欒 蘭，胥建文，王明勝，孫大偉，楊仁毅

（山東電力設(shè)備有限公司，濟(jì)南 250022）

換流變壓器網(wǎng)側(cè)出線裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化及電場(chǎng)計(jì)算

欒 蘭，胥建文，王明勝，孫大偉，楊仁毅

（山東電力設(shè)備有限公司，濟(jì)南 250022）

網(wǎng)側(cè)出線裝置絕緣結(jié)構(gòu)是換流變壓器整體絕緣結(jié)構(gòu)中的重要組成部分，該結(jié)構(gòu)的可靠與否直接決定換流變壓器的運(yùn)行安全性。與網(wǎng)側(cè)接入較低電壓水平的換流變壓器相比，高電壓等級(jí)的網(wǎng)側(cè)出線裝置結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜。在網(wǎng)側(cè)接入500 kV換流變壓器網(wǎng)側(cè)出線裝置的基礎(chǔ)上，優(yōu)化設(shè)計(jì)網(wǎng)側(cè)接入750 kV換流變壓器網(wǎng)側(cè)出線裝置，并采用電場(chǎng)仿真軟件對(duì)其電場(chǎng)進(jìn)行分析，計(jì)算其各部分電場(chǎng)分布和安全裕度，分析其安全性。

換流變壓器；網(wǎng)側(cè)出線裝置；電場(chǎng)分析

0 引言

目前，全國(guó)范圍內(nèi)已建成投運(yùn)的直流輸電工程均是網(wǎng)側(cè)接入500 kV及以下交流系統(tǒng)，而西北地區(qū)是750 kV主電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，若按照以往投運(yùn)換流變產(chǎn)品的網(wǎng)側(cè)電壓等級(jí)進(jìn)行設(shè)計(jì)，西北換流站需要通過(guò)聯(lián)絡(luò)變壓器先將750 kV變?yōu)?00 kV再接入到換流變壓器上。隨著特高壓直流輸電技術(shù)的發(fā)展，為增強(qiáng)西北能源大范圍消納能力，與西北750 kV交流電網(wǎng)直接連接，研制開(kāi)發(fā)網(wǎng)側(cè)接入750 kV換流變壓器成為特高壓直流輸電工程新的技術(shù)課題。若將特高壓換流變壓器直接接入750 kV交流系統(tǒng)，可省掉聯(lián)絡(luò)變壓器，節(jié)省送端換流站占地及工程建設(shè)費(fèi)用，具有廣闊的市場(chǎng)前景［1-3］。

網(wǎng)側(cè)接入750 kV換流變壓器網(wǎng)側(cè)出線裝置結(jié)構(gòu)是網(wǎng)側(cè)接入750 kV換流變壓器絕緣設(shè)計(jì)的重點(diǎn)、難點(diǎn)之一，其結(jié)構(gòu)直接影響換流變壓器整體絕緣的電氣性能、制造成本和運(yùn)行可靠性等重要指標(biāo)。750 kV網(wǎng)側(cè)出線絕緣包括各柱網(wǎng)側(cè)繞組引出線絕緣、引出線連接部分絕緣以及引出線到套管油中各部分的絕緣。其作用是保證網(wǎng)側(cè)引出線、連接線在特高壓電場(chǎng)作用下，具有可靠的絕緣強(qiáng)度，能夠承受各種試驗(yàn)電壓及長(zhǎng)期工作電壓。與常規(guī)換流變壓器網(wǎng)側(cè)為500 kV等級(jí)相比，其絕緣水平更高，引出線結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，且引線所處位置的電場(chǎng)影響因素更多，這都對(duì)網(wǎng)側(cè)引線結(jié)構(gòu)提出了更高的絕緣要求，因此計(jì)算分析該型網(wǎng)側(cè)引線絕緣結(jié)構(gòu)電場(chǎng)對(duì)于整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化十分重要。

1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及優(yōu)化

750 kV換流變壓器網(wǎng)側(cè)接入結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)基于網(wǎng)側(cè)接入500 kV換流變壓器的網(wǎng)側(cè)出線裝置。500 kV的出線裝置包含引出線、均壓球等，兩柱網(wǎng)側(cè)引出線從網(wǎng)線圈端部引出，向上走，在套管均壓球內(nèi)連接，接入套管。結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：兩柱并聯(lián)，2條引線使用屏蔽管，加厚絕緣；兩引線交接處借助套管均壓球均衡電場(chǎng)。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 網(wǎng)側(cè)500 kV引線典型結(jié)構(gòu)

