廣州西門子能源變壓器有限公司 劉 璐

1 引言

在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中，我國對(duì)電力能源需求持續(xù)增大，直流工程項(xiàng)目數(shù)量逐年上漲，并且容量從最初的8G W到當(dāng)前最高的12GW，電壓也從最初的±500kV 到最高的±1100kV，促使我國電力事業(yè)取得了巨大成就[1]。換流變壓器是直流工程中的關(guān)鍵設(shè)備之一，其安全穩(wěn)定性直接關(guān)乎直流線路的輸電穩(wěn)定性，而電場(chǎng)強(qiáng)度分析是換流變壓器設(shè)計(jì)的研究重點(diǎn)[2]。和以往變壓器同軸圓柱電場(chǎng)分析比較，變壓器線圈出線區(qū)域電場(chǎng)更為復(fù)雜，更加需要對(duì)其電場(chǎng)進(jìn)行仿真分析。

當(dāng)前，我國換流變壓器產(chǎn)品有很多，更多使用西門子、ABB 兩項(xiàng)技術(shù)，但是隨著換流變壓器市場(chǎng)需求增多，很多研發(fā)企業(yè)都在加強(qiáng)技術(shù)合作，促使更多研發(fā)企業(yè)具備了換流變壓器設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力。如，沈變、保變等，都有很強(qiáng)的獨(dú)立自主研發(fā)生產(chǎn)能力。并且，現(xiàn)階段兩種技術(shù)都屬于高端產(chǎn)品，采用鐵心向外方式形成，由調(diào)壓繞組—網(wǎng)側(cè)繞組—閥側(cè)繞組三個(gè)部分組成，然而低端產(chǎn)品雖然也使用了鐵心向外方式，但是在構(gòu)成上由鐵心—閥側(cè)繞組—網(wǎng)側(cè)繞組組成。針對(duì)低端換流變壓器而言，閥側(cè)繞組內(nèi)部結(jié)構(gòu)和引線區(qū)域在連接上，采用了非常特色的彎折形狀結(jié)構(gòu)。從以往期間研究分析，更多對(duì)整體電場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行研究，并沒有對(duì)引線區(qū)域各個(gè)組成部分進(jìn)行電場(chǎng)研究，導(dǎo)致現(xiàn)有仿真難以滿足工程設(shè)計(jì)要求[3]。

本文以某輸電工程使用的西門子換流變壓器產(chǎn)品為例，通過使用2D 有限元電場(chǎng)仿真方法對(duì)換流變壓器的引線區(qū)域研究分析，主要是對(duì)引線垂直區(qū)域的俯視圖進(jìn)行仿真計(jì)算，并且也對(duì)工程經(jīng)典解釋公式方法進(jìn)行使用，對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，從而說明工程設(shè)計(jì)中可以使用解析方法對(duì)引線垂直區(qū)域進(jìn)行計(jì)算；也使用3D 有限元電場(chǎng)仿真方法對(duì)引線彎折區(qū)域的電場(chǎng)仿真，通過使用2D 引線彎折旋轉(zhuǎn)模型對(duì)3D電場(chǎng)仿真結(jié)果進(jìn)行計(jì)算的新方法，以此增強(qiáng)電場(chǎng)仿真設(shè)計(jì)效率。因此，應(yīng)該對(duì)引線區(qū)域進(jìn)行明確分析，分區(qū)域進(jìn)行電場(chǎng)仿真研究，有效保障工程設(shè)計(jì)的科學(xué)合理性，更好為人民群眾提供安全穩(wěn)定的供電服務(wù)。

