换流变压器阀侧绕组端部电场分布研究

换流变压器阀侧绕组端部电场分布研究

0换流变压器内部粘连的发展过程随着我国能源工业进入高供电、高电压、高自动化的方向，高压直流供电利用了高电压、高相速、低损失等优点，广泛应用于高压场和宽距离输送。而换流变压器是直流输电系统中至关重要的设备,也是交、直流输电系统联接两端换流站和逆变站的核心设备。目前,特高压换流变压器内部绝缘一般仍采用油、纸复合绝缘结构,在正常运行时,油、纸复合绝缘中的电场为交、直流混合电场,电场分布的复杂性对绝缘强度提出了更高的要求。此外,由于油纸绝缘电导率的差异,在直流电场作用下固体绝缘表面更易积聚起空间电荷,空间电荷的存在会严重畸变变压器内的电场分布,并且当电压发生突变时(如极性反转),突变电压与空间电荷的电场相叠加,更易引起变压器内部绝缘的放电或击穿。实践证明,许多换流变压器绝缘故障均是在试验或运行中进行极性反转时发生的。我国开展针对换流变压器绝缘方面的研究起步较晚。在电场数值计算方面,交流电场一直是人们研究的重点,直到上世纪90年代至本世纪初,西安交通大学、沈阳工业大学等单位才开始针对换流变压器内部电场分布开展研究。本文采用计算机电路仿真与自适应有限元相结合的方法对混合电场作用下的油纸复合绝缘进行了电场计算。1反转瞬间空间电荷电场与容性分布电场的叠加运用由于工况的特殊性,换流变压器阀侧绕组所承受的电压与普通电力变压器有很大差别:除承受交流电压、雷电冲击和操作过电压外,还承受直流、直流叠加交流和极性反转电压作用。在交流电压作用下,油纸复合绝缘结构的电场分布取决于介电常数ε,呈容性分布;而在直流电压作用下,油纸复合绝缘结构的电场分布取决于材料的电阻率ρ,呈阻性分布,这是换流变压器和电力变压器电场分布特性的根本区别。交流电压作用下,材料的介电常数不随温度、场强等因素而变化,此时电场分布呈线性;直流电压作用下,材料的电阻率随温度、场强等因素的变化而变化,其变化幅值可达到3个数量级,而且油浸纸的层叠结构导致电阻率在顺纸面方向和垂直纸面方向有明显的不同,所以直流电场的分布呈非线性。在直流电场作用下,电场大部分集中在固体绝缘中,在没有发生击穿情况下,局部放电不会在固体绝缘表面留下电损伤痕迹。而在交流电场的作用下,由于油的介电常数较低,油承担着较大的电场应力,局部放电易在固体绝缘纤维孔隙的油中发生,造成固体绝缘内部或表面不可恢复的电损伤,随着电场作用时间的延长,这种损伤不断扩大,以至于引起绝缘损坏;如果局部放电发生在较大的油隙中,由油中的杂质或气泡产生,随着油的流动、杂质的烧融、气泡的消失,油的绝缘特性是可以恢复的,局放电量将趋于稳定。在直流电场作用下,由于不同介质间的电阻率相差较大(ρoil:ρpa=1:10～1:300),所以电阻率较小的油中流过的离子电流要大于纸板中流过的离子电流,这就造成了油纸界面的电荷积累,形成界面空间电荷。随着空间电荷的积累,油中场强逐渐减小,纸中场强逐渐增大,从而两种材料中的离子电流趋于接近。经过一段时间后,两种材料中的离子电流相等,达到稳态。此时,空间电荷电场以及容性分布电场叠加形成阻性分布电场,即Eρ=Eq+Eε。(1)Eρ=Eq+Eε。(1)式中,Eρ、Eq、Eε分别为阻性分布电场、空间电荷电场及容性分布电场在场域中某点形成的场强。当激励电压极性反转时(+DC→-DC),因空间电荷的放电时间(一般为几十min甚至更长)远远大于反转时间(十几ms),所以可认为在反转瞬间空间电荷的分布保持不变,因此空间电荷电场依然存在。而-DC施加的瞬间呈容性分布,于是得Epr=Eq−Eε。(2)Epr=Eq-Eε。(2)式中,Epr为极性反转电场在场域中某点的场强。即在反转瞬间,极性反转电场是由反转前阻性分布电场(+DC)与反转后容性分布的2倍负极性激励电场(-2DC)合成的叠加电场。在反转瞬间,空间电荷电场在油中与外加电场相互加强,而在纸中则与外加电场相互削弱(与直流稳态时相反),这导致油中场强骤然变大。此外,空间电荷的存在,将吸引油中的杂质,使之聚集在固体绝缘表面,形成连续或不连续的放电通道。因此,换流变压器的绝缘故障往往发生在极性反转时。2反转瞬间介质电压的模拟结果为分析极性反转电压下的电场分布,在考虑模型具有代表性的同时尽可能地简化计算,采用一理想的三层油纸复合绝缘结构模型,见图1(a)。图中,假设所有介质都均匀,且不考虑边缘效应,所有参数都固定不变,其中纸板的介电常数ε1=4,电阻率ρ1=50TΩm,厚度d1=10mm;变压器油的介电常数ε2=2,ρ2=1TΩm,厚度d2=20mm,截面积均为S,外加直流电压U在t=0时由+Ud瞬间跃变为-Ud。为分析每层介质所承受电压的分布规律,将三层模型等效为如图1(b)所示的电路模型,然后利用ORCAD软件进行模拟,外加电压与模拟结果分别见图2、3。