750 kV的出線結(jié)構(gòu)與以往常用網(wǎng)側(cè)接入500 kV的出線裝置相比，有其自身的特點(diǎn)。

由于網(wǎng)側(cè)接入750 kV換流變壓器容量大、電壓高、尺寸需符合運(yùn)輸要求，換流變壓器設(shè)計(jì)時(shí)采取單相三柱并聯(lián)結(jié)構(gòu)。此種結(jié)構(gòu)中同電壓等級(jí)引出線有3條，故不能再采取圖1（b）中所示的直接連接到均壓球的接線方式?？紤]到主體油箱的尺寸限制和引線本身的高電壓對(duì)周?chē)妶?chǎng)復(fù)雜程度的影響，這3條引出線在接出網(wǎng)側(cè)線圈后即各通過(guò)1個(gè)升高座向上引出，引出一定高度后，3條引線通過(guò)水平連接線連成一體，通過(guò)1個(gè)總升高座，連接套管，最終連接到電網(wǎng)上。

高電壓等級(jí)引出線在走線過(guò)程中，從下而上依次會(huì)遇到鐵軛、油箱壁、3種升高座壁等接地電極，以及最終要連接的套管均壓球及其周?chē)^緣結(jié)構(gòu)，加上引出線本身為滿足機(jī)械強(qiáng)度要求而產(chǎn)生的彎曲，其電場(chǎng)分布的復(fù)雜程度遠(yuǎn)超一般兩柱并聯(lián)變壓器的引出線。

每個(gè)引線連接處均用均壓球屏蔽出頭，并根據(jù)均壓球尺寸限定升高座的最小尺寸，引線本身的絕緣厚度和與周?chē)姌O的距離要滿足該電壓等級(jí)引線的絕緣距離標(biāo)準(zhǔn)。

在網(wǎng)側(cè)接入500 kV換流變壓器網(wǎng)側(cè)出線裝置基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，充分考慮以上電場(chǎng)和機(jī)械強(qiáng)度及總體布置，設(shè)計(jì)網(wǎng)側(cè)接入750 kV換流變網(wǎng)側(cè)出線裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示［4］。

圖2 網(wǎng)側(cè)整體出線裝置

圖2中，1、2、3豎直升高座內(nèi)分別引出3個(gè)柱的網(wǎng)線圈引線，3條引線在豎直升高座內(nèi)連接到上部出線裝置中，并在水平升高座內(nèi)通過(guò)1條帶絕緣的水平鋁管連接，鋁管通過(guò)套管均壓球連接到套管上。由于引線與引線、引線與鋁管連接時(shí)，金屬部分形狀發(fā)生改變，因此每個(gè)接頭處均有均壓球或均壓環(huán)來(lái)均衡電場(chǎng)。引出線、鋁管的尺寸由本臺(tái)產(chǎn)品的容量和電流確定，配合該尺寸，選定外包絕緣厚度、升高座尺寸。

2 電場(chǎng)計(jì)算方法及安全性判定原理

評(píng)價(jià)電場(chǎng)的可靠性時(shí)，需要知道電場(chǎng)強(qiáng)度的分布，尤其是最大電場(chǎng)強(qiáng)度的分布。在已知各節(jié)點(diǎn)電位的基礎(chǔ)上，根據(jù)各單元插值函數(shù)求導(dǎo)可以求解各點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度值。目前的電場(chǎng)分析軟件常用的分割單元是三角形單元，該單元對(duì)應(yīng)的電場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)算公式為［5］

式中：Ex為該三角形單元內(nèi)任一點(diǎn)電場(chǎng)強(qiáng)度的x軸方向分量；Ey為該三角形單元內(nèi)任一點(diǎn)電場(chǎng)強(qiáng)度的y軸方向分量；Δe為該三角形單元的面積；a1、a2、a3為線性插值函數(shù)的參數(shù)；u1、u2、u3為三角形單元3個(gè)頂點(diǎn)的電位值。

式（1）可以求解三角形單元內(nèi)任一點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度，但是單元邊界上的電場(chǎng)強(qiáng)度若由此式計(jì)算則往往誤差較大，為了提高精度，需要計(jì)算與該點(diǎn)有關(guān)的所有單元的電場(chǎng)強(qiáng)度加權(quán)平均值，公式為

