換流變壓器電場強度的分析與仿真研究

廣州西門子能源變壓器有限公司 劉 璐

1 引言

在市場經濟發展中，我國對電力能源需求持續增大，直流工程項目數量逐年上漲，并且容量從最初的8G W到當前最高的12GW，電壓也從最初的±500kV 到最高的±1100kV，促使我國電力事業取得了巨大成就[1]。換流變壓器是直流工程中的關鍵設備之一，其安全穩定性直接關乎直流線路的輸電穩定性，而電場強度分析是換流變壓器設計的研究重點[2]。和以往變壓器同軸圓柱電場分析比較，變壓器線圈出線區域電場更為復雜，更加需要對其電場進行仿真分析。

當前，我國換流變壓器產品有很多，更多使用西門子、ABB 兩項技術，但是隨著換流變壓器市場需求增多，很多研發企業都在加強技術合作，促使更多研發企業具備了換流變壓器設計生產能力。如，沈變、保變等，都有很強的獨立自主研發生產能力。并且，現階段兩種技術都屬于高端產品，采用鐵心向外方式形成，由調壓繞組—網側繞組—閥側繞組三個部分組成，然而低端產品雖然也使用了鐵心向外方式，但是在構成上由鐵心—閥側繞組—網側繞組組成。針對低端換流變壓器而言，閥側繞組內部結構和引線區域在連接上，采用了非常特色的彎折形狀結構。從以往期間研究分析，更多對整體電場強度進行研究，并沒有對引線區域各個組成部分進行電場研究，導致現有仿真難以滿足工程設計要求[3]。

本文以某輸電工程使用的西門子換流變壓器產品為例，通過使用2D 有限元電場仿真方法對換流變壓器的引線區域研究分析，主要是對引線垂直區域的俯視圖進行仿真計算，并且也對工程經典解釋公式方法進行使用，對仿真結果進行對比，從而說明工程設計中可以使用解析方法對引線垂直區域進行計算；也使用3D 有限元電場仿真方法對引線彎折區域的電場仿真，通過使用2D 引線彎折旋轉模型對3D電場仿真結果進行計算的新方法，以此增強電場仿真設計效率。因此，應該對引線區域進行明確分析，分區域進行電場仿真研究，有效保障工程設計的科學合理性，更好為人民群眾提供安全穩定的供電服務。

2 閥側出線垂直區域電場分析

2.1 經典電場解析方法

以某輸電工程具體使用的產品為例，從鐵心沿著外側區域進行繞組，其形成閥側繞組、網測繞組、調壓繞組三種形狀，并且閥側引線需要放置在閥側繞組的頂部，通過對引線區域有效劃分，包括垂直部分、彎折部分[4]。閥側繞組剖面如圖1所示。在垂直部分中，閥側引線位置可以對圓柱進行不同大小的仿真模型。

圖1 閥側繞組剖面

依托高斯定理對其進行推導，能夠得到電場強度分析的計算式：

式（1）～式（4）中：R1是第一個圓柱電極的半徑；R2是第二個圓柱電極的半徑；D 是兩個圓柱電極間的最近距離。

閥側引線垂直部分電場分布和其具備的屏蔽大小、鐵心尺寸、線圈長度等都有著密切關系。針對相同繞組而言，電場形狀基本上都呈現出同心圓柱電場，因內外部繞組間存在介質材料不同，促使電場強度主要體現在油中，這就需要對介質距離進行計算，從而得到等值油隙。并且，受到電極形狀影響，也可以對不同位置的油隙進行計算，從而得到各處的電場強度。因此，通過對經典電場解析方法使用，是可以對閥側引線垂直部分電場進行仿真模擬，從而可以得到電場分布情況，以此對換流變壓器使用的穩定程度進行判斷。在這種計算方式中，基本上也不會對換流變壓器產生影響，但是能夠對設計方法進行判斷，也可以提出優化調整的合理思路，以此能夠保障換流變壓器運行的穩定性。

2.2 2D 電場分析方法

針對閥側繞組剖面電場仿真模型應當使用electro 邊界元電場仿真軟件進行研究計算。為確保模型更為直觀，本文在研究過程中，將face 閥側繞組各個部分進行綜合考慮，分別建立模型。整個模型進行俯視如圖2所示。

圖2 垂直部分電場強度俯視

根據該仿真軟件分析中，需要對電氣屬性數據進行收集，并且對不同部分的介電常數進行明確。從具體而言，銅材料相對介電常數為1.0；變壓器油相對介電常數為2.22；絕緣紙相對介電常數為3.2；絕緣紙板相對介電常數為4.0；層壓紙板相對介電常數為4.4。通過對2D 模型仿真進行研究分析，需要對邊界條件進行合理設置。本文在研究中，主要對閥側引線區域的電場進行分析。為更好讓模型體現出直觀性，促使其結語清晰，也為更好呈現出閥側引線電位及電場分析的具體情況，結合當前正在使用的產品數據和設計思路，并且將電位設置623.6kV，鐵心及電位數值是0，在仿真模擬后得到相對準確的數值。通過對等位線分布分析，發現等位線主要集中于閥側引線區域，也在電極半徑小的位置集中分布。再從電場強度能夠發現整個其全部處于油孔隙位置，這滿足電場強度分布和相對介電常數的設計理論，充分證明仿真結果屬于實際。

