馬愛清

(上海電力學(xué)院電力與自動化工程學(xué)院，上海 200090)

電力變壓器是電力系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備之一，也是電力系統(tǒng)中最昂貴和最重要的設(shè)備之一，其正常運行對整個電力系統(tǒng)的可靠運行起著非常關(guān)鍵的作用.在超高壓電力變壓器中，500 kV變壓器在我國的應(yīng)用較廣泛，其絕緣設(shè)計的合理與否，對變壓器運行的可靠性和經(jīng)濟(jì)性意義重大.

電力變壓器主絕緣是變壓器可靠運行的因素之一，電力變壓器端部絕緣則是主絕緣的重要組成部分.電力變壓器的端部絕緣不僅影響變壓器運行的可靠性，同時也影響電力變壓器的經(jīng)濟(jì)性——變壓器的制造成本.本文利用ANSYS軟件對某型號500 kV電力變壓器的端部電場進(jìn)行分析［1-7］，并在此基礎(chǔ)上對其靜電環(huán)的機構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，得到了較好的絕緣結(jié)構(gòu).

1 計算模型的建立

變壓器的主要部件是繞組和鐵心(器身).繞組是變壓器的電路，鐵心是變壓器的磁路.兩者構(gòu)成變壓器的核心——電磁部分.除了電磁部分，還有油箱，絕緣裝置，冷卻裝置，調(diào)壓和保護(hù)裝置等［8-11］.本文分析的是500 kV電力變壓器高壓繞組端部的電場，主要建立的是電磁部分的模型.電力變壓器的繞組是套裝在變壓器的鐵心柱上的，而鐵心的結(jié)構(gòu)左右對稱，因此本文將高壓繞組和低壓繞組簡化，取對稱軸的一半來進(jìn)行分析，同時也將低壓繞組簡化，主要建立高壓繞組端部的模型.在ANSYS中建立的計算模型如圖1所示.

圖1 500 kV電力變壓器端部繞組示意

高壓和低壓繞組間絕緣距離為83 mm，靜電環(huán)與金屬壓板距離為463 mm，h為0.5 mm，T為40 mm.需要說明的是，在計算過程中，需作如下假設(shè):

(1)忽略引線對端部電場的影響;

(2)忽略端部成型絕緣件(角環(huán)、紙圈、隔板)等對電場的影響;

(3)認(rèn)為繞組端部的鐵軛最大級為垂直于鐵心軸線的無窮大平面.

2 電力變壓器電場的計算和分析

建立端部電場分析的計算模型時，需將油道簡化;在設(shè)置材料屬性時，主要考慮的材料為變壓器油，變壓器油的介電常數(shù)取2.3.網(wǎng)格剖分采用三角形剖分，剖分精度取0.03.得到有限元模型后，施加載荷，考慮本文分析的電力變壓器電壓等級為500 kV，邊界條件分別為:高壓繞組和靜電環(huán)施加電壓為500 kV，外殼和低壓繞組為零.調(diào)用ANSYS的求解計算模塊，得到了500 kV電力變壓器的端部電位和電場分布見圖2和圖3.

圖2 電位分布

圖3 電場分布

由圖3可知，此時變壓器油中電場強度的最大值Emax出現(xiàn)在靜電環(huán)絕緣層表面，此時Emax=5.51 kV/mm.

高壓繞組端部靜電環(huán)的作用，一是改善與其相鄰諸線段的雷電沖擊電壓分布;二是使繞組端部電場均勻.影響靜電環(huán)表面場強的主要因素有靜電環(huán)到鐵軛或金屬壓板的距離、線圈間絕緣距離、靜電環(huán)的曲率半徑及絕緣層厚度，本文通過改變靜電環(huán)的曲率半徑來改變電場分布，以優(yōu)化電力變壓器結(jié)構(gòu).

3 靜電環(huán)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

3.1 r1和r2不同值時電場分布計算

通過改變對應(yīng)的曲率半徑r1和r2，得到優(yōu)化的靜電環(huán)模型.

(1)增大r2來改變電場 將r2從0.02增大到0.035，r1保持不變，重新建立模型.經(jīng)過剖分和施加邊界條件，計算得到電場分布如圖4所示.此時對應(yīng)的電場強度最大值Emax=4.66 kV/mm.與圖3相比，其最大場強值下降了15.4%.

