(chǔ)，綜合比較基于相同背景下的引線分別采用包扎厚絕緣及分隔油隙這兩種結(jié)構(gòu)電場(chǎng)及溫升。本文以一臺(tái)SSZ-300 000/220 電力變壓器，高壓引線采用中部出線的結(jié)構(gòu)為例，通過電場(chǎng)計(jì)算和溫升計(jì)算的分析比較，提供一種既可以滿足電氣性能要求，又能滿足溫升要求的絕緣結(jié)構(gòu)供相關(guān)人員參考，另外該結(jié)構(gòu)具有降低變壓器制造成本、提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力等優(yōu)點(diǎn)。

1 引線的電場(chǎng)分類及相關(guān)公式

1.1 引線間和引線到其他部分的絕緣距離

（1）引線到引線。不同電壓等級(jí)的引線（包括引線對(duì)分接引線）之間的絕緣距離，是按照引線的工頻或雷電沖擊全波（折合成工頻）試驗(yàn)電壓較高的來確定絕緣距離的。分接引線之間的絕緣距離是由調(diào)壓段各分接間的雷電沖擊全波梯度決定的。

（2）引線到尖角（鐵軛夾件等）油中的距離可以按照工頻或雷電沖擊全波（折合成工頻）試驗(yàn)電壓選取。

（3）引線到繞組引線到繞組的絕緣距離按它們的工頻（包括感應(yīng)試驗(yàn)）或雷電沖擊全波（折合成工頻）試驗(yàn)電壓較高的來確定。

（4）引線對(duì)平面（比如油箱箱壁） 以一般的絕緣紙為引線絕緣，在干燥的情況下，變壓器的耐電強(qiáng)度為40～50 kV/2.5 mm 時(shí)，可近似地用同軸圓柱電場(chǎng)的計(jì)算公式來計(jì)算引線表面的電場(chǎng)強(qiáng)度，以確定其絕緣厚度[7]。如圖1 所示，對(duì)于這種結(jié)構(gòu)，按照高斯定律，使用如下公式進(jìn)行推導(dǎo)，可以計(jì)算任何區(qū)域的電場(chǎng)強(qiáng)度。

圖1 n層圓柱導(dǎo)體絕緣結(jié)構(gòu)

式（1）～（5）中：r為圓柱導(dǎo)體電極半徑；l為單位長(zhǎng)度；D為電通密度；S為閉合曲面；Ei是在電介質(zhì)i中r處的電場(chǎng)強(qiáng)度；Di為電介質(zhì)i中的電通密度值；U為電壓值；τ為線電荷的密度值；εi為電介質(zhì)i的介電常數(shù)；ε0為真空的介電常數(shù)；εr,i為電介質(zhì)i的相對(duì)介電常數(shù)。

變壓器絕緣材料的相對(duì)介電常數(shù)如表1[4]所示。

表1 相對(duì)介電常數(shù)

1.2 220 kV變壓器高壓首端包扎厚絕緣引線結(jié)構(gòu)

對(duì)于220 kV 高壓中部出線或者端部出線的產(chǎn)品，高壓線圈首端引出線不可能直接連接到套管，必須通過連接件進(jìn)行過渡，銅絞線由于其機(jī)械性不好，一般不建議使用，優(yōu)先使用銅棒。根據(jù)相關(guān)的書籍或者資料介紹，對(duì)于高電壓的引線，采用加包一定厚度的絕緣層的辦法，來降低絕緣層外表面油中的電場(chǎng)強(qiáng)度；或者適當(dāng)加大電極的曲率半徑使引線絕緣表面的電場(chǎng)均勻[8]。按照GB1094.3-2017《電力變壓器第3部分：絕緣水平、絕緣試驗(yàn)和外絕緣空氣間隙》可知，220 kV 首端耐受的電壓AC/LI/LIC/SI一般為395/950/1050/750，其中全波/截波/操作波折合成工頻試驗(yàn)電壓均小于395 kV。由于高壓引線需從高壓線圈引出，然后再連接到高壓套管，該引線不可避免會(huì)經(jīng)過夾件、油箱及箱蓋等接地金屬件。本文選取工頻試驗(yàn)電壓395 kV，銅棒的規(guī)格選取φ30，單邊包扎15 mm絕緣，分析該引線對(duì)箱壁的電場(chǎng)。

包扎厚絕緣引線結(jié)構(gòu)電場(chǎng)分析如下。首先根據(jù)以上的要求，結(jié)合CAD 等畫圖軟件，快速建立模型進(jìn)行分析。如圖2 所示，模型中包括左側(cè)的φ30 銅棒單邊覆蓋15 mm 絕緣以及右側(cè)的油箱箱壁，銅棒到箱壁的距離為200 mm。為便于分析，忽略其他接地金屬件對(duì)高壓引線的影響。首先為模型中各零件定義材料，其中高壓引線、油箱箱壁為金屬件，高壓引線包扎的絕緣為絕緣紙，其余定義為變壓器油（克拉瑪依25#）。絕緣材料電介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)按照表1 進(jìn)行賦值。根據(jù)220 kV 等級(jí)相關(guān)的試驗(yàn)電壓，為模型的各邊界來定義電壓值，高壓引線賦電壓值395 kV，油箱箱壁一般情況下是接地的，賦值為0。

