摘要:根據(jù)1200KV變壓器高壓引線(xiàn)絕緣結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),分別建立了高壓引線(xiàn)拐彎部位電場(chǎng)、靠近高壓繞組的屏蔽引線(xiàn)電場(chǎng)和高壓套管均壓球電場(chǎng)的模型,并利用有限元方法進(jìn)行了二維平面和軸對(duì)稱(chēng)場(chǎng)的數(shù)值分析,為合理設(shè)計(jì)和確定1200KV變壓器高壓引線(xiàn)絕緣結(jié)構(gòu)提供了理論數(shù)據(jù)。
關(guān)鍵詞:變壓器 高壓引線(xiàn) 電場(chǎng) 數(shù)值分析
  引言

      技術(shù)頻道

      1200KV變壓器高壓引線(xiàn)絕緣電場(chǎng)的數(shù)值分析

      摘要:根據(jù)1200KV變壓器高壓引線(xiàn)絕緣結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),分別建立了高壓引線(xiàn)拐彎部位電場(chǎng)、靠近高壓繞組的屏蔽引線(xiàn)電場(chǎng)和高壓套管均壓球電場(chǎng)的模型,并利用有限元方法進(jìn)行了二維平面和軸對(duì)稱(chēng)場(chǎng)的數(shù)值分析,為合理設(shè)計(jì)和確定1200KV變壓器高壓引線(xiàn)絕緣結(jié)構(gòu)提供了理論數(shù)據(jù)。
      關(guān)鍵詞:變壓器 高壓引線(xiàn) 電場(chǎng) 數(shù)值分析
        引言
        隨著國(guó)內(nèi)外電力工業(yè)的發(fā)展,電站及發(fā)電設(shè)
        備的容量也在不斷增加,為了經(jīng)濟(jì)合理地利用能源,進(jìn)行遠(yuǎn)距離輸電已不可避免,在國(guó)外,美國(guó)、意大利、俄羅斯等國(guó)家百萬(wàn)伏級(jí)特高壓變壓器的研制已有近三十年的時(shí)間,并已具備生產(chǎn)能力和形成了百萬(wàn)伏級(jí)特高壓輸電線(xiàn)路,在國(guó)內(nèi),專(zhuān)家預(yù)測(cè)我國(guó)在本世紀(jì)有望出現(xiàn)百萬(wàn)伏級(jí)特高壓輸電線(xiàn)路,因此,進(jìn)行百萬(wàn)伏級(jí)變壓器的開(kāi)發(fā)研究十分必要。根據(jù)天威集團(tuán)公司并聯(lián)電抗器試驗(yàn)要求和未來(lái)技術(shù)發(fā)展情況,公司于1999年立項(xiàng)并開(kāi)始進(jìn)行百萬(wàn)伏級(jí)特高壓變壓器的研制工作,其中,1200KV高壓引線(xiàn)絕緣結(jié)構(gòu)的確定和絕緣電場(chǎng)分析是研究的關(guān)鍵內(nèi)容之一,因此,對(duì)于具有復(fù)雜的幾何形狀和三維復(fù)合絕緣結(jié)構(gòu)的高壓引出線(xiàn)系統(tǒng),在分析高壓引線(xiàn)結(jié)構(gòu)并合理簡(jiǎn)化的基礎(chǔ)上,建立工程上可求解的模型并進(jìn)行絕緣電場(chǎng)的數(shù)值分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化十分重要。
        1建立模型
        研制變壓器的高壓側(cè)施加交流工頻1390KV的電壓,高壓出線(xiàn)方式可以采取可卸式引出線(xiàn)結(jié)構(gòu)或直接式引出線(xiàn)結(jié)構(gòu)。本文針對(duì)前者建立模型和分析,如圖1為可卸式引出線(xiàn)典型結(jié)構(gòu)圖,由