計(jì)算出精確的電場(chǎng)E的分布情況后，需對(duì)油隙等關(guān)鍵位置的安全性進(jìn)行判定。安全裕度S為許用值與實(shí)際電場(chǎng)強(qiáng)度的比值，S＞1，則認(rèn)為結(jié)構(gòu)安全。

式中：Ep為均勻電場(chǎng)下局部放電起始平均電場(chǎng)強(qiáng)度的許用值，kV／mm，可由經(jīng)驗(yàn)公式求得

式中：A為變壓器油含氣量、油隙位置等有關(guān)的系數(shù)，與工藝水平、生產(chǎn)條件和材料水平有關(guān)；d為油隙沿電力線方向的長(zhǎng)度，mm。

3 計(jì)算分析

三柱的引出線在進(jìn)入出線裝置前結(jié)構(gòu)類(lèi)似，絕緣水平相同，因此可選取直接連接到套管均壓球一柱的引出線，進(jìn)行電場(chǎng)分析。引出線從線圈引出后，先經(jīng)過(guò)上鐵軛和夾件腹板，此處電場(chǎng)分布較為復(fù)雜，應(yīng)予以分析；每個(gè)連接處的均壓球和均壓環(huán)距升高座壁距離比非連接處小，電場(chǎng)集中，應(yīng)選取引出線上的均壓球和均壓環(huán)進(jìn)行電場(chǎng)分析，所選擇的重點(diǎn)電場(chǎng)分析部位如圖3中A、B、C、D所示。

圖3 單柱引出線和出線裝置

A、B、C、D分別對(duì)應(yīng)線圈引出線、引線與出線裝置連接處均壓球、三柱出線裝置相接處均壓球，以及總體出線裝置與套管連接處均壓球。

采用電場(chǎng)計(jì)算軟件VEI-MainInsulation，計(jì)算分析本設(shè)計(jì)方案在各關(guān)鍵位置處的電場(chǎng)分布情況，判斷其安全性。

3.1 A處線圈引出線及其周?chē)妶?chǎng)

該處主要分析從線圈出來(lái)后，引出線到鐵軛夾件、油箱的電場(chǎng)。該部分金屬與絕緣配合主要包括：引線本身、引線外包紙絕緣、引線外套紙板、上鐵軛的夾件腹板、油箱等，這些組成結(jié)構(gòu)是影響電場(chǎng)分布的要素，其中引線外包紙絕緣厚度、外套紙板層數(shù)及油隙大小由對(duì)應(yīng)電壓等級(jí)的交流產(chǎn)品設(shè)計(jì)規(guī)范確定。由于該處引線及周?chē)埌搴徒拥亟饘偌儆诜禽S對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，因此需采用平面場(chǎng)分析法，其電場(chǎng)分析結(jié)果如圖4所示。

圖4 A處電場(chǎng)分布云

如圖4所示，最大場(chǎng)強(qiáng)出現(xiàn)在夾件腹板的圓角處，為10.06 kV／mm；對(duì)應(yīng)的許用場(chǎng)強(qiáng)由式（4）求得，為10.86 kV／mm；由式（3）可求得，A處的油隙電場(chǎng)最小安全裕度為1.08。

3.2 B處均壓球及其周?chē)妶?chǎng)

該部分金屬與絕緣配合主要包括：均壓球、外掛紙漿、紙板、油箱壁、升高座壁等，其中紙漿厚度、紙板層數(shù)、油隙大小由電壓等級(jí)、電場(chǎng)分布決定。該處基本為軸對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，可采用軸對(duì)稱(chēng)場(chǎng)計(jì)算。其電場(chǎng)分布如圖5所示。

圖5 B處電場(chǎng)分布云

由圖5可見(jiàn)，最大場(chǎng)強(qiáng)出現(xiàn)在均壓球金屬體和均壓球外包紙絕緣交界處，為9.656 kV／mm；油隙中最大場(chǎng)強(qiáng)為5.276 kV／mm；對(duì)應(yīng)的許用場(chǎng)強(qiáng)由式（4）求得，為6.384 kV／mm；由式（3）可求得，該處的油隙最小安全裕度為1.21。

3.3 C處均壓球及其周?chē)妶?chǎng)

該部分金屬結(jié)構(gòu)及絕緣配合包括：引線、引線外包紙絕緣、鋁管、鋁管外附紙絕緣、均壓球、紙板、升高座壁，由于該處位于上下兩部分升高座相接處，升高座傾斜度發(fā)生變化，對(duì)應(yīng)的均壓球及其外套紙板不再是軸對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，故采用平面場(chǎng)分析，其電場(chǎng)分布如圖6所示。

