絕緣材料電氣性能對換流變壓器電場影響的仿真研究

劉貫華

（深圳鵬城技師學院，廣東深圳 518000）

換流器（Converter）是高壓大容量整流器（Rectifier）和逆變器（Inverter）的統(tǒng)稱，在輸變電工程中，換流器一般用于將大負荷直流電和大負荷交流電相互轉化[1-2]。其主要用途有兩種：20～100 MⅤA的小容量換流器一般用于光伏發(fā)電廠的并網系統(tǒng)，將光伏發(fā)電廠產生的直流電電能變換為交流電輸出，此時一般只用到換流器的逆變器功能；更大容量的換流器一般用于特高壓直流輸電場景，直流輸電線路起始端布置整流器將三相交流電轉化為直流電，在終止端布置逆變器將直流電轉化為交流電[3-4]。

家用電器及小負荷設備中也會使用到換流器，其中多用半導體電路元件實現交直流轉化，但大容量特高壓換流器系統(tǒng)中，用到大量的高壓線圈設備和高壓電容器設備，其體積較大，內部使用絕緣油紙實現絕緣功能[5-6]。早期技術條件下多針對功能實現方向進行相關研究，設備體積較大，絕緣電氣材料冗余度較高，難免發(fā)生內部微電弧擊穿現象，所以導致設備工作溫度高、絕緣油變性快、設備維護周期短、設備維護成本高等諸多問題[7]。且特高壓直流輸電相關設備的國內創(chuàng)新研究已經進入深水區(qū)，缺少國外的可借鑒經驗[8]。

該研究針對上述問題，對特高壓換流器中絕緣材料的電氣性能進行仿真研究，尋求其技術革新方向。

1 電氣絕緣材料在換流器中的應用技術特征

在特高壓輸電系統(tǒng)中，剖析某±500kⅤ特高壓輸電線路兩側換流器的內部結構，發(fā)現其每側使用6臺電抗器（用作交流濾波器、直流平波電抗器、直流濾波器等回路）、2臺電容器（用作直流濾波回路）、2套換流晶閘閥組等構成換流器。即可認為，實際使用到油紙絕緣電氣構件的換流器子系統(tǒng)，為變壓器繞組、電抗器繞組以及高壓電容器中，所以分析電氣絕緣材料中的油紙絕緣電氣性能，其技術本質為分析特高壓輸電設施中的繞組設備、電容器設備內的油紙絕緣材料電氣性能。上述換流器設備電氣邏輯結構如圖1所示。

圖1 換流器中的電氣子設備布局圖Fig.1 Layout of electrical sub equipment in converter

圖1 中，繞組型設備的實際做功過程為鐵芯電場交變過程，而電容器也可能產生一定程度電場變化，但因為電容器安裝在直流濾波回路中，其電場變化并不典型，所以受制于篇幅，本文中不展開論述。該研究針對換流器中變壓器繞組的電場變化趨勢進行展開分析[9]。

與傳統(tǒng)變壓器分為高中低電壓等級的三線圈變壓器不同，換流器中兩臺變壓器分別按照Δ-Δ模式和Δ-Y模式進行接線，均為雙線圈布局，分為網側線圈連接交流網絡換流母線、閥側線圈連接換流閘閥組。該變壓器的絕緣結構如圖2所示。

圖2 變壓器繞組絕緣系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of transformer winding insulation system

圖2 中：1為網側繞組；2為閥側繞組；3為網側繞組靜電環(huán)；4為閥側繞組靜電環(huán)；5為線圈成型角環(huán)；6為多層絕緣油紙紙筒；其中，中心柱、鐵芯等給定零電位時，屬于強加一類邊界條件，下邊界點位對法向矢量的偏微分計算結果為0值，屬于二類邊界條件。根據《交流變壓器電氣工業(yè)標準》（GB/T 18494-2014）計算該變壓器的極性翻轉電壓，得到公式（1）：

式（1）中： 為閥側繞組的最大相間交流工作電壓，單位為kⅤ； 為每個換流閘閥承載的最大直流電壓，單位為kⅤ；N為從直流線路的中性點到變壓器之間的整流橋數量；以下仿真計算從該電壓級別基礎上展開。

2 仿真計算與結果分析

相關文獻表明，換流變壓器中的交流電場分布特征與絕緣紙板+絕緣油形成的油紙絕緣機構的介電常數有關，直流穩(wěn)態(tài)電場的分布特征與上述油紙絕緣機構的電導率有關，換流變壓器受到交流電場和直流電場的同時作用，所以需要對其介電常數和電導率進行同步分析[10-11]。

