換流變壓器套管的電氣絕緣結(jié)構(gòu)研究與設(shè)計(jì)優(yōu)化

張洪濤

（大慶石化公司熱電廠，黑龍江大慶 163000）

0 引言

換流變壓器浮筒是連接閥內(nèi)外直流輸電工程裝置的主要絕緣結(jié)構(gòu)，其隔離結(jié)構(gòu)分為油浸紙凝汽器結(jié)構(gòu)，廣泛應(yīng)用于變壓器層，具有低輸出、高密度、高安全性等明顯優(yōu)點(diǎn)。但換流變壓器層存在技術(shù)難點(diǎn)，如特殊的工作條件，主要隔離體和不同絕緣配位結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的復(fù)雜物理和化學(xué)性能。

系統(tǒng)地研究變壓器的電氣絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化，包括純環(huán)氧樹脂和環(huán)氧浸漬紙復(fù)合材料對(duì)電容器鐵芯電性能和熱性能的實(shí)驗(yàn)研究，提出一種改進(jìn)的等效補(bǔ)充保證方法，對(duì)實(shí)際運(yùn)行中換流變壓器套管電壓和流量波形進(jìn)行分析，研究?jī)蓪哟怪睜恳Y(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)電流加熱和絕緣材料加熱的理論計(jì)算方法。研究不同電壓類型下全電壓模型電位和電場(chǎng)的分配。推薦一種非線性有限元迭代計(jì)算方法，該方法考慮了復(fù)合溶液在直流穩(wěn)態(tài)和極性反轉(zhuǎn)躍遷下的溫度場(chǎng)變化。選擇并優(yōu)化輸出襯管的結(jié)構(gòu)類型，為進(jìn)一步設(shè)計(jì)和研究，研制干式變流器的原型變壓器噴霧型式，并進(jìn)行了型式試驗(yàn)。

1 復(fù)合凝汽器芯材料電、熱性能的實(shí)驗(yàn)研究

首先，將波形紙置于金屬涂層中，在真空中干燥72 h 以除去內(nèi)部水分，然后在一定溫度和真空下無(wú)氣泡地傾倒樣品。采用合適的工藝流程進(jìn)行干燥，同時(shí)用純環(huán)氧樹脂在直徑30 mm、厚度1 mm 的條件下制備純環(huán)氧圓形試樣。

在電子顯微鏡下極化和掃描環(huán)氧浸漬紙樣品的結(jié)果如圖1所示：圖1a）顯示瓦楞紙中的纖維素在一個(gè)方向上均勻分布；圖1b）顯示鋁箔、瓦楞紙、纖維素和環(huán)氧樹脂緊密相連，應(yīng)盡量避免其界面上出現(xiàn)氣泡等絕緣缺陷。

圖1 環(huán)氧浸紙?jiān)嚇拥奈⒂^形貌

堆芯內(nèi)部的強(qiáng)度取決于材料體積的彈性，體積的彈性與溫度密切相關(guān)。因此，有必要檢查樣品體積持久性與溫度之間的非線性關(guān)系，測(cè)量3 個(gè)樣品在恒定體積下的耐久性，并計(jì)算該溫度下體積電阻的平均值。

一般來(lái)說(shuō)，板與板之間的輻射很可能會(huì)降低，相同厚度的樣品分解的可能性隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的增加而增加，樣品厚度越小、電場(chǎng)強(qiáng)度越大，可以為核復(fù)合材料在運(yùn)行過程中的分子極化過程提供數(shù)據(jù)主體支持。

2 電容器基本芯絕緣等效裕度法的改進(jìn)

凝汽器膨脹的內(nèi)部絕緣，即凝汽器芯，是電氣結(jié)構(gòu)的主要組成部分。在標(biāo)稱電壓下觀察點(diǎn)后方不得出現(xiàn)軸閃光。為了減小殼芯的結(jié)構(gòu)尺寸，采用等厚不等步長(zhǎng)的設(shè)計(jì)方法。關(guān)鍵是確定每層極板的步距，使軸場(chǎng)盡可能均勻，但調(diào)整過程相當(dāng)繁瑣。20 世紀(jì)90 年代提出了一種新的電容器芯設(shè)計(jì)方法，相當(dāng)于裕度設(shè)計(jì)方法，從理論上證明了該方法能有效提高部分真空堆芯排空的啟動(dòng)電壓，并對(duì)理論結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。目前，國(guó)內(nèi)交直流特高壓輸電的快速發(fā)展，對(duì)特高壓輸電能力的設(shè)計(jì)和發(fā)展提出了更高的要求。因此，在特高壓的壓力下，有必要研究是否需要對(duì)傳統(tǒng)的電阻電容器包芯設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行進(jìn)一步的改進(jìn)，以保證最大軸向場(chǎng)強(qiáng)盡可能接近參考值，從而導(dǎo)致電容器堆芯極板間產(chǎn)生電壓。

