超高壓變壓器非理想運行條件下匝間段間電場分布研究

郭志楠，包　蕊，黃福存，隋東硼，郭　鐵

(1.遼寧東科電力有限公司，遼寧　沈陽　110179；2.國網遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧　沈陽　110006)

1　引言

電力變壓器作為電力系統中重要的電氣設備，對電網的安全可靠運行至關重要。變壓器的匝間段間絕緣故障是變壓器常見突發性故障之一，對變壓器的安全運行構成了威脅。特別是對特高壓變壓器，高壓繞組結構復雜，對設計水平和生產工藝要求都很高，匝間段間故障情況時有發生，給電網及國民經濟帶來較大的損失。通常，電場計算考慮的都是理想運行條件。事實上，變壓器在運行過程中，繞組段間和匝間會伴有油中帶異物、線匝受力變形和絕緣破損等非理想情況發生，這些情況都會對繞組匝間段間絕緣介質的電場產生惡劣的影響。因此，對特高壓變壓器匝間段間非理想運行條件下的電場分布進行詳盡分析、歸納十分必要。

以1臺常規結構500 kV電壓等級的變壓器為例，對其工頻試驗狀態下高壓繞組中部內屏結構線段的電場進行計算，得到高壓繞組內屏線段的電場分布。在此基礎上對常見的3種非理想運行條件，即段間有異物、繞組線匝變形和線匝絕緣損壞下的高壓繞組內屏線段匝間段間電場進行了詳細仿真分析。總結了各種非理想情況對內屏繞組匝間段間電場的影響程度。可為變壓器的產品設計和工藝設計提供一定參考，進而降低匝間段間絕緣故障幾率，減少變壓器匝間段間故障給電網帶來的損失。

2　理想情況下變壓器高壓繞組中部電場分布

以1臺電壓等級為500 kV三繞組自耦變壓器為例，高壓繞組中部為內屏連續式結構，中部進線，對高壓繞組中部實際情況建模，計算工頻感應耐壓試驗狀態下的電場分布。工頻感應耐壓試驗接線如圖1所示，工頻試驗時高壓首端電位達680 kV。此高壓繞組中部線匝線號排布如圖2所示。高壓繞組首端跨四段屏，工作線匝與其對應屏線的電位分布如圖3所示。

圖1　500 kV變壓器感應耐壓試驗接線

圖2　高壓首端線匝排布

圖3　高壓首端導線電位分布

高壓繞組中部匝間段間電場云圖如圖4所示，最大場強為3.2 kV/mm，位于工作線匝與相鄰屏線間形成的楔角油隙中。段間油道中的最大場強為2.09 kV/mm，位于11、18號屏線之間，因為此處電位差最大，為5倍的工作線匝段電位。

通過高壓繞組中部內屏線段匝間段間電場計算，可確定高壓繞組內屏線段匝間段間非理想運行條件下電場分布的研究重點：工作線匝與其屏線形成的楔角中油的最大場強和第11、18號屏線段間油的最大場強。

圖4　高壓繞組中部匝間電場分布

3　匝間段間非理想運行條件電場分析

在變壓器匝間段間理想狀態電場計算的基礎上，模擬變壓器運行過程中，繞組匝間段間油中帶異物、線匝受力變形和絕緣破損等非理想情況，對這些非理想情況匝間段間電場進行計算，并與理想情況時的電場計算結果進行對比，估算各種非理想情況對兩處重點關注部位電場的影響程度。

所有非理想運行條件下的模型分析都以2.45 mm匝絕緣，6 mm油道的內屏線段為基礎模型，在此基礎上進行模型的非理想情況變化。基礎模型在理想運行狀態下的電場分布如圖4所示，所重點關注的兩處場強：工作線匝與其屏線形成的楔角中油的最大場強為3.2 kV/mm；段間兩屏線間油中最大場強為2.09 kV/mm。