        圖1高壓可卸式引線(xiàn)結(jié)構(gòu)示意圖
        圖可知,高壓引出線(xiàn)絕緣結(jié)構(gòu)的分析實(shí)際上是一個(gè)含有油、紙絕緣和金屬電極在內(nèi)的多介質(zhì)、復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)形狀的三維電場(chǎng)問(wèn)題,但在滿(mǎn)足工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求的前提下,為了減少計(jì)算工作量和縮短計(jì)算周期,對(duì)高壓引出線(xiàn)絕緣結(jié)構(gòu)的電場(chǎng)分析進(jìn)行合理簡(jiǎn)化十分必要,為此,作者分別建立了如下三個(gè)可求解的模型:
        (1)高壓引線(xiàn)拐彎部位的平面電場(chǎng)模型(下稱(chēng)模型1,圖1中APBCDEFGQHA區(qū)域);
        第一類(lèi)邊界條件:①邊界PB、BC、CD、DE、FG、GQ,電位為0.0kV;②高壓引線(xiàn)電極及套管均壓球,電位為1390kV;其余為二類(lèi)邊界條件.
        (2)靠近高壓繞組的屏蔽引線(xiàn)軸對(duì)稱(chēng)電場(chǎng)模型(下稱(chēng)模型2,圖1中APBCNMIA區(qū)域);
        第一類(lèi)邊界條件:①邊界PB、BC、CN,電位為0.0kV;②高壓引線(xiàn)電極,電位為1390kV;其余為二類(lèi)邊界條件.
        (3)高壓套管均壓球的軸對(duì)稱(chēng)電場(chǎng)模型(下稱(chēng)模型3,圖1中KLGOK區(qū)域);
        第一類(lèi)邊界條件:①邊界LG,電位為0.0kV;②高壓引線(xiàn)電極及套管均壓球,電位為1390kV,瓷套表面電位按線(xiàn)性分布考慮;其余為二類(lèi)邊界條件.
        2數(shù)值分析
        利用有限元方法,分別計(jì)算了高壓引線(xiàn)拐彎
        部位、靠近高壓繞組的屏蔽引線(xiàn)和高壓套管均壓球三個(gè)模型的電場(chǎng)分布。根據(jù)模型1可以確定高壓引出線(xiàn)結(jié)構(gòu)的電場(chǎng)整體分布近似解和電場(chǎng)較集中的發(fā)生部位;利用模型1的數(shù)值分析結(jié)果和模型2、模型3,可以給出局部電場(chǎng)集中部位較詳細(xì)的數(shù)值分析結(jié)果。
        2.1高壓引線(xiàn)拐彎部位平面電場(chǎng)模型的數(shù)值分析
        如圖2是高壓引線(xiàn)拐彎部位電場(chǎng)(含靠近高壓繞組的屏蔽引線(xiàn)部位)的等位線(xiàn)分布圖,計(jì)算

        圖2高壓引線(xiàn)拐彎部位電場(chǎng)(含屏蔽引線(xiàn))的等位線(xiàn)分布
        結(jié)果表明,在靠近高壓繞組的屏蔽引線(xiàn)部位和高壓套管均壓球部位的電場(chǎng)分布較集中,其局部最大電場(chǎng)強(qiáng)度發(fā)生位置分別在靠近高壓引線(xiàn)的屏蔽上下拐角部位和套管均壓球圓角部位,其最大電場(chǎng)強(qiáng)度值分別為8.42kV/mm和3.62kV/mm。
        2.2靠近高壓繞組的屏蔽引線(xiàn)軸對(duì)稱(chēng)電場(chǎng)模型的數(shù)值分析
        從圖1可知,靠近高壓繞組的屏蔽引線(xiàn)絕緣結(jié)構(gòu)具有軸對(duì)稱(chēng)性,因此,模型2較模型1更能準(zhǔn)確地反映實(shí)際的電場(chǎng)分布,為進(jìn)一步確認(rèn)兩種模型電場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果的數(shù)量關(guān)系,在相同的計(jì)算條件下,表1給出了模型1和模型2在相同位置電場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果的比較。從表中數(shù)據(jù)可知,雖然模型1和模型2在點(diǎn)1~點(diǎn)4的最大場(chǎng)強(qiáng)值接近,但平面場(chǎng)模型1的結(jié)果與同軸圓柱電場(chǎng)隨半徑增加而減小的關(guān)系不一致,因此,模型1不能給出靠近高壓繞組的屏蔽引線(xiàn)較準(zhǔn)確的電場(chǎng)分布結(jié)果。
      表1 模型1和模型2的電場(chǎng)強(qiáng)度結(jié)果比較(Kv/mm)
      位置   引線(xiàn)電極附近 屏蔽電極附近
              點(diǎn)1 點(diǎn)2 點(diǎn)3 點(diǎn)4


