1200KV變壓器高壓引線絕緣電場的數(shù)值分析

分類：解決方案日期：2007-02-02 00:00:00

摘要：根據(jù)1200KV變壓器高壓引線絕緣結(jié)構(gòu)的特點，分別建立了高壓引線拐彎部位電場、靠近高壓繞組的屏蔽引線電場和高壓套管均壓球電場的模型，并利用有限元方法進行了二維平面和軸對稱場的數(shù)值分析，為合理設(shè)計和確定1200KV變壓器高壓引線絕緣結(jié)構(gòu)提供了理論數(shù)據(jù)。
關(guān)鍵詞：變壓器　高壓引線　電場　數(shù)值分析
　　引言
　　隨著國內(nèi)外電力工業(yè)的發(fā)展，電站及發(fā)電設(shè)
　　備的容量也在不斷增加，為了經(jīng)濟合理地利用能源，進行遠距離輸電已不可避免，在國外，美國、意大利、俄羅斯等國家百萬伏級特高壓變壓器的研制已有近三十年的時間，并已具備生產(chǎn)能力和形成了百萬伏級特高壓輸電線路，在國內(nèi)，專家預(yù)測我國在本世紀有望出現(xiàn)百萬伏級特高壓輸電線路，因此，進行百萬伏級變壓器的開發(fā)研究十分必要。根據(jù)天威集團公司并聯(lián)電抗器試驗要求和未來技術(shù)發(fā)展情況，公司于1999年立項并開始進行百萬伏級特高壓變壓器的研制工作，其中，1200KV高壓引線絕緣結(jié)構(gòu)的確定和絕緣電場分析是研究的關(guān)鍵內(nèi)容之一，因此，對于具有復(fù)雜的幾何形狀和三維復(fù)合絕緣結(jié)構(gòu)的高壓引出線系統(tǒng)，在分析高壓引線結(jié)構(gòu)并合理簡化的基礎(chǔ)上，建立工程上可求解的模型并進行絕緣電場的數(shù)值分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化十分重要。
　　1建立模型
　　研制變壓器的高壓側(cè)施加交流工頻1390KV的電壓，高壓出線方式可以采取可卸式引出線結(jié)構(gòu)或直接式引出線結(jié)構(gòu)。本文針對前者建立模型和分析，如圖1為可卸式引出線典型結(jié)構(gòu)圖，由

　　圖1高壓可卸式引線結(jié)構(gòu)示意圖
　　圖可知，高壓引出線絕緣結(jié)構(gòu)的分析實際上是一個含有油、紙絕緣和金屬電極在內(nèi)的多介質(zhì)、復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)形狀的三維電場問題，但在滿足工程結(jié)構(gòu)設(shè)計要求的前提下，為了減少計算工作量和縮短計算周期，對高壓引出線絕緣結(jié)構(gòu)的電場分析進行合理簡化十分必要，為此，作者分別建立了如下三個可求解的模型：
　　（1）高壓引線拐彎部位的平面電場模型(下稱模型1，圖1中APBCDEFGQHA區(qū)域）；
　　第一類邊界條件：①邊界PB、BC、CD、DE、FG、GQ，電位為0.0kV；②高壓引線電極及套管均壓球，電位為1390kV；其余為二類邊界條件.
　　（2）靠近高壓繞組的屏蔽引線軸對稱電場模型(下稱模型2，圖1中APBCNMIA區(qū)域）；
　　第一類邊界條件：①邊界PB、BC、CN，電位為0.0kV；②高壓引線電極，電位為1390kV；其余為二類邊界條件.
　　（3）高壓套管均壓球的軸對稱電場模型(下稱模型3，圖1中KLGOK區(qū)域）;
　　第一類邊界條件：①邊界LG，電位為0.0kV；②高壓引線電極及套管均壓球，電位為1390kV，瓷套表面電位按線性分布考慮；其余為二類邊界條件.
　　2數(shù)值分析
　　利用有限元方法，分別計算了高壓引線拐彎
　　部位、靠近高壓繞組的屏蔽引線和高壓套管均壓球三個模型的電場分布。根據(jù)模型1可以確定高壓引出線結(jié)構(gòu)的電場整體分布近似解和電場較集中的發(fā)生部位；利用模型1的數(shù)值分析結(jié)果和模型2、模型3，可以給出局部電場集中部位較詳細的數(shù)值分析結(jié)果。
　　2.1高壓引線拐彎部位平面電場模型的數(shù)值分析
　　如圖2是高壓引線拐彎部位電場（含靠近高壓繞組的屏蔽引線部位）的等位線分布圖，計算