3.1　段間異物對電場的影響

3.1.1異物為金屬屑

假定金屬屑為尖形的，金屬屑尺寸如圖5所示，并假設異物位于第11、18號屏蔽線段間。分別計算金屬屑豎放和橫放于段間兩種情況的電場，電場分布云圖分別如圖6和圖7所示。兩種情況下，油中各處的最大場強如表1所示。對比同等條件理想狀態下的計算結果，發現當金屬屑豎放時，其尖端附近油中最大場強比段間油中最大場強增加了98%，工作線匝與屏線間形成的楔角中油的電場強度變化不大；而金屬屑橫放時，對兩處電場最大值影響都不大。因此，只研究金屬屑豎直放于屏線段中間時，其高度變化對段間油最大場強的影響即可。

圖5　金屬屑尺寸(mm)

圖6　金屬屑豎放于段間時電場分布

圖7　金屬屑橫放于段間時電場分布

表1　金屬屑位置不同時各位置最大場強kV/mm

當豎放金屬屑高度為5 mm、4 mm和3 mm時，第11、18號屏線間電場分布分別如圖6、圖8和圖9所示。豎放金屬屑高度變化時,各位置最大場強如表2所示。從表2可以看出，金屬屑高度的變化主要對段間油中最大場強產生影響，段間油中最大場強會隨著金屬屑高度的減小而減小；對楔角內匝間電場沒有影響。段間最大場強隨金屬屑高度變化曲線如圖10所示，段間最大場強增加百分數隨金屬高度變化曲線如圖11所示。

圖8　金屬屑高4 mm時電場分布

圖9　金屬屑高3 mm時電場分布

項別金屬屑高度5 mm4 mm3 mm工作線匝與屏線間楔角油中最大場強/(kV·mm-1)3.23.23.21屏線段間油中最大場強/(kV·mm-1)4.153.412.79段間無異物時油中最大場強/(kV·mm-1)2.092.092.09段間油中最大場強增加百分數/%98.650.233.5

圖10　段間最大場強隨金屬高度變化曲線

圖11　段間最大場強增加百分數隨金屬高度變化曲線

3.1.2異物是木屑

假定木屑形狀為等邊三角形，邊長為2 mm，并假設異物位于第11、18號線屏線段間，分別計算木屑位于兩段中間和位于線餅邊緣兩種情況的電場，電場分布分別如圖12和圖13所示。

兩種情況下，匝間段間各處的絕緣介質的最大場強如表3所示。可以看到，當段間不同位置有小木屑出現時，對匝間油中電場及段間油中電場的場強影響較小。因此，不對木屑尺寸變化對電場的影響進行進一步研究。

圖12　木屑位于段中部時電場分布

圖13　木屑位于段邊緣時電場分布

表3　木屑位置變化時各位置最大場強kV/mm

3.1.3異物是氣泡

假定氣泡為球形，半徑為1 mm，位于第11、18號線屏線段間。計算氣泡位于兩段中間和位于線段邊緣兩種情況的電場，電場分布分別如圖14和圖15所示。

兩種情況線段間各處絕緣介質的最大場強如表4所示。當線段中間位置有氣泡出現時，對匝間楔角中油的電場及段間油的電場影響較小，但是氣泡作為絕緣介質，本身的電場強度卻可能超過自身的局放場強，引起局部放電，甚至擊穿；當氣泡飄到線匝附近時，段間油中的最大場強和氣泡本身的場強都有所增加，更加危險。因此，只研究當氣泡飄到線匝位置時，匝間、段間油中及氣泡內最大場強隨氣泡尺寸的變化規律即可。

氣泡半徑分別為0.5 mm、1 mm和2 mm時，段間、匝間電場分布分別如圖16、圖15和圖17所示。可以看到，當氣泡飄到線匝邊緣時，氣泡尺寸的變化對楔角內場強和氣泡內最大場強影響不大，對段間油中最大場強有一定影響，具體數據見表5。

