摘要：多级串级式无局放工频试验变压器是高压设备研制和试验必不可少的试验设备。为此，对典型的串级工频无局放试验变压器成套设备的外电场分布开展了研究，进行了有限元法数值计算。文中应用有限元的方法计算工频变压器的电场分布，计算模型充分考虑到大地，均压环的影响，按照实际尺寸建立有限元模型，ANSYS计算结果，为实际使用提供计算依据。
关键词：电场分布；工频试验变压器；ANSYS；均压环；局部放电
Electric Field Simulate Calculation and Experimental Layout Optimization of Power Frequency Test Transformer without Partial Discharge
Wang Ding
（China New Era International Engineering Corporation，Xi’an，710054）
Abstract：Multi stage series connection frequency test transformer without partial discharge is very important for design and experiment of high voltage equipment.We developed a finite element method to analyze the electric field of the space with a typical series test transformer.In this paper，electric field distribution of the power frequency test transformer is calculated based on finite element method.The influence of ground and grading rings are taken into account in the calculation model.The finite element model is based on its trim size.The ANSYS results provide the calculation basis for actual use.
Key words：electric field distribution；power frequency test transformer；ANSYS；grading rings；partial discharge
0 引言
超高压、特高压电网的发展对高压电气设备的绝缘水平和试验研究提出了更高的要求[1-5]。工频无局放试验变压器作为检验特高压电器工频耐压水平、局部放电及电晕特性的重要试验电源，在设备制造、检验及运维部门都有广泛应用。特高压试验变压器由于电压水平高，容易出现局部电晕放电、外部悬浮放电等影响被试品局放测量的干扰，从而影响被试电气设备检验结果的准确性[6-7]。试验现场环境复杂，电场分布与设备本身及周围其它物体的结构、尺寸、距离和数量等因素都有关系，这增加了分析特高压试验变压器及其周围空间电场分布的复杂程度。
文中采用ANSYS有限元法对无局放工频试验变压器及周围环境仿真建模，计算电场分布。讨论和验证实验设备布置合理性。
1 有限元方法
有限元方法是随着计算机发展起来的一种现代计算方法，现今已作为一种重要的手段运用电磁场分析当中，它主要由下列五个步骤：
（1）建立有限元计算模型，并将计算模型离散化，离散后单元间节点相互连接，此时划分单元时必须保持合理性，以求得精确解。
（2）单元特性分析根据计算模型材料的不同特性，指定相应的电器性能参数，并将这些参数定义到每一个实体结构。按照所分析的区域不同，选取适当的网络属性，并设定适当的网格尺寸对实体模型逐个进行剖分。
（3）单元组集利用麦克斯韦尔方程和各类边界条件把各个单元按原来的结构重新连接起来，经过适当的简化形成整体的有限元方程组。
（4）求解未知节点场量可根据方程组的具体特点来选择合适的计算方法，生成不同的求解矩阵，利用迭代法进行求解。
（5）对计算结果进行后处理，生成曲线、曲面、云图、矢量图和相关数据等。
2 有限元建模
2.1工频无局放试验变压器的结构模型
以额定输出电压为1500ｋＶ的典型３级串联工频无局放试验变压器为例，其主要结构由变压器本体、输出保护电阻和分压器３部分组成。本体和分压器的顶罩均由不锈钢等密焊接而成，绝缘外壳为环氧树脂材料。尺寸结构简图见图１。
图1试验变压器结构简图
Fig.1 schematic of test transformer
