摘要：本文针对特高压1000kV变压器绝缘研究概况进行了分析，给出了不同情况下变压器主要部位绝缘结构电场的分布情况和分析方法。
关键词：特高压变压器；绝缘
引言
1000kV变压器是特高压交流输电工程最关键的设备之一。文章对1000kV变压器3个绕组(高压绕组1000kV，中压绕组500kV，低压绕组110kV)之间的过电压和绝缘配置进行了深入探讨，以期进一步完善特高压系统的绝缘配置、改善特高压变压器抵御过电压的能力和运行工况。推荐了1000kV变压器500kV绕组高性能避雷器的参数，可为降低变压器500kV绕组的绝缘水平、改进特高压变压器的结构设计及提升容量等提供参考。
11000kV变压器绝缘结构介绍由于该变压器容量大，主变压器采用三柱并联结构。每一柱绕组排列从铁心侧开始依次为低压绕组-中压绕组-高压绕组，如图1所示，调压范围采用辅助变压器实现。绝缘水平：h.v.线路端子SI/LI/AC(5min)1800/2250/1100kVm.v.
线路端子SI/LI/AC1175/1550/630kVh.v./m.v.中性点端子LI/AC325/140kVl.v.线路端子LI/AC650/275kV根据设计方案，高压绕组中部出线，上下两路并联，末端相当于500kV端。中压绕组500kV首端在下部出线，末端中性点在上部出线。低压绕组首端在下部出线。因此，根据各部位的工作和试验电压差情况，以下几个区域的电场分布情况是设计ODFPS-1000000/1000自耦变压器主绝缘结构研究的重点：低压绕组到铁心的端部区域①；中压绕组到低压绕组的下端部区域②；高压绕组到中压绕组的中部区域③；高压绕组到中压绕组的上端部区域④；高压绕组到旁轭的中部区域⑤；高压绕组到油箱的中部区域⑥（和⑤近似）。
图1绕组排列示意图
2绝缘结构研究方法简介
本项目采用边界元电场计算软件，边界元计算方法是通过对场域边界面的剖分离散，借助于边界条件，分析求解场域边界面上的电荷密度，进而求得空间电位和场强的一种积分方程法。一般电极边界面s上的电荷在空间p点产生的电位准可用下式表示：
式中σ—微小面积ds上的边界面电荷密度l—ds和p点之间的距离若将整个场域剖分离散成N个单元M个节点，则由叠加原理可得整个场域对p点的电位效应为：
式中[Kpe]———单元系数矩阵[σpe]———单元节点电荷密度矩阵对于M个节点可写出M个联立方程式：
写成矩阵形式：
式（4）即为边界元法建立的积分方程组。
3绝缘结构中电场计算与分析
3.1低压绕组到铁心柱之间下端部电场
低压绕组到铁心柱间上、下端部绝缘结构相同，这里只给出下端部的计算情况。图2为低压绕组到铁心柱下端部电场的计算结果。
（a）等电位线分布 （b）电场强度云图
图2低压绕组到铁心端部电场计算结果
根据电场强度计算结果，低压绕组静电板内侧表面计算得到的最为严重电力线上的安全系数是1.15，计算结果满足绝缘裕度要求。
3.2中压绕组到低压绕组的下端部区域电场
图3为低压绕组到中压绕组下端部电场的计算结果。
图3低压绕组到中压绕组端部电场计算结果
由图3可以看出，低压绕组到中压绕组下端部电场强度最大值出现在中压绕组端部静电板表面，由于该部位电压较高，电场强度值大，静电板采用大圆角馒头型结构可降低场强值。同时为了防止爬电放置了四个大角环，大角环的尺寸由电场计算后按需要的尺寸设计放置。根据电场强度计算结果，得到的最为严重电力线出现在中压绕组首端静电板内侧。最为严重电力线上的安全系数是1.25，计算结果满足绝缘裕度要求。
3.3高压绕组到中压绕组之间中部区域电场
图4为高压绕组到中压绕组中部的电场计算结果。
图4高压绕组到中压绕组中部电场计算结果