通過對仿真結果分析后，發現仿真法和解析法最大誤差只有2.5%，兩者在油隙數值上也非常接近。通過對其進行進一步分析，發現二者變化過程趨勢相同，在油隙位置持續更改過程中，二者也會進行相應的變化。通過對二者誤差及變化趨勢特點分析，在閥側引線垂直部分的電場評估中，解析法和仿真法結果有著高度相似度，都可以符合輸電工程設計的精確性要求。因此，在換流變壓器中的閥側引線垂直區域檢測中，還需要對電場強度進行檢測，才能判斷換流變壓器的使用情況。這兩種仿真分析方法，都可以對閥側引線垂直區域的電場強度進行確定，也可以對分布范圍進行明確，從而判斷換流變壓器運行的穩定性?；谶@種情況下，兩種方式在現階段使用過程中，依舊存在部分問題，很容易造成仿真結果不準確，對換流變壓器設計及應用產生重大影響，這就需要設計出更能得到準確結果的仿真方法，以此實現換流變壓器中的閥側引線運行穩定。

3 閥側出線彎折區域電場分析

3.1 彎折區域3D 電場仿真

閥側繞組出現區域中，彎折部分電場來電源于引線彎折導致的，因電極形狀本身是不規律的，電場分布非常復雜，促使其成為輸電工程的重點。對圖1所示部分的彎折部分進行電場仿真，并且在輸電工程中使用3D 電場仿真軟件進行分析。通過該軟件應用后，對有限元計算可以將2D、3D 仿真過程進行區分，并且在求解過程中使用到靜態、時諧、暫態等方式。一般情況下，3D 仿真模擬時間長，為更好提升求解效率，應當使用eleenet 構建全部模型的25%，有利于將其網測部分直觀呈現。為更好對彎折部分的電場強度進行明確，需要構建針對性的3D 模型進行電場仿真計算。結合仿真模型建立中，應當對其進行分部分進行模擬，選擇出左側柱剖面電場進行分析，能夠得到彎折部分電場強度是6.7kV/mm。

3.2 彎折區域2D 模擬方法

3D 模型需構建是對彎折部分電場強度計算的有效方法。但是，這種計算過程也存在諸多問題，如模型構建需要很長時間，計算量非常大，也需要很長時間才能得到結算結果。本文在研究過程中，找出了新的計算方式，借助2D 模型對彎折區域進行電場強度計算，促使其計算結果不斷靠近3D 模型計算結果。為更好保障這兩種計算方式的真實可靠性，應當在2D 模型建立中，選出相同引線區域的彎折部分，以此提升計算結果的可比性。在研究過程中，針對所選擇的彎折部分，需要對其取出45%剖面，再將所選擇剖面位置沿著引線區域的彎折半徑順時針旋轉，并且對旋轉后得到的2D 模型電場強度進行仿真計算，從而可以得到電場分布云圖，如圖3所示。

通過電場分布云圖進行觀察，能夠發現2D 模型中反映出的電場強度是622.1kV/mm，比3D 模型電場強度要小1.5kV/mm，二者相差達到-0.24%。在輸電過程中，該誤差是在正常范圍內，從另外一個方面而言，使用2D 模型旋轉后對彎折區域的電場強度進行測試，是可以非常接近3D 模型計算結果的，這對工程應用是可行的。因此，應當將這種電場仿真分析方法，盡快應用到具體工程中，有效提升工程設計效率，也能更好滿足當前的電力建設需求。

4 結語

本文通過對某輸電工程具體應用換流變壓器閥側繞組出線為例，通過對閥側引線進行科學合理分區，并且對電場仿真分析，借助二維電場有限元仿真軟件對引線區域的垂直部分的俯視圖進行仿真計算，也使用了工程中應用的解析法和仿真法進行對比，充分說明利用解析法對換流變壓器閥側繞組引線區域的電場強度評估是符合工程設計需求的；使用三維電場有限元仿真軟件對換流變壓器閥側繞組引線區域的垂直部分進行電場強度仿真，設計出利用二維電場有限元仿真軟件對彎折區域旋轉后分析的方法，能夠讓其電場強度計算結果和三維有限元仿真軟件結果接近，有效提升輸電工程電場仿真設計效率和效果。

針對換流變壓器閥側繞組引線區域垂直部分的電場強度仿真，使用經典法計算和二維電場有限元仿真軟件得到的俯視圖結果是相同的，誤差基本上沒有大于3%。因此，針對換流變壓器閥側繞組引線區域垂直部分的電場強度仿真，使用經典法也是可以較好滿足輸電工程設計需求，并且精確度也符合要求。對于換流變壓器閥側繞組引線區域垂直部分的電場強度仿真，通過使用2D 俯視圖二維彎折旋轉后得到的結果和三維仿真結果保持一致，二者誤差不超過-0.24%，這充分證明2D 俯視圖二維彎折旋轉模型是真實可靠的?；谘芯拷Y果而言，加上輸電工程項目增多，應當將彎折區域2D 模擬方法更快在輸電工程上應用，既可以滿足輸電工程設計的要求，也可以提升我國輸電工程建設水平。