特高壓并聯(lián)電抗器主絕緣電場(chǎng)仿真計(jì)算

肖 朋

(營(yíng)口職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣電子工程系，遼寧營(yíng)口 115000)

特高壓并聯(lián)電抗器主絕緣電場(chǎng)仿真計(jì)算

肖 朋

(營(yíng)口職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣電子工程系，遼寧營(yíng)口 115000)

目前，特高壓電網(wǎng)建設(shè)是我國(guó)電力系統(tǒng)的發(fā)展方向，與之配套的特高壓設(shè)備發(fā)展也勢(shì)在必行。在國(guó)家特高壓交流輸電工程中并聯(lián)電抗器發(fā)揮著舉足輕重的作用，特高壓并聯(lián)電抗器在工作運(yùn)行中受到各類過電壓的影響，主絕緣結(jié)構(gòu)電場(chǎng)仿真計(jì)算對(duì)于產(chǎn)品的設(shè)計(jì)起到重要的參考作用。本文仿真使用Ansoft公司的Maxwell軟件對(duì)特高壓并聯(lián)電抗器的A柱線圈和X柱線圈分別到鐵芯餅和旁軛的電場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行了計(jì)算，計(jì)算結(jié)果的安全裕度滿足工作要求。研究結(jié)論對(duì)特高壓電氣產(chǎn)品的仿真分析具有重要的工程實(shí)踐參考價(jià)值。

并聯(lián)電抗器；主絕緣；電場(chǎng)計(jì)算

為了實(shí)現(xiàn)電能資源的優(yōu)化配置和能源結(jié)構(gòu)的有效調(diào)整，我國(guó)大力發(fā)展特高壓電網(wǎng)工程建設(shè)。在高電壓和大容量系統(tǒng)中，安裝并聯(lián)電抗器可以維持無功平衡、補(bǔ)償線路電容效應(yīng)、提高功率因數(shù)、減少線路損耗、限制電壓升高等。本文結(jié)合“皖電東送”特高壓交流輸電工程的技術(shù)要求，對(duì)研制1100 kV特高壓并聯(lián)電抗器的核心技術(shù)——主絕緣結(jié)構(gòu)電場(chǎng)進(jìn)行了分析計(jì)算和闡述，特高壓并聯(lián)電抗器的使用壽命與主絕緣結(jié)構(gòu)的合理性有直接的關(guān)系。因此，主絕緣結(jié)構(gòu)對(duì)于特高壓并聯(lián)電抗器安全、可靠、穩(wěn)定的運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。

1 特高壓并聯(lián)電抗器主要技術(shù)參數(shù)

(1)型式：戶外、單相、油浸、間隙-鐵芯，并將由3個(gè)單相組成三相星形連接，通過中性點(diǎn)電抗器接地，冷卻方式為ONAF。

(3)額定頻率：50 Hz。

(4)連續(xù)額定容量：240 Mvar。

(5)額定電流：377.9 A。

(7)絕緣水平(表1)。

2 特高壓并聯(lián)電抗器主絕緣結(jié)構(gòu)

240 Mvar/1100 kV并聯(lián)電抗器其容量大、電壓高、可靠性要求高。針對(duì)這些特點(diǎn)，該產(chǎn)品的最終外形結(jié)構(gòu)如圖1所示。

并聯(lián)電抗器內(nèi)部采用兩柱串聯(lián)結(jié)構(gòu)形式線圈，兩柱共同承擔(dān)試驗(yàn)電壓和工作電壓，絕緣性能好，器身間主絕緣、線圈縱絕緣裕度大，工作電壓下絕緣可靠性得到了保證。每柱線圈皆為中部出線，當(dāng)兩柱線圈串聯(lián)接線時(shí)，雷電全波沖擊的2250 kV和雷電截波沖擊的2400 kV電壓施加在兩部分線圈上，使得沖擊沿面爬電距離有了顯著增大。A柱線圈采用糾結(jié)-內(nèi)屏-連續(xù)式結(jié)構(gòu)，高壓線端的線匝間電容量增大使得線圈沖擊電位和梯度分布得到有效改善。末端采用換位導(dǎo)線形式降低漏磁引起的渦流損耗，避免過熱，保護(hù)線圈絕緣。串聯(lián)繞組聯(lián)結(jié)示意圖如圖2所示。