圖2 包扎厚絕緣引線結(jié)構(gòu)電場(chǎng)強(qiáng)度

圖3 包扎厚絕緣引線結(jié)構(gòu)的安全裕度

選擇專門的電場(chǎng)計(jì)算軟件進(jìn)行電場(chǎng)強(qiáng)度的E的仿真與校核，電場(chǎng)分析結(jié)果如圖2～3所示。由圖可見，原引線包扎厚絕緣結(jié)構(gòu)最大電場(chǎng)強(qiáng)度值約5.76 kV/mm，出線在導(dǎo)線表面處，最小安全裕度為1.16。

1.3 更改后的分隔油隙引線絕緣結(jié)構(gòu)

對(duì)以上包扎厚絕緣的引線絕緣結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，改成分隔油隙的絕緣結(jié)構(gòu)。如圖4 所示，改進(jìn)后引線絕緣結(jié)構(gòu)相比原來的有比較大的變化：模型中包括左側(cè)的Φ30銅棒單邊覆蓋5 mm 絕緣，然后根據(jù)小油隙原理分隔出8 mm 的油隙，再覆蓋3 mm 紙板，右側(cè)為油箱箱壁，銅棒到箱壁的距離保持200 mm。

圖4 分隔油隙引線結(jié)構(gòu)電場(chǎng)強(qiáng)度分布

圖5 分隔油隙引線結(jié)構(gòu)的安全裕度

1.3.1 分隔油隙的引線電場(chǎng)分析

首先為模型中各零件定義材料，其中高壓銅棒、油箱箱壁為導(dǎo)體，高壓銅棒表面包扎絕緣為絕緣紙，分隔油隙的瓦楞紙板不賦值，最外層使用紙板覆蓋，其余定義為變壓器油（克拉瑪依25#），絕緣材料電介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)按照表1 進(jìn)行賦值；根據(jù)220 kV 等級(jí)相關(guān)的試驗(yàn)電壓，為模型的各邊界來定義電壓值，高壓引線賦電壓值395 kV，油箱箱壁一般情況下是接地的，賦值為0。

選擇專門的電場(chǎng)計(jì)算軟件進(jìn)行電場(chǎng)強(qiáng)度的E的仿真與校核，電場(chǎng)分析結(jié)果如圖4～5所示。改進(jìn)后結(jié)構(gòu)最大電場(chǎng)強(qiáng)度值約5.78 kV/mm，同樣出現(xiàn)在導(dǎo)線表面處，最小安全裕度為1.14。

1.3.2 電場(chǎng)強(qiáng)度分析

對(duì)比包扎厚絕緣與分隔小油隙這兩種不同引線絕緣結(jié)構(gòu)的電場(chǎng)，得到以下結(jié)論：（1）根據(jù)這兩種結(jié)構(gòu)中電場(chǎng)強(qiáng)度分析，最大場(chǎng)強(qiáng)值相差不大，最大場(chǎng)強(qiáng)值均出現(xiàn)在銅棒表面。（2）這兩種結(jié)構(gòu)最小安全裕度值差別不大?；谝陨蟽牲c(diǎn)，改進(jìn)后的引線絕緣結(jié)構(gòu)也是可靠的。

2 導(dǎo)線溫升計(jì)算及經(jīng)濟(jì)性分析

2.1 引線溫升計(jì)算理論

電力變壓器的溫升限值是基于變壓器運(yùn)行的壽命（一般是絕緣材料的壽命）為考核。油浸式電力變壓器通常是使用A 級(jí)的絕緣材料，其允許最高的溫度是105℃，目前關(guān)于油浸式變壓器熱點(diǎn)壽命計(jì)算溫度按照98 ℃衡量[13]。當(dāng)溫度超過熱點(diǎn)溫度后，每增加6℃，絕緣的老化率呈指數(shù)式的變化，嚴(yán)重影響變壓器的壽命，因此對(duì)于引線的溫升計(jì)算同樣需要考慮。如果沒有特別要求，對(duì)于A 級(jí)絕緣的變壓器，溫升限值需遵循IEC 或IEEE 標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于持續(xù)運(yùn)行條件下，允許的引線溫升=允許的最大導(dǎo)體溫度-計(jì)算的最大油溫-年平均溫度。變壓器內(nèi)部熱量的散出是靠熱傳導(dǎo)、輻射和對(duì)流來實(shí)現(xiàn)的。