      模型1場(chǎng)強(qiáng)值 5.0 5.0 8.45 7.69
      模型2場(chǎng)強(qiáng)值 8.62 8.43 5.65 4.73
        利用薄紙筒、小油隙的設(shè)計(jì)理論,通過(guò)在引線(xiàn)電極周?chē)荚O(shè)多層絕緣紙板來(lái)分割油隙和合理控制屏蔽接地電極與引線(xiàn)電極之間的絕緣距離,并利用模型2進(jìn)行絕緣電場(chǎng)的數(shù)值分析,可以得到如圖3所示的屏蔽引線(xiàn)電場(chǎng)的等位線(xiàn)分布,最大電場(chǎng)強(qiáng)度出現(xiàn)在靠近引線(xiàn)電極的第一油隙內(nèi),其值為8.62kv/mm。


        圖3靠近高壓繞組的屏蔽引線(xiàn)電場(chǎng)的等位線(xiàn)分布
        2.3高壓套管均壓球軸對(duì)稱(chēng)電場(chǎng)模型的數(shù)值分析
        為了確定套管均壓球最佳絕緣結(jié)構(gòu)和電氣絕緣強(qiáng)度,利用模型3詳細(xì)計(jì)算了高壓套管均壓球的電場(chǎng)分布和結(jié)構(gòu)尺寸如:均壓球的圓弧半徑、升高座的內(nèi)徑變化對(duì)最大電場(chǎng)強(qiáng)度的影響,并選擇了一種套管均壓球的最佳絕緣結(jié)構(gòu)尺寸。如圖4是高壓套管均壓球電場(chǎng)的等位線(xiàn)分布,計(jì)算結(jié)果表明,最大電場(chǎng)強(qiáng)度出現(xiàn)在套管均壓球電極外側(cè)圓弧部位,其最大電場(chǎng)強(qiáng)度值受圓弧半徑變化的影響如圖5所示。根據(jù)變壓器油紙絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論,油是絕緣的最薄弱環(huán)節(jié),其許用電場(chǎng)強(qiáng)度的確定受油隙長(zhǎng)度、電極表面絕緣厚度、油隙所處部位等因素有關(guān),因此,在套管均壓球的設(shè)計(jì)中,均壓球電極圓弧部位的許用電場(chǎng)強(qiáng)度值大于直線(xiàn)部位的許用電場(chǎng)強(qiáng)度,二者比值約為1.5。


        圖4高壓套管均壓球電場(chǎng)的等位線(xiàn)分布


        圖5均壓球圓弧部位的最大場(chǎng)強(qiáng)隨其圓弧半徑的變化
        由于均壓球電極直線(xiàn)部位的電場(chǎng)強(qiáng)度直接與升高座內(nèi)徑有關(guān),因此,圖6給出了均壓球電極直線(xiàn)部位的最大電場(chǎng)強(qiáng)度隨升高座內(nèi)徑變化的曲線(xiàn),均壓球圓弧部位的最大電場(chǎng)強(qiáng)度受升高座內(nèi)徑尺寸變化的影響相對(duì)較小,不在給出。根據(jù)圖5、圖6的計(jì)算結(jié)果和對(duì)應(yīng)的電場(chǎng)強(qiáng)度許用值,經(jīng)過(guò)對(duì)比分析,最后選擇了圖4、圖5中的橫坐標(biāo)為1.0(作為圖4、圖5中橫坐標(biāo)的參考基值)的方案,其圓弧部位的最大電場(chǎng)強(qiáng)度為3.999kV/mm,直線(xiàn)部位的最大電場(chǎng)強(qiáng)度為2.696kV/mm.


        圖6均壓球直線(xiàn)部位的最大場(chǎng)強(qiáng)隨升高座內(nèi)徑的變化
        3結(jié)論
        對(duì)1200KV變壓器高壓引出線(xiàn)結(jié)構(gòu)分別建立
        了不同部位的簡(jiǎn)化模型,并對(duì)模型本身和結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響做了分析比較;通過(guò)絕緣電場(chǎng)的數(shù)值分析,得到了最大電場(chǎng)強(qiáng)度值及其發(fā)生部位,并初步確定了1200KV高壓引出線(xiàn)的絕緣結(jié)構(gòu)尺寸。

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