1200KV变压器高压引线绝缘电场的数值分析

　　引言
　　随着国内外电力工业的发展，电站及发电设
　　备的容量也在不断增加，为了经济合理地利用能源，进行远距离输电已不可避免，在国外，美国、意大利、俄罗斯等国家百万伏级特高压变压器的研制已有近三十年的时间，并已具备生产能力和形成了百万伏级特高压输电线路，在国内，专家预测我国在本世纪有望出现百万伏级特高压输电线路，因此，进行百万伏级变压器的开发研究十分必要。根据天威集团公司并联电抗器试验要求和未来技术发展情况，公司于1999年立项并开始进行百万伏级特高压变压器的研制工作，其中，1200KV高压引线绝缘结构的确定和绝缘电场分析是研究的关键内容之一，因此，对于具有复杂的几何形状和三维复合绝缘结构的高压引出线系统，在分析高压引线结构并合理简化的基础上，建立工程上可求解的模型并进行绝缘电场的数值分析和结构优化十分重要。
　　1建立模型
　　研制变压器的高压侧施加交流工频1390KV的电压，高压出线方式可以采取可卸式引出线结构或直接式引出线结构。本文针对前者建立模型和分析，如图1为可卸式引出线典型结构图，由


　　图可知，高压引出线绝缘结构的分析实际上是一个含有油、纸绝缘和金属电极在内的多介质、复杂几何结构形状的三维电场问题，但在满足工程结构设计要求的前提下，为了减少计算工作量和缩短计算周期，对高压引出线绝缘结构的电场分析进行合理简化十分必要，为此，作者分别建立了如下三个可求解的模型：
　　（1）高压引线拐弯部位的平面电场模型(下称模型1，图1中APBCDEFGQHA区域）；
　　第一类边界条件：①边界PB、BC、CD、DE、FG、GQ，电位为0.0kV；②高压引线电极及套管均压球，电位为1390kV；其余为二类边界条件.
　　（2）靠近高压绕组的屏蔽引线轴对称电场模型(下称模型2，图1中APBCNMIA区域）；
　　第一类边界条件：①边界PB、BC、CN，电位为0.0kV；②高压引线电极，电位为1390kV；其余为二类边界条件.
　　（3）高压套管均压球的轴对称电场模型(下称模型3，图1中KLGOK区域）;
　　第一类边界条件：①边界LG，电位为0.0kV；②高压引线电极及套管均压球，电位为1390kV，瓷套表面电位按线性分布考虑；其余为二类边界条件.
　　2数值分析
　　利用有限元方法，分别计算了高压引线拐弯
　　部位、靠近高压绕组的屏蔽引线和高压套管均压球三个模型的电场分布。根据模型1可以确定高压引出线结构的电场整体分布近似解和电场较集中的发生部位；利用模型1的数值分析结果和模型2、模型3，可以给出局部电场集中部位较详细的数值分析结果。
　　2.1高压引线拐弯部位平面电场模型的数值分析
　　如图2是高压引线拐弯部位电场（含靠近高压绕组的屏蔽引线部位）的等位线分布图，计算


　　结果表明，在靠近高压绕组的屏蔽引线部位和高压套管均压球部位的电场分布较集中，其局部最大电场强度发生位置分别在靠近高压引线的屏蔽上下拐角部位和套管均压球圆角部位，其最大电场强度值分别为8.42kV/mm和3.62kV/mm。
　　2.2靠近高压绕组的屏蔽引线轴对称电场模型的数值分析
　　从图1可知，靠近高压绕组的屏蔽引线绝缘结构具有轴对称性，因此，模型2较模型1更能准确地反映实际的电场分布，为进一步确认两种模型电场强度计算结果的数量关系，在相同的计算条件下，表1给出了模型1和模型2在相同位置电场强度计算结果的比较。从表中数据可知，虽然模型1和模型2在点1~点4的最大场强值接近，但平面场模型1的结果与同轴圆柱电场随半径增加而减小的关系不一致，因此，模型1不能给出靠近高压绕组的屏蔽引线较准确的电场分布结果。
表1 模型1和模型2的电场强度结果比较（Kv/mm）
位置 　　引线电极附近 屏蔽电极附近
　　　　　　　　点1 点2 点3 点4

模型1场强值 5.0 5.0 8.45 7.69
模型2场强值 8.62 8.43 5.65 4.73
　　利用薄纸筒、小油隙的设计理论，通过在引线电极周围布设多层绝缘纸板来分割油隙和合理控制屏蔽接地电极与引线电极之间的绝缘距离，并利用模型2进行绝缘电场的数值分析，可以得到如图3所示的屏蔽引线电场的等位线分布，最大电场强度出现在靠近引线电极的第一油隙内，其值为8.62kv/mm。


　　2.3高压套管均压球轴对称电场模型的数值分析
　　为了确定套管均压球最佳绝缘结构和电气绝缘强度，利用模型3详细计算了高压套管均压球的电场分布和结构尺寸如：均压球的圆弧半径、升高座的内径变化对最大电场强度的影响，并选择了一种套管均压球的最佳绝缘结构尺寸。如图4是高压套管均压球电场的等位线分布，计算结果表明，最大电场强度出现在套管均压球电极外侧圆弧部位，其最大电场强度值受圆弧半径变化的影响如图5所示。根据变压器油纸绝缘结构设计理论，油是绝缘的最薄弱环节，其许用电场强度的确定受油隙长度、电极表面绝缘厚度、油隙所处部位等因素有关，因此，在套管均压球的设计中，均压球电极圆弧部位的许用电场强度值大于直线部位的许用电场强度，二者比值约为1.5。




　　由于均压球电极直线部位的电场强度直接与升高座内径有关，因此，图6给出了均压球电极直线部位的最大电场强度随升高座内径变化的曲线，均压球圆弧部位的最大电场强度受升高座内径尺寸变化的影响相对较小，不在给出。根据图5、图6的计算结果和对应的电场强度许用值，经过对比分析，最后选择了图4、图5中的横坐标为1.0（作为图4、图5中横坐标的参考基值）的方案，其圆弧部位的最大电场强度为3.999kV/mm，直线部位的最大电场强度为2.696kV/mm.


　　3结论
　　对1200KV变压器高压引出线结构分别建立
　　了不同部位的简化模型，并对模型本身和结构尺寸对计算结果的影响做了分析比较；通过绝缘电场的数值分析，得到了最大电场强度值及其发生部位，并初步确定了1200KV高压引出线的绝缘结构尺寸。