引線中的熱量主要由載流導(dǎo)體直流電阻、集膚效應(yīng)以及線圈漏磁場(chǎng)引起的附加損耗等。流通電流的導(dǎo)體中所產(chǎn)生的熱量首先經(jīng)過絕緣的熱傳導(dǎo)方式傳至絕緣外表面，然后通過對(duì)流方式進(jìn)行散熱傳送至變壓器油。引線相對(duì)與變壓器油的溫升大部分集中在絕緣層內(nèi)溫升ΔTi與絕緣表面的冷卻介質(zhì)之間的溫升ΔTs[5]。

由傳熱學(xué)第一、第二定律可得：

式中：d為導(dǎo)線包扎的絕緣厚度，m；S為導(dǎo)線散熱面積，m2；Q為導(dǎo)線的損耗，W；λ為絕緣材料導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；α為表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(m2·K)。

2.2 引線損耗計(jì)算方法

引線載流導(dǎo)體中線圈漏磁場(chǎng)渦流效應(yīng)引起的損耗的計(jì)算是非常復(fù)雜，并且該損耗很小，在電力變壓器的計(jì)算中可以忽略。所以實(shí)際引線的損耗只考慮集膚效應(yīng)所產(chǎn)生損耗Pk及電阻產(chǎn)生的損耗Pr，則導(dǎo)線的總損耗P可按照以下等式計(jì)算：

式中：k為集膚效應(yīng)損耗系數(shù)，k=Pk/Pr。

銅棒中流過交流電流時(shí)，導(dǎo)體截面上的電流密度分布不均勻是因?yàn)榧w效應(yīng)的存在，則單位長(zhǎng)度銅棒的損耗P等效[5]：

式中：k為銅棒集膚效應(yīng)損耗系數(shù)，%；D為銅棒的直徑，m；J為平均電流密度，A/m2；ρ為電阻率，Ω m。

對(duì)于流通電流的導(dǎo)體如銅棒、銅排等，數(shù)值可由專業(yè)計(jì)算軟件進(jìn)行掃描計(jì)算而得[5]（其集膚效應(yīng)損耗系數(shù)k是一關(guān)于導(dǎo)體尺寸的函數(shù)）。

2.3 銅棒溫升計(jì)算

銅棒引線包扎絕緣的結(jié)構(gòu)如圖6 所示，按照式（6）～（7）可以得到圓銅棒的溫升計(jì)算公式：

圖6 銅棒包扎絕緣結(jié)構(gòu)

式中：Q為單位長(zhǎng)度引線的損耗，W。

圖7 銅棒有限元分析磁場(chǎng)分布

2.4 銅棒溫升計(jì)算結(jié)果分析

本文的SSZ-300000/220 電力變壓器流過銅棒的額定電流為787 A，按照1.1 倍過電流為866 A 計(jì)算，導(dǎo)熱系數(shù)λ=0.16 W/（m·K），表面換熱能力α=100 W/（m2·K）。采用專門有限元溫升計(jì)算軟件分析，計(jì)算結(jié)果對(duì)比如表2所示。

表2 銅棒溫升計(jì)算結(jié)果對(duì)比

因?yàn)榉指粲拖督Y(jié)構(gòu)的是先包扎5 mm 絕緣，油隙為8 mm，因此外層3 mm 的覆蓋的紙板在計(jì)算溫升的時(shí)候不考慮。根據(jù)以上計(jì)算的結(jié)果可知，這兩種結(jié)構(gòu)引線的溫升相差10.8 K，分隔油隙的引線絕緣結(jié)構(gòu)的溫升計(jì)算中比厚絕緣的引線結(jié)構(gòu)低了很多。另外在導(dǎo)體的絕緣包扎方面考慮，由于需要包扎的絕緣厚度比原來的減少了1/2左右，分隔油隙結(jié)構(gòu)的絕緣包扎時(shí)間也比厚絕緣結(jié)構(gòu)的節(jié)省一半工時(shí)，極大提高了產(chǎn)品的生產(chǎn)效率。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文以SSZ-300 000/220電力變壓器，高壓引線采用中部出線的結(jié)構(gòu)為例，通過電場(chǎng)計(jì)算、溫升計(jì)算，分析對(duì)比銅棒包扎厚絕緣和銅棒采用分隔小油隙這兩種不同的引線絕緣結(jié)構(gòu)，得出以下結(jié)論：（1）在相同條件下，這兩種結(jié)構(gòu)在電場(chǎng)強(qiáng)度、最小安全裕度方面差別不大；（2）同樣的條件下，導(dǎo)線的溫升結(jié)果區(qū)別比較大，對(duì)于在變壓器內(nèi)部要求引線溫升比較低的情況下，改進(jìn)后的絕緣結(jié)構(gòu)具用明顯優(yōu)勢(shì)；（3）在導(dǎo)體絕緣覆蓋方面，改進(jìn)后的絕緣結(jié)構(gòu)能夠節(jié)省包扎時(shí)間。