圖6 C處電場(chǎng)分布云

如圖6所示，最大電場(chǎng)強(qiáng)度出現(xiàn)在均壓球外第一油隙，為4.077 kV／mm；對(duì)應(yīng)的許用場(chǎng)強(qiáng)由式（4）求得，為5.708 kV／mm；由式（3）可求得，該處的油隙電場(chǎng)最小安全裕度為1.40。

3.4 D處均壓環(huán)及其周?chē)妶?chǎng)

該部分金屬結(jié)構(gòu)及絕緣配合包括：鋁管、鋁管外附紙絕緣、均壓環(huán)、均壓環(huán)外掛紙漿、紙板、套管、升高座壁。該處基本為軸對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，可采用軸對(duì)稱(chēng)場(chǎng)計(jì)算。其電場(chǎng)分布如圖7所示。

圖7 D處電場(chǎng)分布云

由圖7可見(jiàn)，最大場(chǎng)強(qiáng)出現(xiàn)在均壓球外第一油隙，為6.578 kV／mm；對(duì)應(yīng)的許用場(chǎng)強(qiáng)由式（4）求得，為9.603 kV／mm；由式（3）可求得，該處的油隙最小安全裕度為1.46。

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，本出線裝置各處的最小安全裕度均大于1，表示各處的電場(chǎng)最大值小于許用值，同時(shí)，考慮到本結(jié)構(gòu)是首次設(shè)計(jì)制作，裕度均在大于1的基礎(chǔ)上留有一定裕量，以確保電場(chǎng)安全。對(duì)比已投入運(yùn)行的多臺(tái)網(wǎng)側(cè)接入500 kV等級(jí)換流變壓器網(wǎng)側(cè)出線裝置的電場(chǎng)計(jì)算結(jié)果，本裝置結(jié)構(gòu)安全裕度較大，可認(rèn)為本結(jié)構(gòu)安全。

［1］國(guó)家電網(wǎng)公司.國(guó)家電網(wǎng)公司 750 kV輸變電示范工程建設(shè)總結(jié)［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2006.

［2］丁新良.750 kV電壓等級(jí)是西北電網(wǎng)發(fā)展的必然選擇［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2002，26（3）：23-26.

［3］路長(zhǎng)柏.電力變壓器絕緣技術(shù)［M］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1997.

［4］宓傳龍,謝慶峰,孟麗坤,等.超、特高壓交流變壓器出線絕緣結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用［J］.高電壓技術(shù)，2010，36（1）：122-128．

［5］王明麗.電力變壓器主絕緣電場(chǎng)分析［D］.天津:河北工業(yè)大學(xué)，2014．

Structure Optimization and Electric Field Calculation of Line-side Outlet Device of Converter Transformer

LUAN Lan，XU Jianwen，WANG Mingsheng，SUN Dawei，YANG Renyi
（Shandong Power Equipment Co.，Ltd.，Jinan 250022，China）

Line-side outlet device is an important part of a converter transformer，and the safe operation of the converter transformer is directly determined by the reliability of insulation system of the line-side outlet device.Compared with the converter transformer with lower voltage on line-side，high voltage line-side outlet structure is more complex.Based on the lineside outlet structure of the line-side 500 kV converter transformer，the line-side outlet structure of the line-side 750 kV converter transformer is optimized，and the electric field distribution and the safety margin are calculated using electric field simulation software.Finally the safety of the structure is analyzed.

converter transformer；line-side outlet device；electric field analysis

TM41

：A

：1007－9904（2017）04－0037－04

2016-11-16

欒 蘭（1986），女，工程師，從事變壓器類(lèi)產(chǎn)品驗(yàn)證分析工作；

胥建文（1975），男，高級(jí)工程師，從事變壓器類(lèi)產(chǎn)品驗(yàn)證分析工作；

王明勝（1971），男，高級(jí)工程師，從事?lián)Q流變壓器類(lèi)產(chǎn)品研發(fā)工作；

孫大偉（1983），男，工程師，從事?lián)Q流變壓器類(lèi)產(chǎn)品研發(fā)工作；

楊仁毅（1986），男，工程師，從事?lián)Q流變壓器類(lèi)產(chǎn)品研發(fā)工作。