换流变压器阀侧套管极性反转下电场分析及绝缘结构优化设计

1、换流变压器阀侧套管极性反转下电场分析及绝缘结构优化设计王罡，曾林锁沈阳工业大学电气工程学院，辽宁沈阳 (110178)E-mail： 摘 要：本文在极性反转电压下的理论分析的基础上，分析不同激励下端部电场的分布特征以及在极性反转时换流变压器油纸复合绝缘电场的分布特征，同时也将对平行板电场和轴对称电场在极性反转电压下的电场分布特征进行探讨，并在此基础上提出极性反转情况下瞬态电场的有限元计算方法。并且分析介质的电阻率和极性变换对内绝缘设计的影响，研究电导率、温度和场强分布的关系，以及内绝缘结构、材料对外绝缘的直流电场分布的影响。 关键词：极性反转；阀侧套管；暂态场；绝缘设计；换流变压器中图分类号：

2、TM854 文献标识码：A1. 引 言本文简要阐述直流输电的目的和意义，换流变压器是高压直流输电中的关键设备之一，它与电力变压器的主要区别及关键技术在绝缘结构上，产品在试验和运行中故障率最高的是绝缘故障，而换流变压器的故障多数情况下都是在极性反转时发生的。高压套管本身并不昂贵，但其运行的可靠性和运行维护对与其配套的换流变压器的正常运行却十分重要。因此从这两方面分析换流变压器绝缘问题是十分必要的。2. 极性反转下瞬态场的有限元计算方法2.1 建立数学模型KKAE=gradUt (1) KKUEA其中，为电场强度向量，为电势标量，为磁场向量。由于在高压工程中，实际电压等级的等值波长比电场区域的地理

3、尺寸要大得多，所以式中第二项可以被忽略，即： 对一个与时间有关的暂态场而言，一般来说电场强度由两部分组成1-3： KE=gradU (2)K对具有一定的和的电介质而言，流过它得电流密度为： KKEE=+t (3)div=0 (4) 又根据电流连续理论： K将式(2)和式(3)代入式(4)中得：div(1gradU+gradU)=0t (5) 将(2.16)写成直角坐标形式并标出初始值和边界值后得：- 1 -1U22U2U(+2+2+2=0txyz (6)2.2 边界值问题在任何瞬时，方程(6)都是一个边界值问题。并且原则上它能用有限元法或有限微分法来求解。因为高压直流输电设备的绝缘一般非常复杂

4、，所以有限元法更为可行。可以发现方程(6)恰是函数I的欧拉方程，其中：11U2U2U2I=(+)(+(+()dxdydz2txyz (7)通过有限元法，场域R就被离散为有限个元素，具有包括给定条件的边界点在内的M个点。这样，把每一元素中的所有积分全部加起来就可以计算出函数I，从函数I的条件到最小值，就可以得到电位Ui的欧拉方程：K1t=0 Ui+K2Ui=0t (8) (i=1，2，3M) UUi(0)其中，Ui结点电位Ui的列向量，K1，K2各自为交流场和直流场的有限元法系数矩阵，M总结点数，包括给定边界C上的结点，U(t)给定边界值，Ui(0)给定初始值。在直流套管中，由于套管的电容式结构

5、在设计中已经进行了优化，并且两层相邻的极板间具有相对大的电容和电导，而能保证沿分级锥体的电位分布不会受芯子外的杂散泄漏的影响。所以，芯子中最外层极板可以被认为是具有线性电位分布的己知边界。2.3 初始电压问题通过将所有关心的时间段0Tn离散成N个步长：几个瞬时：h0,h1,""hn。方程(8)就被离散成0,t1,t2""tN4-6。运用梯形积分公式就可以得到方程(6)的最终解：(2K1+hnK2)Ul,n=(2K1hnK2)Ul,nl (9)U|c=Ucn（为给定边界值）；U|t=0=Un1，（为给定初始值）。其中，各自是结点I在tn时刻和tn1时刻的电