由图3可知,反转时电压不是按时间常数τ直接由+Ud变化为-Ud的,而是先发生一定量的阶跃变化,然后再在此基础上按时间常数τ变化为-Ud的。为了求出反转瞬间电压发生阶跃变化的规律,还须做如下计算:在电路模型图中,积累在介质表面的空间电荷可等效为电容电荷,反转瞬间,空间电荷总量不变,然后按一定规律变化,其影响相当于电容的一阶电路全响应。假设在t=0-时,电路已处于稳态,电压呈阻性分布,可求得等效电容C1、C2上的电压UC1(0−)=R12R1+R2U0−=R12R1+R2Ud；UC2(0−)=R22R1+R2U0−=R22R1+R2Ud。UC1(0-)=R12R1+R2U0-=R12R1+R2Ud；UC2(0-)=R22R1+R2U0-=R22R1+R2Ud。反转瞬间按容性分布的电压求取如下:故在t=0+时介质两端的电压为Uo(0+)=UC1(0−)+Uε1(0+)=(R12R1+R2−C2C1+C2)Ud；Up(0+)=UC2(0−)+Uε2(0+)=(R22R1+R2−2C1C1+C2)Ud。Uo(0+)=UC1(0-)+Uε1(0+)=(R12R1+R2-C2C1+C2)Ud；Up(0+)=UC2(0-)+Uε2(0+)=(R22R1+R2-2C1C1+C2)Ud。此结果与图3一致,因此可认为反转瞬间介质两端电压由阻性分布的正极性电压与容性分布的2倍负极性电压相互叠加而成。此结果也为下文中极性反转电压下的电场分布有限元分析提供了依据。3干气温度的确定为了进一步研究换流变压器阀侧绕组电场,还需建立与实体相近的模型并进行电场仿真计算。由于变压器绝缘故障多发于线圈端部附近,因此只建立了整个变压器绝缘的局部模型,见图4。在图4中,FED为高压线圈端部,IGH为电容环(电位与高压线圈端部相等),绝缘纸板全部采用大角环结构。在绝缘效果理想的状态下,ABC处的电压可设为0,FED和IGH处为高电压,AI、GF和DC处符合诺伊曼边界条件(E和J平行于该边界)。场域边界条件如下:⎧⎩⎨⎪⎪∂ΦAI/∂n=∂ΦGF/∂n=∂ΦDC/∂n=0；ΦIHG=ΦFED=1；ΦABC=0。{∂ΦAΙ/∂n=∂ΦGF/∂n=∂ΦDC/∂n=0；ΦΙΗG=ΦFED=1；ΦABC=0。根据上文的分析结果,利用Ansoft软件分别对直流、交流、交直流叠加及极性反转电压下的电场等位线分布进行了模拟分析,其中在直流、交流、交直流叠加电压作用下得出的均是稳态下的分布图,而在极性反转电压下得出的是瞬态的分布图。3.1电阻率之比直流电压作用下的电场分布见图5(括号中为油、纸、纸板的电阻率之比)。容易看出,随着电阻率之比的递增,油中所承担的电压越来越少而纸和纸板中的却越来越多,所以在直流电场作用下电位呈阻性分布,即材料承担电压多少与其电阻率成正比。3.2安全性分析的原理交流电压作用下的电场分布如图6(括号中为油、纸、纸板的介电常数之比),可知随着介电常数之比的递增,油中所承担的电压随之递增,故交流电场作用下电位呈容性分布,即材料承担的电压与其介电常数的倒数成正比。3.3交直流叠加电场交流叠加直流电场作用下的电场分布见图7(介电常数之比皆为2:3:4;括号中为电阻率之比),从图7中不难看出,在交直流叠加电场作用下的电位分布的均匀程度介于交流和直流单独作用时的情况之间,电阻率比值增大的过程中,纸和纸板中的电压有增大的趋势,但这种趋势没有直流电场单独作用时明显。由此可知,在交直流叠加电场作用下,电位分布既受材料电阻影响也受其电容影响。3.4空间电荷对油隙中电位分布的影响在对极性反转电压下的电场进行模拟时,为了便于观察,采用的是立式模型,即将图1(a)所示模型顺时针旋转90°。根据图3的计算结果,分别模拟分析了t=0,t=14.45s和t=1000s3个特征时刻的电位分布,模拟结果见图8。从图中可分析得出,反转瞬间介质内的电位分布呈锯齿状,纸中仍承受着少量的正极性电压,而油中已承受负极性电压,此时油隙两端的电位差最大。由于空间电荷的作用,在从油到纸的界面上的电压比周围的高,而在从纸到油的界面上的则比周围的低,这也说明了在油隙中空间电荷感应电场与外施电场相互加强,在油浸纸中则相互抵消。随着场强逐渐从油向纸中转移,在反转过程中的某一时刻会出现纸中电压为零,此时电压完全由油承担。当时间趋于无穷大时,电位分布也趋于阻性分布,电阻率大的纸中承担了绝大部分电压。4油隙中风电的等位线分析a)在直流稳态电压作用下,绝缘材料的电场服从阻性分布且与其电阻率成正比,最高场强往往出现在纸或纸板中;在工频交流电压作用下,绝缘材料的电场服从容性分布且与其介电常数成反比,最高场强往往出现在变压器油中;而在交、直流叠加电压的