南京電氣高壓套管有限公司 洪文杰

直流套管的作用包括保障電力安全、高效的電力輸送和電力分配。換流變壓器套管性能對(duì)保障換流變壓器穩(wěn)定可靠的運(yùn)行有關(guān)鍵作用。如果高壓直流套管發(fā)生故障，連接的高壓電氣設(shè)備的絕緣就會(huì)受到破壞。在嚴(yán)重的情況下，其他電氣設(shè)備可能會(huì)發(fā)生故障，從而導(dǎo)致停電事故。而套管內(nèi)外溫差會(huì)影響其絕緣介質(zhì)徑向電阻大小，進(jìn)而導(dǎo)致直流電場(chǎng)、極性反轉(zhuǎn)電場(chǎng)畸變。因此，有必要深入研究溫度對(duì)換流變壓器套管電場(chǎng)分布的影響，這對(duì)保持其絕緣性能穩(wěn)定意義重大。

1 溫度計(jì)算有限元分析

套管結(jié)構(gòu)軸對(duì)稱，在分析其溫度影響時(shí)可以簡(jiǎn)化為平面軸對(duì)稱問題。圖1 顯示了用于換流變壓器套管溫度分析的有限元模型。

圖1 換流變壓器套管溫度計(jì)算有限元模型

該模型使用與電場(chǎng)模型處理方法來獲取套管詳細(xì)信息。因?yàn)榈菇遣粫?huì)影響熱量傳導(dǎo)，所以簡(jiǎn)化部分小倒角以提高網(wǎng)格質(zhì)量和計(jì)算精度。傳熱問題中還有一個(gè)“熱阻”，表示阻止傳熱的能力。單一介質(zhì)中的熱阻越小，傳熱越容易，介質(zhì)上的溫差也越小。熱阻與介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)、傳熱距離有關(guān)。如果環(huán)氧樹脂與鋁箔的傳熱系數(shù)分別為λ1、λ2，環(huán)氧樹脂與鋁箔厚度分別為h1、h2，介質(zhì)在熱回路中存在串聯(lián)關(guān)系，其等效熱阻為:

出于絕緣安全的考慮，換流變壓器套管從里到外都采用干燥的復(fù)合絕緣材料，主要部件包括中間導(dǎo)電桿、由環(huán)氧樹脂和皺紋紙制成的主要絕緣材料、鋁箔、SF6氣體、由硅橡膠和玻璃纖維、環(huán)氧樹脂制成的空心復(fù)合絕緣外套。套管法蘭以下部分浸入變壓器油中，上部用一定壓力的SF6氣體填充，外絕緣層由硅橡膠傘裙保護(hù)。其中套管在環(huán)氧樹脂浸紙的結(jié)構(gòu)中使用了長(zhǎng)3～8m的鋁箔阻隔層，長(zhǎng)度從內(nèi)部到外部逐漸減小，最內(nèi)層連接導(dǎo)桿，最外層連接接地法蘭。鋁箔阻隔層厚為2×10-5m。套管中的環(huán)氧樹脂、鋁箔的等效熱阻為:

可以看出，鋁箔相較環(huán)氧樹脂具有更高的熱導(dǎo)率和更小的傳熱距離。介質(zhì)串聯(lián)的等效熱阻為0.202 和環(huán)氧樹脂的等效熱阻0.2 相差很小。因此，鋁箔阻隔層的傳熱可忽略不計(jì)，直流套管溫度計(jì)算邊界條件如下：

（1）中心導(dǎo)桿以及出線端子根據(jù)給定的發(fā)熱計(jì)算值施加體積熱源，作為整個(gè)模型的能量源；

（2）套管絕緣介質(zhì)中加載的介質(zhì)損耗發(fā)熱；

（3）套管與空氣的散熱系數(shù)為14.5W/（m2·K）；

（4）試驗(yàn)環(huán)境溫度取全年日平均最高溫度28℃，輻射系數(shù)為1；

（5）SF6氣體、導(dǎo)桿、氣體接觸的表面定義為一個(gè)輻射組，輻射系數(shù)為1；

（6）變壓器油固定溫度92℃。

（7）3750A 額定電流激勵(lì)