根据该试验变压器的实际尺寸结构，建立仿真计算模型，如图２所示。建模时，对变压器做适当的简化处理。变压器本体柱、电容器柱和保护电阻臂采用介质填充模拟，相对介电常数取为４，边角加工曲率按尺寸参数作为连续面处理。
2.2 ３维电场计算的有限元模型
利用有限元法求解的场域必须有界，所以建立１个人工边界，使边界到变压器的距离远大于变压器本身尺寸，并假定边界电位为０。由于工频场属于准静态电场，可以用求解静电场的方法来处理。因此变压器沿面的电场强度应满足在求解域Ω中：
（1）
（2）
式中，φ为电位φ（x，y，z）；εｒ为相对介电常数。
在电极边界和人工边界上
（3）
式中，uG为边界Г1上给定的函数分布；s为位置矢量。
在介质分界面Г2上
（4）
式中，n为边界的外法向分量[8]。
应用上述方法，对所建模型进行网格划分，为保证计算精度，同时又减少计算时间，对模型可能出现强电场区域按曲率半径进行加密剖分，例如变压器和分压器的顶罩，图2为试验变压器３维计
图2 试验变压器３维计算模型
Fig.2 3D model of test transformer
3 计算结果与分析
3.1无局放试验变压器最大场强限值
工频试验变压器的最大场强一般出现在高电位的均压罩上，对发生在被气体包围的电极表面或附近气体中的局部放电、即电晕放电，其起始发生所需的电场强度取决于电极形状、极间距离和气体性质等。根据文献[9，10]给出的球形屏蔽极电晕起始场强经验公式为
（5）
式中，Ｅｋ为电晕起始场强，kV／cm；m为球面光滑系数，室内条件下通常取为0.8~1.0，考虑变压器屏蔽顶罩的结构和工艺情况，保守取为0.8；ｒ为球半径，为360cm；δ为空气相对密度，在标准大气条件和20°Ｃ时，δ＝１。可计算得Ｅｋ＝21.19 kV／cm，符合工程常选取的20~30 kV／cm起晕场强范围。
3.2仿真结果
图3 试验变压器等电位云图
Fig.3 Equipotential contours of test transformer
图4 试验变压器场强分布云图
Fig.4 electric field distribution of test transformer
可见最大场强为14.8331kV/cm，出现在分压器顶部1000kV均压环处。其次较大的是分压器第二个均压环处，表面场强也达到10kV/cm以上。变压器的最大场强值小于Ek，不会发生局部放电。在增加均压环的保护作用下，变压器本体的最大场强均小于9kV/cm。
图5 试验变压器场强分布云图-分压器局部放大图
Fig.5 partial enlargement of Voltage divider
4 结论
１）应用有限元法对特高压工频无局放试验变压器外电场分布进行计算，得到较准确计算设备外电场的方法。
２）讨论工频无局放成套设备自身结构对最大场强的影响。通过均压环不同尺寸表面场强的变化，寻找合适的设备布置位置。分压器均压环管径进一步加大或加大分压器距墙的距离，都能减小最大场强，其中加大分压器环管管径的方法最有效。
3）基于工频试验变压器1500kV输出电压的仿真结果：该电压下的净空距离10.5m是能满足其均压环不起电晕，对±1100kV特高压大厅串联谐振试验装置的净空距离是有参考意义的。
参考文献：
[1] 张文亮，张国兵．特高压交流试验电源特点探讨及比较[J]．中国电机工程学报，2007，27（4）：1-4．
[2] 周 浩，余宇红．我国发展特高压输电中一些重要问题的讨论[J]．电网技术，2005，29（12）：1-9．
[3] 李光范，王晓宁，李 鹏，等．1000kV特高压电力变压器绝缘水平及试验研究[J]．电网技术，2008，32（3）：1-6，30
[4] 吴维宁，吴光亚，张 勤，等．1000kV 特高压交流绝缘子的使用及运行特性[J]．高电压技术，2011，37（1）：15-20．
[5] 李 前，章述汉，李登云，等．±500kV 直流电压互感器现场校准技术试验分析[J]．高电压技术，2010，36（11）：2856-2862．
[6] 李云阁，冯玉昌，张祥全，等．750kV变压器现场工频感应耐压和局部放电试验[J]．电网技术，2007，31（10）：64-68．
[7] 伍志荣，聂德鑫，陈江波．特高压变压器局部放电试验分析[J]．高电压技术，2010，36（1）：54-61．
[8] 倪光正，崔 翔．工程电磁场原理[M]．北京：高等教育出版社，2002.
[9] DL/T 848.3—2004 高压试验装置通用技术条件第3部分：无局放试验变压器[S]，2004．
[10] ＢП 拉里昂诺夫．高电压技术电力系统绝缘与过电压[M]．北京：水利电力出版社，1994．
论文作者:王丁,姜明丽
论文发表刊物:《电力设备》2019年第6期
论文发表时间:2019/7/9
标签：变压器论文; 场强论文; 电场论文; 有限元论文; 电晕论文; 模型论文; 边界论文; 《电力设备》2019年第6期论文;