表1 絕緣水平

圖1 240 Mvar/1100 kV并聯(lián)電抗器外形圖

并聯(lián)電抗器的主絕緣結(jié)構(gòu)采用成熟的固體隔板合理分割油隙結(jié)構(gòu)，并確保隔板的數(shù)量直接影響油隙的電氣強(qiáng)度差別，進(jìn)行優(yōu)化選取，器身整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。線圈端部的轉(zhuǎn)角區(qū)，采用優(yōu)化設(shè)計(jì)的端部靜電屏改善電場(chǎng)等位線的分布。為了保證油隙尺寸和絕緣尺寸固定可靠，使用進(jìn)口的成型絕緣件，成型絕緣件的形狀符合等位線，并放置在最佳的位置上。

圖2 串聯(lián)繞組聯(lián)結(jié)示意圖

圖3 并聯(lián)電抗器內(nèi)部主絕緣結(jié)構(gòu)圖

3 主絕緣電場(chǎng)仿真計(jì)算

本文對(duì)1100 kV特高壓并聯(lián)電抗器主絕緣結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真計(jì)算，計(jì)算時(shí)采用美國(guó)Ansoft公司的Maxwell軟件。文中分析的并聯(lián)電抗器產(chǎn)品包括兩個(gè)線圈，分別套裝在A柱和X柱上，1100 kV線圈首端布置在A柱上，因此A柱線圈中部到鐵心餅及旁軛、A柱線圈端部到鐵心餅及旁軛是此臺(tái)1100 kV特高壓電抗器產(chǎn)品主絕緣結(jié)構(gòu)分析的重點(diǎn)部位。

運(yùn)用Maxwell軟件計(jì)算A柱線圈中部到鐵心餅的電場(chǎng)強(qiáng)度，在5分鐘工頻試驗(yàn)1100 kV電壓下，計(jì)算所得最嚴(yán)重電場(chǎng)強(qiáng)度出現(xiàn)在芯柱地屏側(cè)，其電場(chǎng)強(qiáng)度值為6.04 kV/mm，具有1.14倍的安全裕度，滿足工作要求，電場(chǎng)強(qiáng)度分布如圖4所示。計(jì)算A柱線圈中部到旁軛的電場(chǎng)強(qiáng)度，在5分鐘工頻試驗(yàn)1100 kV電壓下，計(jì)算所得最嚴(yán)重電場(chǎng)強(qiáng)度出現(xiàn)在線圈中部外徑側(cè)，其電場(chǎng)強(qiáng)度值為4.70 kV/mm，具有1.15倍的安全裕度，滿足工作要求，電場(chǎng)強(qiáng)度分布如圖5所示。

圖4 A柱線圈中部到鐵心餅

圖5 A柱線圈中部到旁軛

計(jì)算A柱線圈上端部到鐵心餅的電場(chǎng)強(qiáng)度，在5分鐘工頻試驗(yàn)1100 kV電壓下，計(jì)算所得最嚴(yán)重電場(chǎng)強(qiáng)度出現(xiàn)在線圈上端部靜電板內(nèi)徑側(cè)，其電場(chǎng)強(qiáng)度值為5.14 kV/mm，具有1.42倍的安全裕度，滿足工作要求，電場(chǎng)強(qiáng)度分布如圖6所示。計(jì)算A柱線圈上端部到旁軛的電場(chǎng)強(qiáng)度，在5分鐘工頻試驗(yàn)1100 kV電壓下，計(jì)算所得最嚴(yán)重電場(chǎng)強(qiáng)度出現(xiàn)在線圈上端部靜電板外徑側(cè)，其電場(chǎng)強(qiáng)度值為5.61 kV/mm，具有1.30倍的安全裕度，滿足工作要求。電場(chǎng)強(qiáng)度分布如圖7所示。

圖6 A柱線圈上端部到鐵心餅

圖7 A柱線圈上端部到旁軛

計(jì)算X柱線圈中部到鐵心餅電場(chǎng)強(qiáng)度，在5分鐘工頻試驗(yàn)1100 kV電壓下，計(jì)算所得最嚴(yán)重電場(chǎng)強(qiáng)度出現(xiàn)在線圈中部?jī)?nèi)徑側(cè)，其電場(chǎng)強(qiáng)度值為3.43 kV/mm，具有1.34倍的安全裕度，滿足工作要求，電場(chǎng)強(qiáng)度分布如圖8所示。計(jì)算X柱線圈到旁軛中部電場(chǎng)強(qiáng)度，在5分鐘工頻試驗(yàn)1100 kV電壓下，計(jì)算所得最嚴(yán)重電場(chǎng)強(qiáng)度出現(xiàn)在線圈中部外徑側(cè)，其電場(chǎng)強(qiáng)度值為4.09 kV/mm，具有1.32倍的安全裕度，滿足工作要求，電場(chǎng)強(qiáng)度分布如圖9所示。