上述條件下，用柱坐標(biāo)系。下方程表示

其中，λ 為導(dǎo)熱系數(shù)，qv表示單位體積熱量生成速率,r 表示芯體內(nèi)徑，T 表示流體溫度，Z 表示體積比熱容。計(jì)算得到的套管穩(wěn)態(tài)溫度分布如圖2 所示

圖2 換流變壓器套管穩(wěn)態(tài)溫度分布

可以看出，盡管套管的中央導(dǎo)桿在軸向上產(chǎn)生相同的熱量，但是溫度值的分布卻非常不同。底部的溫度傳導(dǎo)給變壓器油，頂部的熱量傳導(dǎo)給空氣，而中心附近的溫度需要經(jīng)由固體介質(zhì)散發(fā)，這導(dǎo)致套管溫度分布總體趨勢(shì)是兩端的溫度都較低，中間溫度較高。最高溫度分布于環(huán)氧樹脂芯體的中間部位，其溫度可達(dá)最低溫度的1.73 倍，而環(huán)氧樹脂起主要絕緣作用，如果溫度升高將會(huì)嚴(yán)重影響其電阻率，進(jìn)而引發(fā)電套管電場(chǎng)分布畸變，最終影響絕緣性能。將溫度梯度分布加載到電場(chǎng)的有限元模型中，可以得到不同的工作條件下，溫度梯度的影響下套管的電場(chǎng)分布，交流激勵(lì)電壓下套管的電場(chǎng)分布與介質(zhì)的電阻率無關(guān)。因此，僅需要計(jì)算溫度梯度下的套管直流電場(chǎng)和極性反轉(zhuǎn)電場(chǎng)。

2 溫度對(duì)換流變壓器套管直流電場(chǎng)的影響

圖3

如圖3 所示，套管在直流電壓下的場(chǎng)強(qiáng)最大為9.837 kV/mm，位于均壓罩處。直流電場(chǎng)主要分布在環(huán)氧樹脂內(nèi)部，中心導(dǎo)桿施加高電位，法蘭施加零電位，因此套管高場(chǎng)強(qiáng)集中于環(huán)氧樹脂內(nèi)部，低強(qiáng)度磁場(chǎng)集中在環(huán)氧樹脂外部。隨著距中心導(dǎo)向桿的徑向距離增加，直流電場(chǎng)強(qiáng)度逐漸降低。由于不同絕緣材料的電阻率不同，絕緣介質(zhì)交界面兩側(cè)的電場(chǎng)強(qiáng)度也不同，電場(chǎng)在交界處畸變。

受直流電壓影響，套管等電位線均勻分布，外部結(jié)構(gòu)的等電位線比內(nèi)部的等電位線更密。環(huán)氧樹脂的內(nèi)部和外部之間的電勢(shì)差較大，即徑向電勢(shì)梯度較大。鋁箔阻隔作用使得等電位線均勻地分布在環(huán)氧樹脂內(nèi)，鋁箔兩端等電位線發(fā)生明顯偏移。SF6氣體的電阻率大，在直流電壓作用下具有較大的電位降。