永久襯套的設(shè)計(jì)應(yīng)主要考慮溫度的影響。交流條件下的設(shè)計(jì)結(jié)果必須作為迭代的基線。因此板間的部分空余量是平直分布的，板間的張力被一個(gè)倒U 形分開，這表明改進(jìn)的等余量法對(duì)特高壓變流器基本絕緣的理解是正確的，核心優(yōu)化是多方面的，考慮到溫度因素。

3 雙向控制棒加熱電流、旋轉(zhuǎn)電流及絕緣環(huán)境的理論計(jì)算方法

為準(zhǔn)確獲取特高壓換流變壓器套管內(nèi)的電壓和流型，就需要精準(zhǔn)的計(jì)算，包括交流邊線及設(shè)備、換流緩沖、換流閥等永久性側(cè)線和裝置。變流器的索道緩沖器和墻壁清潔度應(yīng)安裝在頂部閥廊內(nèi)。電壓和流量波形包含大量和諧的高品質(zhì)組件，如果換流變壓器軸工作，高頻諧波電流伴隨著變壓器振蕩中的高頻諧波損耗，高頻諧波應(yīng)力導(dǎo)致漏磁鐵芯中的高頻介質(zhì)損耗，導(dǎo)致變壓器襯套局部過熱。因此，必須根據(jù)設(shè)計(jì)和評(píng)估高壓直流輸電設(shè)備的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，在實(shí)際運(yùn)行條件下，只要應(yīng)用疊加定理得到方波流，就可以根據(jù)各次諧波流量和峰值負(fù)荷的值計(jì)算出渦流的熱值，然后再計(jì)算出整圈的電流熱值。諧波頻率越高，趨膚效應(yīng)越重要。通過定量分析發(fā)現(xiàn)，隨著銅管電流板壁厚的增加，其熱值先減小后增大?？梢詢?yōu)化銅對(duì)管的結(jié)構(gòu)尺寸以降低其熱值。

介電損耗因數(shù)周期性浸漬紙復(fù)合槽芯的相對(duì)介電常數(shù)是芯工作溫度和所需頻率的函數(shù)。每層極板的長(zhǎng)度和極板之間的絕緣厚度在設(shè)計(jì)完成后是圓形的，每層電極板之間的冷凝不再滿足相同的容量條件，冷凝器芯冷凝應(yīng)根據(jù)所需電極的尺寸準(zhǔn)確計(jì)算。

換流變壓器套管可能的電場(chǎng)分布和電場(chǎng)分布的模擬結(jié)果如圖2、圖3 所示，傳感器的膨脹電容器芯調(diào)制效應(yīng)導(dǎo)致傳感器膨脹電容器芯部分的均勻分布，分布位置在電容器芯內(nèi)集中的高強(qiáng)度區(qū)域，換流器間隔末端的評(píng)估圓對(duì)復(fù)合絕緣子的高比表面積有很好的遮擋作用，保護(hù)效果良好。

圖2 換流變壓器套管的電位分布

圖3 換流變壓器套管的電場(chǎng)分布

變壓器振蕩電位分布均勻，高強(qiáng)度區(qū)域主要集中在鐵芯內(nèi)，軸的電場(chǎng)強(qiáng)度分布均勻。應(yīng)將優(yōu)化高壓下增加的平衡裕度的方法應(yīng)用于干燥情況下的內(nèi)部絕緣結(jié)構(gòu)。在整個(gè)模型的條件下，采用改進(jìn)的等余量法對(duì)包芯尺寸進(jìn)行優(yōu)化。

4 結(jié)論

（1）定量地證實(shí)了環(huán)氧浸漬紙的復(fù)磁導(dǎo)率與頻率和溫度的不恰當(dāng)關(guān)系。定量的安裝結(jié)果可用于分析高諧波條件下的變壓器桿損耗，將約束元法與遺傳算法相結(jié)合，可以充分考慮模型和溫度因素，可充分考慮環(huán)氧浸漬紙材料入射角和溫度變化的非線性。研究結(jié)果可應(yīng)用于換流變壓器振蕩與鐵心絕緣結(jié)構(gòu)的理論電熱耦合模型。

（2）在考慮高頻諧波的條件下，對(duì)特高壓變頻器變壓器裝置的徑向發(fā)熱和渦流的徑向發(fā)熱進(jìn)行了定量計(jì)算。計(jì)算生長(zhǎng)損耗的方法，利用能量指數(shù)函數(shù)定量地調(diào)整電源頻率的電強(qiáng)度與樣品厚度的比值。采用高頻和諧條件下介質(zhì)和渦輪流加熱的修正系數(shù)。

（3）對(duì)傳統(tǒng)的窯芯基本絕緣平衡裕度法進(jìn)行改進(jìn)，通過獨(dú)立編程實(shí)現(xiàn)超高壓換流變壓器電氣性能三參數(shù)的均勻分布，以確定高次諧波分量的振幅和相位，提高換流器鐵心的效率。