圖8 X柱線圈中部到鐵心餅

圖9 X柱線圈到旁軛中部

計(jì)算X柱線圈上端部到鐵心餅電場(chǎng)強(qiáng)度，在1分鐘工頻試驗(yàn)275 kV電壓下，計(jì)算所得最嚴(yán)重電場(chǎng)強(qiáng)度出現(xiàn)在線圈上端部靜電板內(nèi)徑側(cè)，其電場(chǎng)強(qiáng)度值為3.64 kV/mm，具有1.54倍的安全裕度，滿足工作要求，電場(chǎng)強(qiáng)度分布如圖10所示。計(jì)算X柱線圈端部到旁軛電場(chǎng)強(qiáng)度，在1分鐘工頻試驗(yàn)275 kV電壓下，計(jì)算所得最嚴(yán)重電場(chǎng)強(qiáng)度出現(xiàn)在線圈上端部靜電板外徑側(cè)，其電場(chǎng)強(qiáng)度值為3.78 kV/mm，具有1.48倍的安全裕度，滿足工作要求，電場(chǎng)強(qiáng)度分布如圖11所示。

圖10 X柱線圈上端部到鐵心餅

圖11 X柱線圈上端部到旁軛

由端部電場(chǎng)強(qiáng)度分布圖形可以看出1100 kV特高壓并聯(lián)電抗器成型角環(huán)形狀和絕緣紙板的布置在高場(chǎng)強(qiáng)區(qū)域出現(xiàn)的重要性，因此采用電場(chǎng)分析后設(shè)計(jì)的絕緣結(jié)構(gòu)可以更好地防止端部絕緣沿面放電的產(chǎn)生。各關(guān)鍵部位最小安全系數(shù)如表2所示。

通過仿真計(jì)算，根據(jù)不同模型電場(chǎng)強(qiáng)度的計(jì)算結(jié)果，合理布置線圈端部成型角環(huán)尺寸、角環(huán)成型件及絕緣隔板分割油隙，在電場(chǎng)分布薄弱線餅增加線圈內(nèi)墊紙條或小角環(huán)，確保高場(chǎng)強(qiáng)區(qū)具有足夠的安全裕度。對(duì)于局部電場(chǎng)值較大的電極結(jié)構(gòu)為防止放電情況的發(fā)生，可采用改善電極形狀、加包絕緣小角環(huán)、增加絕緣厚度等措施，確保240 Mvar/1100 kV特高壓并聯(lián)電抗器絕緣結(jié)構(gòu)滿足要求。

表2 各部位電場(chǎng)強(qiáng)度和安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)語

本文對(duì)1100 kV特高壓并聯(lián)電抗器主絕緣結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，使用Maxwell軟件分別計(jì)算了A柱線圈中部到鐵心餅、到旁軛，A柱線圈上端部到鐵心餅、到旁軛，X柱線圈中部到鐵心餅、到旁軛，X柱線圈上端部到鐵心餅、到旁軛的電場(chǎng)強(qiáng)度，計(jì)算結(jié)果滿足工程的需要，驗(yàn)證了1100 kV特高壓并聯(lián)電抗器主絕緣結(jié)構(gòu)的可靠性。

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[2]王征.高壓并聯(lián)電抗器在特高壓電網(wǎng)中的應(yīng)用[J].科技風(fēng),2016(8):173.

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MainInsulationElectricFieldSimulationofEHVShuntReactor

XIAO Peng

(Department of Electrical and Electronic Engineering, Yingkou College of Vocational Technology, Yingkou Liaoning 115000, China)

The current high-voltage grid construction is the direction of the development of the power system in our country, and the development of the high-voltage equipment is also imperative. Shunt reactor in national EHV ac transmission project plays an important role in the operation of the high voltage shunt reactor in work under the influence of all kinds of over-voltage, main insulation structure electric field simulation play an important reference for the design of the product. Simulation using Ansoft company Maxwell software for EHV shunt reactor coil and A column of X column coil respectively to the iron core is bread and yoke of electric field strength was calculated, the calculation results of safety margin meet the job requirements. Conclusion the simulation analysis of high voltage electrical products is of great value in engineering practice.

shunt reactor; main insulation; electric field simulation

TM472

A

2095-7602(2017)10-0011-05

2017-05-16

遼寧省“十三五”規(guī)劃高教研究課題“服務(wù)‘中國(guó)制造2025’戰(zhàn)略的高端技術(shù)技能人才培養(yǎng)研究——以高職電氣類專業(yè)學(xué)生為例”(GHYB160232)。

肖 朋(1984- )，男，講師，碩士，從事電機(jī)與拖動(dòng)和電力系統(tǒng)供配電研究。