2 閥側(cè)出線垂直區(qū)域電場(chǎng)分析

2.1 經(jīng)典電場(chǎng)解析方法

以某輸電工程具體使用的產(chǎn)品為例，從鐵心沿著外側(cè)區(qū)域進(jìn)行繞組，其形成閥側(cè)繞組、網(wǎng)測(cè)繞組、調(diào)壓繞組三種形狀，并且閥側(cè)引線需要放置在閥側(cè)繞組的頂部，通過對(duì)引線區(qū)域有效劃分，包括垂直部分、彎折部分[4]。閥側(cè)繞組剖面如圖1所示。在垂直部分中，閥側(cè)引線位置可以對(duì)圓柱進(jìn)行不同大小的仿真模型。

圖1 閥側(cè)繞組剖面

依托高斯定理對(duì)其進(jìn)行推導(dǎo)，能夠得到電場(chǎng)強(qiáng)度分析的計(jì)算式：

式（1）～式（4）中：R1是第一個(gè)圓柱電極的半徑；R2是第二個(gè)圓柱電極的半徑；D 是兩個(gè)圓柱電極間的最近距離。

閥側(cè)引線垂直部分電場(chǎng)分布和其具備的屏蔽大小、鐵心尺寸、線圈長度等都有著密切關(guān)系。針對(duì)相同繞組而言，電場(chǎng)形狀基本上都呈現(xiàn)出同心圓柱電場(chǎng)，因內(nèi)外部繞組間存在介質(zhì)材料不同，促使電場(chǎng)強(qiáng)度主要體現(xiàn)在油中，這就需要對(duì)介質(zhì)距離進(jìn)行計(jì)算，從而得到等值油隙。并且，受到電極形狀影響，也可以對(duì)不同位置的油隙進(jìn)行計(jì)算，從而得到各處的電場(chǎng)強(qiáng)度。因此，通過對(duì)經(jīng)典電場(chǎng)解析方法使用，是可以對(duì)閥側(cè)引線垂直部分電場(chǎng)進(jìn)行仿真模擬，從而可以得到電場(chǎng)分布情況，以此對(duì)換流變壓器使用的穩(wěn)定程度進(jìn)行判斷。在這種計(jì)算方式中，基本上也不會(huì)對(duì)換流變壓器產(chǎn)生影響，但是能夠?qū)υO(shè)計(jì)方法進(jìn)行判斷，也可以提出優(yōu)化調(diào)整的合理思路，以此能夠保障換流變壓器運(yùn)行的穩(wěn)定性。

2.2 2D 電場(chǎng)分析方法

針對(duì)閥側(cè)繞組剖面電場(chǎng)仿真模型應(yīng)當(dāng)使用electro 邊界元電場(chǎng)仿真軟件進(jìn)行研究計(jì)算。為確保模型更為直觀，本文在研究過程中，將face 閥側(cè)繞組各個(gè)部分進(jìn)行綜合考慮，分別建立模型。整個(gè)模型進(jìn)行俯視如圖2所示。

圖2 垂直部分電場(chǎng)強(qiáng)度俯視

根據(jù)該仿真軟件分析中，需要對(duì)電氣屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，并且對(duì)不同部分的介電常數(shù)進(jìn)行明確。從具體而言，銅材料相對(duì)介電常數(shù)為1.0；變壓器油相對(duì)介電常數(shù)為2.22；絕緣紙相對(duì)介電常數(shù)為3.2；絕緣紙板相對(duì)介電常數(shù)為4.0；層壓紙板相對(duì)介電常數(shù)為4.4。通過對(duì)2D 模型仿真進(jìn)行研究分析，需要對(duì)邊界條件進(jìn)行合理設(shè)置。本文在研究中，主要對(duì)閥側(cè)引線區(qū)域的電場(chǎng)進(jìn)行分析。為更好讓模型體現(xiàn)出直觀性，促使其結(jié)語清晰，也為更好呈現(xiàn)出閥側(cè)引線電位及電場(chǎng)分析的具體情況，結(jié)合當(dāng)前正在使用的產(chǎn)品數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)思路，并且將電位設(shè)置623.6kV，鐵心及電位數(shù)值是0，在仿真模擬后得到相對(duì)準(zhǔn)確的數(shù)值。通過對(duì)等位線分布分析，發(fā)現(xiàn)等位線主要集中于閥側(cè)引線區(qū)域，也在電極半徑小的位置集中分布。再從電場(chǎng)強(qiáng)度能夠發(fā)現(xiàn)整個(gè)其全部處于油孔隙位置，這滿足電場(chǎng)強(qiáng)度分布和相對(duì)介電常數(shù)的設(shè)計(jì)理論，充分證明仿真結(jié)果屬于實(shí)際。