6、压列向量，hn是现在的步长。梯形积分有一个舍项误差：33hndu()Rn=12dt3 (tn1<<tn) (10)d3U3电位U的三阶导数dt可以用一个源于h和U的现在值和先前值的微分方程来处理。为了保证舍项误差在一允许值Rmax内下一段时间步长应为：- 2 -hn+1hn RmaxRn (11) 方程(9)的时间增量能在给定误差范围内节省计算时间。上面的计算方法可用于计算二维或轴对称三维暂态场。激励电压可以是阶跃电压（如极性反转电压），也可以是其他与时间有关的电压。在有限元法的计算中，存在着舍项误差和其他计算误差。这种误差取决于所选阶数及元素的分割。由于直流输电设备的绝缘结构一般

7、有非常长且薄的绝缘组成部分（如油隙），这样电场区域就必须被分割成非常小的部分。因此，从工程实际和足够的准确度出发，在有限元计算中，采用一阶三角元素是合适的。这种算法也能找到每一种介质在所有时间段的最高场强。并且将这些值做成与时间有关的曲线。曲线的峰值就是介质在整个过程中的最大场强。3. 介质的电阻率和极性变换对内绝缘设计的影响套管运行时，由于传输电流的通过，使得套管的导电管发热，因而会降低邻近的油纸绝缘的电阻率，使绝缘芯子内部的电阻率分布不均7,8。当绝缘介质的极性变换时，电场在暂态过程期间变成一个新的动态的直流电场，这个过程可能导致临时的过载，也就是具有更低电阻率的材料自身放电比相邻材料更快

8、，导致相邻材料承受更高的电压。这样的一种直流电压作用的情况，可以定性地模拟成具有三种不同RC时间常数相叠加的材料进行分析，如图2所示。这三种材料紧靠着导电管。并假设在这个模型中，当C1=C2=C3初始电压：U1=U2=U3=U/3。C3迅速放电，C2充电，导致C1，使U1的暂态电压在30s后达到125%U/3。tt3=1000s后进入稳定状态，此时的电压分布相当不同：U1=0.09U，U2=0.9U，U3=0.01U，整个电压的90%由2号材料（即电阻率最高的材料）来承担。因此在直流套管的设计中，应尽量避免绝缘材料的电阻率差异太大。根据套管的国家标准及实际试验数据，载流导体在油中的温升不超过1

9、5，相对于油浸纸材料的温升大概只在20左右。根据图1我们测算出20的温升大约会使得油浸纸的电阻率减少7倍左右，远低于上述例子的芯子的绝缘裕度仍可满足要求。 T2/T3=100倍。对于这种情况，我们假设由于电阻率分布的改变，使得整个绝缘芯子的电场分布不均增大，从而使绝缘芯子的电气强度下降，但- 3 -10-1370kV/mm电导率：(-1cm-1) 60kV/mm10-1450kV/mm40kV/mm30kV/mm20kV/mm10kV/mm10-1510-1620304050607080温度：图1 电场强度和电导率随温度变化的关系曲线Fig. 1 Relation Curve between

10、Conductivity and Electric Field Strength with Temperature另外，在设计时还要考虑应使导电管的载流密度取得小一些，采取一些降低导电管发热的措施，就可以减小温升，进一步提高绝缘芯子的电气强度和绝缘可靠性。4. 内绝缘结构、材料对外绝缘的直流电场分布的影响电容套管简化模型如图2所示，下面给出了直流下内绝缘对外绝缘电场分布影响的计算结果，如图3所示，表明内绝缘电容芯子内部的电场分布对芯子外部的电场分布没有显著的影响。这是因为油和电瓷的电阻率比油浸纸的电阻率更低，使得直流电流通过了这些低电阻值的材料，控制了外部电场9,10。在直流电压情况下，相邻的

