溫度對換流變壓器套管絕緣性能的影響研究

南京電氣高壓套管有限公司 洪文杰

直流套管的作用包括保障電力安全、高效的電力輸送和電力分配。換流變壓器套管性能對保障換流變壓器穩定可靠的運行有關鍵作用。如果高壓直流套管發生故障，連接的高壓電氣設備的絕緣就會受到破壞。在嚴重的情況下，其他電氣設備可能會發生故障，從而導致停電事故。而套管內外溫差會影響其絕緣介質徑向電阻大小，進而導致直流電場、極性反轉電場畸變。因此，有必要深入研究溫度對換流變壓器套管電場分布的影響，這對保持其絕緣性能穩定意義重大。

1 溫度計算有限元分析

套管結構軸對稱，在分析其溫度影響時可以簡化為平面軸對稱問題。圖1 顯示了用于換流變壓器套管溫度分析的有限元模型。

圖1 換流變壓器套管溫度計算有限元模型

該模型使用與電場模型處理方法來獲取套管詳細信息。因為倒角不會影響熱量傳導，所以簡化部分小倒角以提高網格質量和計算精度。傳熱問題中還有一個“熱阻”，表示阻止傳熱的能力。單一介質中的熱阻越小，傳熱越容易，介質上的溫差也越小。熱阻與介質的導熱系數、傳熱距離有關。如果環氧樹脂與鋁箔的傳熱系數分別為λ1、λ2，環氧樹脂與鋁箔厚度分別為h1、h2，介質在熱回路中存在串聯關系，其等效熱阻為:

出于絕緣安全的考慮，換流變壓器套管從里到外都采用干燥的復合絕緣材料，主要部件包括中間導電桿、由環氧樹脂和皺紋紙制成的主要絕緣材料、鋁箔、SF6氣體、由硅橡膠和玻璃纖維、環氧樹脂制成的空心復合絕緣外套。套管法蘭以下部分浸入變壓器油中，上部用一定壓力的SF6氣體填充，外絕緣層由硅橡膠傘裙保護。其中套管在環氧樹脂浸紙的結構中使用了長3～8m的鋁箔阻隔層，長度從內部到外部逐漸減小，最內層連接導桿，最外層連接接地法蘭。鋁箔阻隔層厚為2×10-5m。套管中的環氧樹脂、鋁箔的等效熱阻為:

可以看出，鋁箔相較環氧樹脂具有更高的熱導率和更小的傳熱距離。介質串聯的等效熱阻為0.202 和環氧樹脂的等效熱阻0.2 相差很小。因此，鋁箔阻隔層的傳熱可忽略不計，直流套管溫度計算邊界條件如下：

（1）中心導桿以及出線端子根據給定的發熱計算值施加體積熱源，作為整個模型的能量源；

（2）套管絕緣介質中加載的介質損耗發熱；

（3）套管與空氣的散熱系數為14.5W/（m2·K）；

（4）試驗環境溫度取全年日平均最高溫度28℃，輻射系數為1；

（5）SF6氣體、導桿、氣體接觸的表面定義為一個輻射組，輻射系數為1；

（6）變壓器油固定溫度92℃。

（7）3750A 額定電流激勵

上述條件下，用柱坐標系。下方程表示

其中，λ 為導熱系數，qv表示單位體積熱量生成速率,r 表示芯體內徑，T 表示流體溫度，Z 表示體積比熱容。計算得到的套管穩態溫度分布如圖2 所示

圖2 換流變壓器套管穩態溫度分布

可以看出，盡管套管的中央導桿在軸向上產生相同的熱量，但是溫度值的分布卻非常不同。底部的溫度傳導給變壓器油，頂部的熱量傳導給空氣，而中心附近的溫度需要經由固體介質散發，這導致套管溫度分布總體趨勢是兩端的溫度都較低，中間溫度較高。最高溫度分布于環氧樹脂芯體的中間部位，其溫度可達最低溫度的1.73 倍，而環氧樹脂起主要絕緣作用，如果溫度升高將會嚴重影響其電阻率，進而引發電套管電場分布畸變，最終影響絕緣性能。將溫度梯度分布加載到電場的有限元模型中，可以得到不同的工作條件下，溫度梯度的影響下套管的電場分布，交流激勵電壓下套管的電場分布與介質的電阻率無關。因此，僅需要計算溫度梯度下的套管直流電場和極性反轉電場。