圖14　氣泡位于段中部時電場分布

圖15　氣泡位于段邊緣時電場分布

表4　氣泡位置變化時各位置最大場強kV/mm

圖16　氣泡半徑為0.5 mm時電場分布

圖17　氣泡半徑為2 mm時電場分布

表5　氣泡尺寸變化時各位置最大場強 kV/mm

段間油中最大場強隨氣泡半徑變化趨勢曲線如圖18所示。

圖18　段間油中最大場強隨氣泡尺寸變化曲線

3.2　線匝變形對電場的影響

變壓器運行過程中，線圈受到電動力的作用，或者在運輸、安裝過程中受到的意外沖撞都可能引起線匝的變形。從變壓器匝間段間電場計算的角度考慮，線匝擠壓變形最嚴重的情況就是段間線匝相碰。需要分別計算電位差最大的屏線間相碰及工作線匝相碰時的電場分布。

3.2.1段間屏線變形相碰

以2.45 mm匝絕緣、6 mm油道的線段排列為基礎計算模型，假設電位差最大的兩屏線段，即第11、18匝屏線間相碰，之前計算這兩線匝間的段電位差為工作線匝段電位的5倍。計算后電場分布如圖19所示。

圖19　屏線變形電場分布

從圖19可以看到，油中最大場強位置為兩屏線相接處，為5.9 kV/mm，比同等條件下正常運行時同位置油中場強增加了181%。變形的屏線與工作線匝，即第18匝工作線與其屏線間形成的楔角中油的最大場強為4.12 kV/mm，同比增加了29%。

3.2.2工作線匝變形相碰

盡管工作線匝的段間電位差最大僅為2倍的段電位差，但工作線匝的絕緣比屏線絕緣薄很多，因此，同樣要考核一下工作線匝變形對電場的影響。以第8、21匝間的段間為研究對象，此段間電位為2倍的段電位差，計算后電場分布如圖20所示。兩線相接處油中最大場強為5.25 kV/mm，比正常運行時第8、21匝的段間油中最大場強高出313%。

圖20　工作線匝變形電場分布

3.3　絕緣損壞對電場的影響

由于生產制造、持續過負荷、大氣過電壓、老化等原因，可能造成變壓器繞組絕緣部分損壞。絕緣損壞肯定會造成局部場強的增加，甚至是激增。從匝間電場計算的角度考慮，損壞最嚴重的情況就是線匝局部裸電極，因此只需研究電位差最大的屏線局部裸電極時的段間電場變化即可。以下假設第18匝屏線局部裸電極，對兩種線規的段間電場進行計算。

以2.45 mm匝絕緣、6 mm油道的線段排列為基礎計算模型，假定18號屏線上部部分裸電極，計算后的電場分布如圖21所示。屏線裸電極處油中最大場強為7.6 kV/mm，比帶絕緣時絕緣表面油中最大場強高出262%。

圖21　屏線部分裸電極的電場分布

4　結論

變壓器正常運行時，可能伴有油中異物、繞組絕緣變形和繞組絕緣破壞3種常見的非理想狀態。由以上各種情況匝間段間電場分布的分析計算，可得出以下幾點結論。

a. 在變壓器段間有異物時，要特別注意兩種異物的存在：金屬屑和氣泡。帶尖的金屬屑在尖部豎放于段間時，危害較大，且此時變壓器段間金屬屑附近油中最大場強會變大，會隨著豎放金屬屑高度的增加而增加；當氣泡位于線段邊緣時，會使段間油中最大場強增加，并且會隨著氣泡直徑的增加而增大，氣泡本身的電場強度值也會超出自身的擊穿場強，會引起局部放電，甚至擊穿，此種情況最為嚴重。三角形小木屑存在于段間時，對油中最大場強影響不大，但小木屑作為雜質，在油中易形成小橋，引起局部放電。

b. 當線匝變形較為嚴重時，即段間電位差最大的屏線或工作線匝相碰，都會使油中最大場強較大增加，對段間匝間絕緣構成威脅。

c. 當局部線匝損壞最為嚴重時，即電位差最大處線匝局部絕緣消失，此時裸電極處油中最大場強增加較為嚴重，要比線匝變形后果嚴重，有局放可能。