　　圖2高壓引線拐彎部位電場(含屏蔽引線)的等位線分布
　　結(jié)果表明，在靠近高壓繞組的屏蔽引線部位和高壓套管均壓球部位的電場分布較集中，其局部最大電場強度發(fā)生位置分別在靠近高壓引線的屏蔽上下拐角部位和套管均壓球圓角部位，其最大電場強度值分別為8.42kV/mm和3.62kV/mm。
　　2.2靠近高壓繞組的屏蔽引線軸對稱電場模型的數(shù)值分析
　　從圖1可知，靠近高壓繞組的屏蔽引線絕緣結(jié)構(gòu)具有軸對稱性，因此，模型2較模型1更能準確地反映實際的電場分布，為進一步確認兩種模型電場強度計算結(jié)果的數(shù)量關(guān)系，在相同的計算條件下，表1給出了模型1和模型2在相同位置電場強度計算結(jié)果的比較。從表中數(shù)據(jù)可知，雖然模型1和模型2在點1~點4的最大場強值接近，但平面場模型1的結(jié)果與同軸圓柱電場隨半徑增加而減小的關(guān)系不一致，因此，模型1不能給出靠近高壓繞組的屏蔽引線較準確的電場分布結(jié)果。
表1 模型1和模型2的電場強度結(jié)果比較（Kv/mm）
位置　　引線電極附近屏蔽電極附近
　　　　　　　　點1 點2 點3 點4

模型1場強值 5.0 5.0 8.45 7.69
模型2場強值 8.62 8.43 5.65 4.73
　　利用薄紙筒、小油隙的設(shè)計理論，通過在引線電極周圍布設(shè)多層絕緣紙板來分割油隙和合理控制屏蔽接地電極與引線電極之間的絕緣距離，并利用模型2進行絕緣電場的數(shù)值分析，可以得到如圖3所示的屏蔽引線電場的等位線分布，最大電場強度出現(xiàn)在靠近引線電極的第一油隙內(nèi)，其值為8.62kv/mm。

　　圖3靠近高壓繞組的屏蔽引線電場的等位線分布
　　2.3高壓套管均壓球軸對稱電場模型的數(shù)值分析
　　為了確定套管均壓球最佳絕緣結(jié)構(gòu)和電氣絕緣強度，利用模型3詳細計算了高壓套管均壓球的電場分布和結(jié)構(gòu)尺寸如：均壓球的圓弧半徑、升高座的內(nèi)徑變化對最大電場強度的影響，并選擇了一種套管均壓球的最佳絕緣結(jié)構(gòu)尺寸。如圖4是高壓套管均壓球電場的等位線分布，計算結(jié)果表明，最大電場強度出現(xiàn)在套管均壓球電極外側(cè)圓弧部位，其最大電場強度值受圓弧半徑變化的影響如圖5所示。根據(jù)變壓器油紙絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計理論，油是絕緣的最薄弱環(huán)節(jié)，其許用電場強度的確定受油隙長度、電極表面絕緣厚度、油隙所處部位等因素有關(guān)，因此，在套管均壓球的設(shè)計中，均壓球電極圓弧部位的許用電場強度值大于直線部位的許用電場強度，二者比值約為1.5。

　　圖4高壓套管均壓球電場的等位線分布

　
　圖5均壓球圓弧部位的最大場強隨其圓弧半徑的變化
　　由于均壓球電極直線部位的電場強度直接與升高座內(nèi)徑有關(guān)，因此，圖6給出了均壓球電極直線部位的最大電場強度隨升高座內(nèi)徑變化的曲線，均壓球圓弧部位的最大電場強度受升高座內(nèi)徑尺寸變化的影響相對較小，不在給出。根據(jù)圖5、圖6的計算結(jié)果和對應(yīng)的電場強度許用值，經(jīng)過對比分析，最后選擇了圖4、圖5中的橫坐標為1.0（作為圖4、圖5中橫坐標的參考基值）的方案，其圓弧部位的最大電場強度為3.999kV/mm，直線部位的最大電場強度為2.696kV/mm.

　　圖6均壓球直線部位的最大場強隨升高座內(nèi)徑的變化
　　3結(jié)論
　　對1200KV變壓器高壓引出線結(jié)構(gòu)分別建立
　　了不同部位的簡化模型，并對模型本身和結(jié)構(gòu)尺寸對計算結(jié)果的影響做了分析比較；通過絕緣電場的數(shù)值分析，得到了最大電場強度值及其發(fā)生部位，并初步確定了1200KV高壓引出線的絕緣結(jié)構(gòu)尺寸。