3 溫度對(duì)套管極性反轉(zhuǎn)電場(chǎng)的影響

在溫度梯度下，極性反轉(zhuǎn)過程中套管等電位線分布與常溫下大致相同。第一次極性反轉(zhuǎn)之前套管電場(chǎng)穩(wěn)定，電場(chǎng)分布和直流電場(chǎng)一樣，電位集中在SF6氣體中。第一次極性反轉(zhuǎn)之后，電場(chǎng)不同于直流電場(chǎng)。SF6氣體電場(chǎng)集中度介于AC、DC 電場(chǎng)之間。在反轉(zhuǎn)過程中，由于自由電荷的弛豫作用，套管介電界面的場(chǎng)強(qiáng)發(fā)生了畸變，套管中的環(huán)氧樹脂和硅橡膠之間的界面出現(xiàn)等電位線封閉，但是，導(dǎo)桿附近的環(huán)氧樹脂、SF6氣體的溫度上升相對(duì)較高，等電位線密集度下降。傘裙處硅橡膠和周圍空氣的等電位線密集度上升。第二次極性反轉(zhuǎn)時(shí)的電勢(shì)分布類似于第一極性反轉(zhuǎn)的電勢(shì)分布。

對(duì)于具有不同電特性的絕緣材料，當(dāng)極性相反時(shí)電場(chǎng)強(qiáng)度的特性有差異，而當(dāng)極性反轉(zhuǎn)時(shí)，低電阻率的材料會(huì)出現(xiàn)峰值。但是某些材料在反轉(zhuǎn)后很長(zhǎng)時(shí)間才能達(dá)到最大場(chǎng)強(qiáng)，而且該最大值是一個(gè)固定值。因此，極性反轉(zhuǎn)測(cè)試必須確保足夠長(zhǎng)的觀察時(shí)間，以確保測(cè)試的可靠性。在溫度梯度下套管極性反轉(zhuǎn)的最大電場(chǎng)強(qiáng)度仍然出現(xiàn)在均壓罩外部。92min 時(shí)，即完成反轉(zhuǎn)的那一刻，選擇沿均壓罩外表面的路徑記錄常溫、溫度梯度下直流電場(chǎng)路徑上的電場(chǎng)分布?？梢钥闯觯谡囟群蜏囟忍荻认?，變壓器油中沿均壓罩的電場(chǎng)具有相同的分布趨勢(shì)，但在溫度梯度以下，均壓罩下部具有較高的峰值。

為了研究在極性反轉(zhuǎn)過程中溫度梯度對(duì)套管中不同介質(zhì)電場(chǎng)的時(shí)變趨勢(shì)的影響（圖4），分析溫度梯度下A、B、C、D 不同位置兩次極性反轉(zhuǎn)前后電場(chǎng)強(qiáng)度的變化。

圖4

傘裙中部的硅橡膠、環(huán)氧樹脂分界面等位線發(fā)生閉合處各選取一個(gè)點(diǎn)，即A、B；環(huán)氧樹脂主絕緣下端與變壓器油接觸，兩種介質(zhì)中分界面處各取一點(diǎn)，即C、D。A 點(diǎn)（硅橡膠傘裙）的峰值場(chǎng)強(qiáng)達(dá)到固定值的25.63 倍，大于常溫下的反轉(zhuǎn)電場(chǎng)。同時(shí)溫度梯度下，B、C 和D 點(diǎn)處的反轉(zhuǎn)電場(chǎng)都大于常溫下的反轉(zhuǎn)電場(chǎng)，這表明溫度對(duì)極性反轉(zhuǎn)場(chǎng)強(qiáng)的影響變大，畸變更嚴(yán)重。

4 結(jié)語

綜上所述，通過有限元分析計(jì)算溫度因素對(duì)套管內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度分布的影響。在溫度梯度下的直流電場(chǎng)中，絕緣層外邊緣附近的場(chǎng)強(qiáng)增加，并且周圍空氣中的最大電場(chǎng)強(qiáng)度超過參考值3.0 kV/mm，容易發(fā)生放電、閃絡(luò)。如果下雨或起霧，則很可能會(huì)沿表面閃絡(luò)。同時(shí)，溫度梯度影響下?lián)Q流變壓器套管極性反轉(zhuǎn)兩者均大于室溫下的相應(yīng)值，表明極性反轉(zhuǎn)的場(chǎng)強(qiáng)畸變?cè)跍囟忍荻认伦兊脟?yán)重，對(duì)于套管絕緣性能有較大影響。