通過對(duì)仿真結(jié)果分析后，發(fā)現(xiàn)仿真法和解析法最大誤差只有2.5%，兩者在油隙數(shù)值上也非常接近。通過對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步分析，發(fā)現(xiàn)二者變化過程趨勢(shì)相同，在油隙位置持續(xù)更改過程中，二者也會(huì)進(jìn)行相應(yīng)的變化。通過對(duì)二者誤差及變化趨勢(shì)特點(diǎn)分析，在閥側(cè)引線垂直部分的電場(chǎng)評(píng)估中，解析法和仿真法結(jié)果有著高度相似度，都可以符合輸電工程設(shè)計(jì)的精確性要求。因此，在換流變壓器中的閥側(cè)引線垂直區(qū)域檢測(cè)中，還需要對(duì)電場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)，才能判斷換流變壓器的使用情況。這兩種仿真分析方法，都可以對(duì)閥側(cè)引線垂直區(qū)域的電場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行確定，也可以對(duì)分布范圍進(jìn)行明確，從而判斷換流變壓器運(yùn)行的穩(wěn)定性。基于這種情況下，兩種方式在現(xiàn)階段使用過程中，依舊存在部分問題，很容易造成仿真結(jié)果不準(zhǔn)確，對(duì)換流變壓器設(shè)計(jì)及應(yīng)用產(chǎn)生重大影響，這就需要設(shè)計(jì)出更能得到準(zhǔn)確結(jié)果的仿真方法，以此實(shí)現(xiàn)換流變壓器中的閥側(cè)引線運(yùn)行穩(wěn)定。

3 閥側(cè)出線彎折區(qū)域電場(chǎng)分析

3.1 彎折區(qū)域3D 電場(chǎng)仿真

閥側(cè)繞組出現(xiàn)區(qū)域中，彎折部分電場(chǎng)來電源于引線彎折導(dǎo)致的，因電極形狀本身是不規(guī)律的，電場(chǎng)分布非常復(fù)雜，促使其成為輸電工程的重點(diǎn)。對(duì)圖1所示部分的彎折部分進(jìn)行電場(chǎng)仿真，并且在輸電工程中使用3D 電場(chǎng)仿真軟件進(jìn)行分析。通過該軟件應(yīng)用后，對(duì)有限元計(jì)算可以將2D、3D 仿真過程進(jìn)行區(qū)分，并且在求解過程中使用到靜態(tài)、時(shí)諧、暫態(tài)等方式。一般情況下，3D 仿真模擬時(shí)間長，為更好提升求解效率，應(yīng)當(dāng)使用eleenet 構(gòu)建全部模型的25%，有利于將其網(wǎng)測(cè)部分直觀呈現(xiàn)。為更好對(duì)彎折部分的電場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行明確，需要構(gòu)建針對(duì)性的3D 模型進(jìn)行電場(chǎng)仿真計(jì)算。結(jié)合仿真模型建立中，應(yīng)當(dāng)對(duì)其進(jìn)行分部分進(jìn)行模擬，選擇出左側(cè)柱剖面電場(chǎng)進(jìn)行分析，能夠得到彎折部分電場(chǎng)強(qiáng)度是6.7kV/mm。