11、不同电阻率介质中的场强是按以下公式进行分布的。E111=2 (12) E2 2其中，E1、1、1分别为介质1的场强、电导率、电阻率，E2、2、2分别为介质2的场强、电导率、电阻率。根据图1的曲线，我们可以知道，当直流电场强度低于20kV/mm时，油纸绝缘电阻率与场强无关，仅与温度有关。根据计算，芯子内部的直流电场在500kV电压下时最大为5kV/mm，小于20kV/mm，所以在设计中可以不考虑该因素的影响。- 4 -导电体 电容油电瓷图2 电容套管简化模型 图3 直流电压下电容套管电场分布Fig. 2 Simplified Model of Capacitive Fig. 3 Electric

12、 Field Distribution of CapacitiveBushing Bushing under DC Voltage1714=10m=10m。应用油纸瓷由图1测得油纸绝缘电阻率，电瓷的电阻率公式(12)，可知油浸纸绝缘芯子上的电场强度比油中的电场强度要高得多，因而在它们之间存在一个很大的电位差，使得击穿和闪络电压比均匀分布的电场条件下要低得多。因此应注意避免油纸绝缘在油中的沿面闪络，并采取措施对这种沿面的电场分布加以改善，比如保持芯子表面的清洁度，延长芯子表面的沿面距离等。5. 结论本章对极性反转电场进行了理论分析，应用有限元分析软件ANSYS，通过对不同激励下端部电场的分布特征

13、和极性反转情况下油纸复合绝缘电场的分布的分析，提出了极性反转情况下瞬态场的有限元计算方法。分析了介质的电阻率和极性变换对内绝缘设计的影响，同时也分析了内绝缘结构和材料对外绝缘的直流电场分布的影响。- 5 -参考文献1 Lars Weimers. A New Technology for a Better Environment J. IEEE Power Engineering Review, 1998(8):19-20.2 冯慈璋,马西奎主编.工程电磁场导论M.北京:高等教育出版社,2000.3 唐兴伦,范群波等编著.ANSYS工程应用教程热与电磁学篇M.北京:中国铁道出版社,2003.4

14、Elliott, F.E., Lavier, B.E.,Kuehn, W.P., et al. FEM-study on converter transformer failures in the Celilo HVDC converter stationJ. IEEE Engineering Society, Winter Meeting, 1999,2:1047-1052.5 Povh D, Role of HVDC transmission in future energy development J. IEEE Power Engineer Review, 2000(2):10-25.

15、6 商跃进主编.有限元原理与ANSYS应用指南M.北京:清华大学出版社,2004.7 胡之光.电机电磁场的分析与计算M.北京:机械工业出版社,1986.8 Takahashi E,Shirasaka Y,Okuyama K. Analysis of an anisotropic nonlinear electric field with adiscussion of dielectric tests for converter transformers and smoothing reactors J. IEEE Trans.On PD,1994,9(3):1480-1486.9 Ohshim

16、a I,Motegi S,Homda M et al. HVDC breakdown of transformer oil and the effect of space charge on it J. IEEE Trans.On PAS,1983,102(7):2208-2215.10 , . Numerical algorithm for polarity reversal electric field and its application J. Journal of Beijing Institute of Technology (English Edition), 1999,8(2)

17、:161-166.Analysis of Polarity Reverse Transient Electric Field and theOptimal Design of Insulation Structure of ConverterTransformer BushingWang Gang, Zeng LinsuoDepartment of Electrical Engineering, Shenyang University of Technology, China (110178)AbstractOn the basis of polarity reversal voltage t

18、heory analysis, in this paper, the distribution characteristics of end electrical field under different excitation and oil-paper compound insulation electric field of a converter transformer polarity reversal are analyzed. On the basis of which the electric field distribution characteristics of parallel-plate electric field and axisymmetrical electric field is discussed under polarity reversal voltage, a finite element method to calculate transient electric field is presented under polarity reve