2 溫度對換流變壓器套管直流電場的影響

圖3

如圖3 所示，套管在直流電壓下的場強最大為9.837 kV/mm，位于均壓罩處。直流電場主要分布在環氧樹脂內部，中心導桿施加高電位，法蘭施加零電位，因此套管高場強集中于環氧樹脂內部，低強度磁場集中在環氧樹脂外部。隨著距中心導向桿的徑向距離增加，直流電場強度逐漸降低。由于不同絕緣材料的電阻率不同，絕緣介質交界面兩側的電場強度也不同，電場在交界處畸變。

受直流電壓影響，套管等電位線均勻分布，外部結構的等電位線比內部的等電位線更密。環氧樹脂的內部和外部之間的電勢差較大，即徑向電勢梯度較大。鋁箔阻隔作用使得等電位線均勻地分布在環氧樹脂內，鋁箔兩端等電位線發生明顯偏移。SF6氣體的電阻率大，在直流電壓作用下具有較大的電位降。

3 溫度對套管極性反轉電場的影響

在溫度梯度下，極性反轉過程中套管等電位線分布與常溫下大致相同。第一次極性反轉之前套管電場穩定，電場分布和直流電場一樣，電位集中在SF6氣體中。第一次極性反轉之后，電場不同于直流電場。SF6氣體電場集中度介于AC、DC 電場之間。在反轉過程中，由于自由電荷的弛豫作用，套管介電界面的場強發生了畸變，套管中的環氧樹脂和硅橡膠之間的界面出現等電位線封閉，但是，導桿附近的環氧樹脂、SF6氣體的溫度上升相對較高，等電位線密集度下降。傘裙處硅橡膠和周圍空氣的等電位線密集度上升。第二次極性反轉時的電勢分布類似于第一極性反轉的電勢分布。

對于具有不同電特性的絕緣材料，當極性相反時電場強度的特性有差異，而當極性反轉時，低電阻率的材料會出現峰值。但是某些材料在反轉后很長時間才能達到最大場強，而且該最大值是一個固定值。因此，極性反轉測試必須確保足夠長的觀察時間，以確保測試的可靠性。在溫度梯度下套管極性反轉的最大電場強度仍然出現在均壓罩外部。92min 時，即完成反轉的那一刻，選擇沿均壓罩外表面的路徑記錄常溫、溫度梯度下直流電場路徑上的電場分布。可以看出，在正常溫度和溫度梯度下，變壓器油中沿均壓罩的電場具有相同的分布趨勢，但在溫度梯度以下，均壓罩下部具有較高的峰值。

為了研究在極性反轉過程中溫度梯度對套管中不同介質電場的時變趨勢的影響（圖4），分析溫度梯度下A、B、C、D 不同位置兩次極性反轉前后電場強度的變化。

圖4

傘裙中部的硅橡膠、環氧樹脂分界面等位線發生閉合處各選取一個點，即A、B；環氧樹脂主絕緣下端與變壓器油接觸，兩種介質中分界面處各取一點，即C、D。A 點（硅橡膠傘裙）的峰值場強達到固定值的25.63 倍，大于常溫下的反轉電場。同時溫度梯度下，B、C 和D 點處的反轉電場都大于常溫下的反轉電場，這表明溫度對極性反轉場強的影響變大，畸變更嚴重。

4 結語

綜上所述，通過有限元分析計算溫度因素對套管內電場強度分布的影響。在溫度梯度下的直流電場中，絕緣層外邊緣附近的場強增加，并且周圍空氣中的最大電場強度超過參考值3.0 kV/mm，容易發生放電、閃絡。如果下雨或起霧，則很可能會沿表面閃絡。同時，溫度梯度影響下換流變壓器套管極性反轉兩者均大于室溫下的相應值，表明極性反轉的場強畸變在溫度梯度下變得嚴重，對于套管絕緣性能有較大影響。