圖4 r2從0.02增大到0.035時的電場分布

(2)減小r2來改變電場 將r2從0.02減小到0.01，r1不變，重新建立模型.經(jīng)過剖分和施加邊界條件，計算得到電場分布如圖5所示.此時對應(yīng)的電場強度最大值Emax=5.39 kV/mm.與圖3相比，最大場強值下降了2.2%，改變不太明顯.

圖5 r2從0.02減小到0.01時的電場分布

(3)增大r1來改變電場 將r1從0.008增大到0.012，r2不變，重新建立模型.經(jīng)過剖分和施加邊界條件，計算得到電場分布如圖6所示.此時對應(yīng)的電場強度最大值Emax=5.74 kV/mm.與圖3相比，最大場強值增大了4.1%.

圖6 r1從0.008增大到0.012時的電場分布

(4)減小r1來改變電場 將r1從0.008減小到0.004，r2不變，重新建立模型.經(jīng)過剖分和施加邊界條件，計算得到電場分布如圖7所示.此時對應(yīng)的電場強度最大值Emax=5.64 kV/mm.與圖3相比，最大場強值增大了2.2%.

圖7 r1從0.008減小到0.004時的電場分布

3.2 結(jié)果比較分析

對比得到的電場分布圖和電場強度最大值Emax，發(fā)現(xiàn)增大和減小r2都能使電場的最大值變小，只是增大r2能使電場最大值更快地變小;增大和減小r1都使電場的最大值變大，只是減小r1使電場最大值更慢地變大.而靜電環(huán)的寬度是一定的，對于變壓器高壓線圈端部絕緣結(jié)構(gòu)而言，在設(shè)計中控制其最大場強小于起始放電場強是根本措施.為了使電場最大值盡可能小，應(yīng)盡量增大r2和減小r1來使電場的最大值盡可能地變小.本文根據(jù)這樣的原則建立了計算模型，此時r1=0.01，r2=0.03.求解計算得到的電場分布如圖8所示.

由圖8可知，此時對應(yīng)的電場強度最大值Emax=5.01 kV/mm，比原電場的最大值(5.51 kV/mm)降低了9%，靜電環(huán)模型由此得到了優(yōu)化.

圖8 r1=0.01和r2=0.03時的電場分布

4 結(jié)論

(1)利用有限元仿真軟件ANSYS建立了電力變壓器的二維計算模型，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了有限元計算，得到了電力變壓器高壓端部絕緣的電場和電位分布圖.

(2)通過改變靜電環(huán)的曲率半徑值，得到了最優(yōu)的端部電場分布，優(yōu)化了絕緣結(jié)構(gòu)，為電力變壓器端部絕緣靜電環(huán)的設(shè)計提供了理論依據(jù).

［1］劉傳彝.電力變壓器設(shè)計計算方法與實踐［M］.沈陽:遼寧科技出版社，2002:15-18.

［2］路長柏，李新.超高壓變壓器線圈端部三維電場的計算問題［J］.變壓器，1984，31(10):2-7.

［3］韋殿平，劉文里，勤格勒圖，等.220 kV電力變壓器端部絕緣傳統(tǒng)與現(xiàn)行結(jié)構(gòu)中電場的比較［J］.變壓器，2009，46(10):6-10.

［4］劉建軍，李巖.500 kV電力變壓器主絕緣電場的有限元計算［J］.變壓器，2008，45(9):1-4.

［5］劉建軍.變壓器主絕緣電場的解析計算與數(shù)值計算［J］.沈陽工程學(xué)院學(xué)報:自然科學(xué)版，2009，5(1):56-58.

［6］唐興倫.ANSYS工程應(yīng)用教程:熱與電磁學(xué)篇［M］.北京:中國鐵道出版社，2003:20-45.

［7］張波，盛和太.ANSYS有限元數(shù)值分析原理與工程應(yīng)用［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2005:35-43.

［8］尹克寧.變壓器設(shè)計原理［M］.北京:中國電力出版社，2006:25-28.

［9］路長柏，郭振巖.電力變壓器理論與計算［M］.沈陽:遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，2007:42-48.

［10］劉建軍.超高壓電力變壓器的絕緣計算［J］.電氣技術(shù)，2008，8(5):43-46.

［11］陳曦東，陳昌漁.高電壓工程［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2003:5-20.