超高壓電力變壓器縱絕緣電場分布計算與分析

劉飛達 馬嬙

摘要：絕緣故障是變壓器最主要的問題，改進變壓器的絕緣結構，提升絕緣能力是設計過程中的首要任務。故開展大型電力變壓器絕緣電場分析確定絕緣結構設計中電場強度的分布并且進行絕緣結構的設計優化，對輸變電系統的可靠運行和提高變壓器經濟指標具有重要理論意義。

關鍵詞：變壓器；主絕緣；電場強度；絕緣裕度

隨著國民經濟的快速發展及國內用電量的大幅增漲，國內外變壓器技術發展迅猛，容量也快速增長，目前可達到1000MVA以上[1]，電壓等級也隨之快速提高，變壓器在數量和類別上也有明顯得提升。針對變壓器縱絕緣電場，本文基于變壓器繞組波過程計算的研究情況，建立了簡化的繞組模型和等值電路，合理地提取了電感和電容等參數，進行了雷電過電壓作用下波過程計算，得到了變壓器繞組電位及梯度分布，計算絕緣欲度找出絕緣薄弱點，為工程設計提供了理論依據。對變壓器絕緣設計具有一定的指導意義。

1.變壓器線圈等值電路

要想分析清楚繞組整個波過程，首先需要做的就是弄清楚變壓器繞組的等值電路。這個等值電路實際上包含了電容、電感以及電阻等元件，是一個非常復雜的網絡。實際上由于繞組匝間及繞組對地產生的分布電容是比較小的，影響也是能夠忽略的。但是，一旦處于雷電沖擊電壓或者其它高頻電壓的激勵作用之下，整個變壓器繞組的等值電路就會轉變的非常復雜，一定要綜合考慮電感、電容以及電阻等元件之間的影響作用。我們以連續式繞組當作例子，其等值電路如圖1.1所示。

L0為線圈的單元電感，整體表現出線圈存儲的磁場能量特性。

C0為相鄰線圈匝間電容，K0為相鄰餅間電容，他們都屬于縱向電容的范疇。

C10為線圈對地的電容，C20為繞組對油箱的電容，他們同樣都是屬于輻向電容的范疇。

沖擊電壓波可以看作是一個等值且頻率的波峰的最大值較大，由于沖擊波的作用，繞組成了一個復雜的網絡。沖擊波開始運行的那一刻，這時電容其主要作用，隨之沖擊波作用過程的發展，電容、電感和電阻同時作用，當頻率降到足夠低，這時沖擊波對繞組的作用由電感決定[2]。

通過沖及測量結果及計算分析表明，按繞組簡化等效電路分析變壓器的沖擊特性是可行的。

2. 波過程計算結果及分析

目前，對變壓器繞組沖擊電壓分布的計算是一個難題，它也是變壓器產品的絕緣結構設計中十分關鍵的一個步驟，沖擊電壓分布的電位最大值對主絕緣具有決定作用，縱絕緣也會受最大梯度的影響。

沖擊電壓分布計算對確定變壓器產品的主縱絕緣結構非常重要。本文以SFP-370000/500產品結構為例進行波過程計算。高壓繞組為內屏連續式結構采用換位導線結構，低壓繞組為雙層螺旋式結構采用網包換位導線。以高壓繞組上半柱全波電位與梯度計算結果為例進行顯示，如圖2.1。

通過計算結果可知，不論是全波還是截波，它們在繞組上的分布的共同點是都是非線性的，它們的起始端的電位變化迅速，梯度從起始端到尾端逐漸減小，全波存在震蕩現象。從計算數據可知，全波時最大梯度出現屏蔽段處，電位梯度值是6.14%。該油道降落的電壓為95.2kV，油道的大小是6mm。截波時電位最大梯度仍然出現在屏蔽端，梯度值達到6.17%。該油道降落的電壓為103.3kV。結合工程實踐及軟件校核標準，以上數值均能夠滿足設計要求。

通過同樣方法對低壓繞組波過程進行計算，可以得出低壓繞組中部線餅之間電位最高。中間向兩端逐漸減小，直至為零，其在分布上是均勻的，全波的最大梯度為1.4 %，絕緣裕度更大。

通過以上對高壓繞組和低壓繞組的分析來看，就繞組絕緣性的角度考慮，截波和全波的關注重點都應該集中在高壓繞組上。

3.結語

本章介紹了變壓器線圈的等值電路原理，主要工作在分析變壓器中的繞組，對其開展了波程計算，計算了變壓器高繞組及低繞組在雷電沖擊的影響下的電壓分布情況，考慮到軟件及工程實踐，所得到的安全裕度是符合設計標準的。相較于高壓繞組而言，低壓繞組的絕緣裕度更高，不用著重考慮，類似產品設計時在縱絕緣方面需要重點考核的是高壓繞組。

參考文獻

[1] 謝毓城.電力變壓器手冊[M].北京：機械工業出版社，2009.

[2] 呂曉德.各向異性非線性直流電場數值算法研究[J].電工技術學報，1998，13（4）：60-64.

（作者單位：特變電工沈陽變壓器集團有限公司）