由图4可以看出，高压绕组到中压绕组中部电场强度较大值出现在高压绕组首端前几段和中压绕组外表面，因此在高压绕组首端采取内垫纸条和小角环措施改善电场强度分布。并根据薄纸筒小油隙理论，通过在中压绕组外表面降低油道尺寸来提高电场强度耐受值。计算模型得到的最为严重电力线上的安全系数是1.16,计算结果满足绝缘裕度要求。
3.4高压绕组到中压绕组的上端部区域电场
图5为中压绕组到高压绕组上端部电场计算结果。
由图5可以看出，中压绕组到高压绕组上端部电场强度最大值出现在高压绕组端部静电板表面。同样由于该部位电压较高，电场强度值大，静电板采用大圆角馒头型结构以降低场强值。同时为了防止爬电放置了四个大角环，大角环的尺寸由电场计算后按需要的尺寸设计放置。计算得到的最为严重电力线上的安全系数是1.20，计算结果满足绝缘裕度要求。由图3低压绕组到中压绕组下端部以及图5中压绕组到高压绕组上端部等电位图形可以看出，特高压1000MVA/1000kV自耦变压器绕组端部绝缘成型角环形状和绝缘纸板的布置在高场强区域基本和等电位线相似，此种采用电场分析后设计的绝缘结构可以更好地防止端部绝缘沿面放电的产生。根据不同模型电场强度计算结果，寻找整台产品绝缘结构的弱点，调整不合理绝缘结构型式和尺寸，确保设计的变压器在高场强区具有足够的安全裕度。对于局部电场值较大的电极结构，通过改善电极形状和增加绝缘厚度，加包绝缘小角环等措施，在最初产品的绝缘结构设计上防止局部放电的发生。根据设计原则，通过多方案的电场计算，确保产品放电概率小于1%。
图5中压绕组到高压绕组上端部电场计算结果
4不同作用电压下的绝缘结构研究
特高压1000kV变压器要经受住长期工作场强、短时感应耐压试验（ACSD）、高压线端5min感应试验、长时感应耐压试验（ACLD）、操作冲击试验和雷电冲击试验等的考验。此次绝缘结构研究，将高压线端5min感应试验、长时感应耐压试验（ACLD）、操作冲击试验和雷电冲击试验均按照一定的折合系数折算成工频1min试验来进行绝缘结构校核，上述电场计算得到的结果是各种试验电压下最为严重的绝缘裕度最小安全系数。随着电压等级的提高，在特高压1000kV产品中工作电压下的电场强度越来越占主要地位，因此笔者对比分析了该产品和本公司已经生产过的500kV变压器的工作场强情况。保证了ODFPS-1000000/1000自耦变压器主要绝缘结构尺寸下的平均工作电场强度不大于本公司500kV变压器工作场强。而我公司500kV变压器在电网已投运多年，运行情况良好，因此特高压ODFPS-1000000/1000自耦变压器运行时也应具有足够的安全裕度。
结语
结合研制ODFPS-1000000/1000自耦变压器的需要，笔者针对该变压器绝缘结构进行了系统研究。通过大量电场优化计算，确定了特高压ODFPS-1000000/1000自耦变压器绝缘结构型式和尺寸。采用该绝缘研究方法设计的变压器已通过全部绝缘试验，并挂网安全运行。
参考文献:
[1]刘振亚.特高压直流输电技术研究成果专辑(2006年)[M].北京:中国电力出版社,2007.
[2]刘振亚.特高压直流输电技术研究成果专辑(2007年)[M].北京:中国电力出版社,2008.
[3]刘振亚.特高压直流输电技术研究成果专辑(2008年)[M].北京:中国电力出版社,2009.
[4]李文平,章忠国,黎小林,等.直流输电用800kV换流变压器的场域分析[J].变压器,2009,46(6):5-7.
论文作者:濮星海,刘绪
论文发表刊物:《电力设备》2018年第3期
论文发表时间:2018/6/11
标签：绕组论文; 电场论文; 变压器论文; 中压论文; 高压论文; 低压论文; 结构论文; 《电力设备》2018年第3期论文;