該研究采用頻域介電譜法（Frequency Domain Spectroscopy，FDS）進行仿真分析，仿真環(huán)境為電力仿真分析平臺軟件（Computer Aided Engineering，CAE）環(huán)境下加載Simulink有限元控件，在該有限元控件上搭建并運行FDS模型。其電網系統(tǒng)構成模式如前文圖1所示，換流變壓器油紙絕緣系統(tǒng)構成模式如前文圖2所示。在FDS模型下，利用寬頻介電阻抗仿真模塊測定不同條件下的絕緣油紙系統(tǒng)的相關參數表現，環(huán)境溫度設定在40～120 ℃。

仿真結果中，不同溫度-頻率條件下的絕緣紙電導率變化情況見表1。

表1 不同溫度-頻率條件下的絕緣紙電導率變化仿真結果（單位：S/m）Table 1 Simulation results of conductivity change of insulating paper under diff erent temperature frequency conditions (unit: S/m)

表1 中，油紙絕緣構件中絕緣紙電導率在相同頻率條件下，隨著溫度升高，其電導率顯著升高，80℃溫差條件下，電導率變化率約為40～50倍關系，而在相同溫度條件下，隨著頻率降低，其電導率顯著降低，頻率差距約為5個數量級的條件下，電導率變化約為4～5個數量級。實際運行在50Hz工況條件下，當結構溫度為40℃時，其電導率約為1.19×10-10S/m，當結構溫度在120℃時，其電導率約為1.97×10-9S/m。

仿真結果中，不同溫度-頻率條件下的絕緣油電導率變化情況見表2。

表2 不同溫度-頻率條件下的絕緣油電導率變化仿真結果（單位：S/m）Table 2 simulation results of insulation oil conductivity change under different temperature frequency conditions (unit: S/m)

表2 中，油紙絕緣構件中絕緣油電導率在相同頻率條件下，隨著溫度升高，其電導率顯著升高，80℃溫差條件下，電導率變化率約為40～50倍關系，而在相同溫度條件下，隨著頻率降低，其電導率顯著降低，頻率差距約為5個數量級的條件下，電導率變化約為5～6個數量級。可見絕緣油電導率變化趨勢，在頻率恒定條件下的不同溫度中變化幅度與絕緣紙相當，但在恒定溫度條件下的不同頻率下，其變化幅度大于絕緣紙。

同等仿真條件下，對絕緣紙的介電常數進行仿真測試，結果如表3，對絕緣油的介電常數進行仿真測試，結果見表4。

表3 不同溫度-頻率條件下的絕緣紙介電常數變化仿真結果Table 3 Simulation results of dielectric constant change of insulating paper under diff erent temperature frequency conditions

表3 中，不同溫度-頻率條件下絕緣紙介電常數基本穩(wěn)定不變，均值與標準差約為4.41±0.06，可以認定絕緣紙介電常數穩(wěn)定在4.4。

表4 不同溫度-頻率條件下的絕緣油介電常數變化仿真結果Table 4 Simulation results of dielectric constant change of insulating oil under different temperature frequency conditions

表4 中，不同溫度-頻率條件下絕緣油介電常數基本穩(wěn)定不變，均值與標準差約為2.29±0.04，可以認定絕緣紙介電常數穩(wěn)定在2.3。

相關文獻論研究表明，極性翻轉條件下油紙絕緣構件中的電場強度達到極限，因為該過程面臨的電磁學條件較為復雜，所以必須采用有限元分析工具對其各點電場強度進行分析。在與上述分析環(huán)境相同的配置條件下得到換流變壓器中的實測電場強度變化值，見表5。

表 5 不同溫度-頻率條件下的電場強度變化仿真結果(單位：kV/mm)Table 5 Simulation results of electric f ield intensity change underdiff erent temperature frequency conditions (unit: kV / mm)

表5 中，隨著頻率和溫度的增加，換流變壓器中的電場強度隨之增加，且頻率與溫度數值越高，其增加幅度越快。當頻率超過105Hz或溫度超過120℃時，其頻率增加幅度顯著提升。

與此同時，因為前文分析中，隨著電流頻率與溫度上升，其電導率快速上升，介電常數雖然趨于穩(wěn)定，也有一定的緩慢上升趨勢，所以，隨著頻率和溫度增加帶來的設備內電場強度增加，其絕緣性能也快速下降，此時容易發(fā)生擊穿系數。所以，實際運行控制中，利用綜合保護設施防止高頻雜波同時嚴控設備運行時的結構溫度，是確保換流變壓器安全運行的重要目標。以此類推，對其他高壓電抗器繞組設備和高壓電容器的絕緣性能控制中，也應該控制器運行時的結構溫度，防止產生高頻雜波。

3 總結

以換流器中結構較復雜的換流變壓器為仿真對象，研究換流器中油紙絕緣構件的絕緣能力，發(fā)現換流器中高頻電壓雜波和設備運行結構高溫會同時帶來設備絕緣能力下降和內部電場強度增加的電磁學效應。所以認為在特高壓換流器運行過程中，應充分控制設備的高頻雜波并嚴格控制設備運行時的結構升溫過程。該研究對提升特高壓換流器運行控制和安全控制有積極意義。