3.2 彎折區(qū)域2D 模擬方法

3D 模型需構(gòu)建是對(duì)彎折部分電場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)算的有效方法。但是，這種計(jì)算過程也存在諸多問題，如模型構(gòu)建需要很長時(shí)間，計(jì)算量非常大，也需要很長時(shí)間才能得到結(jié)算結(jié)果。本文在研究過程中，找出了新的計(jì)算方式，借助2D 模型對(duì)彎折區(qū)域進(jìn)行電場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)算，促使其計(jì)算結(jié)果不斷靠近3D 模型計(jì)算結(jié)果。為更好保障這兩種計(jì)算方式的真實(shí)可靠性，應(yīng)當(dāng)在2D 模型建立中，選出相同引線區(qū)域的彎折部分，以此提升計(jì)算結(jié)果的可比性。在研究過程中，針對(duì)所選擇的彎折部分，需要對(duì)其取出45%剖面，再將所選擇剖面位置沿著引線區(qū)域的彎折半徑順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，并且對(duì)旋轉(zhuǎn)后得到的2D 模型電場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行仿真計(jì)算，從而可以得到電場(chǎng)分布云圖，如圖3所示。

通過電場(chǎng)分布云圖進(jìn)行觀察，能夠發(fā)現(xiàn)2D 模型中反映出的電場(chǎng)強(qiáng)度是622.1kV/mm，比3D 模型電場(chǎng)強(qiáng)度要小1.5kV/mm，二者相差達(dá)到-0.24%。在輸電過程中，該誤差是在正常范圍內(nèi)，從另外一個(gè)方面而言，使用2D 模型旋轉(zhuǎn)后對(duì)彎折區(qū)域的電場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試，是可以非常接近3D 模型計(jì)算結(jié)果的，這對(duì)工程應(yīng)用是可行的。因此，應(yīng)當(dāng)將這種電場(chǎng)仿真分析方法，盡快應(yīng)用到具體工程中，有效提升工程設(shè)計(jì)效率，也能更好滿足當(dāng)前的電力建設(shè)需求。

4 結(jié)語

本文通過對(duì)某輸電工程具體應(yīng)用換流變壓器閥側(cè)繞組出線為例，通過對(duì)閥側(cè)引線進(jìn)行科學(xué)合理分區(qū)，并且對(duì)電場(chǎng)仿真分析，借助二維電場(chǎng)有限元仿真軟件對(duì)引線區(qū)域的垂直部分的俯視圖進(jìn)行仿真計(jì)算，也使用了工程中應(yīng)用的解析法和仿真法進(jìn)行對(duì)比，充分說明利用解析法對(duì)換流變壓器閥側(cè)繞組引線區(qū)域的電場(chǎng)強(qiáng)度評(píng)估是符合工程設(shè)計(jì)需求的；使用三維電場(chǎng)有限元仿真軟件對(duì)換流變壓器閥側(cè)繞組引線區(qū)域的垂直部分進(jìn)行電場(chǎng)強(qiáng)度仿真，設(shè)計(jì)出利用二維電場(chǎng)有限元仿真軟件對(duì)彎折區(qū)域旋轉(zhuǎn)后分析的方法，能夠讓其電場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果和三維有限元仿真軟件結(jié)果接近，有效提升輸電工程電場(chǎng)仿真設(shè)計(jì)效率和效果。

針對(duì)換流變壓器閥側(cè)繞組引線區(qū)域垂直部分的電場(chǎng)強(qiáng)度仿真，使用經(jīng)典法計(jì)算和二維電場(chǎng)有限元仿真軟件得到的俯視圖結(jié)果是相同的，誤差基本上沒有大于3%。因此，針對(duì)換流變壓器閥側(cè)繞組引線區(qū)域垂直部分的電場(chǎng)強(qiáng)度仿真，使用經(jīng)典法也是可以較好滿足輸電工程設(shè)計(jì)需求，并且精確度也符合要求。對(duì)于換流變壓器閥側(cè)繞組引線區(qū)域垂直部分的電場(chǎng)強(qiáng)度仿真，通過使用2D 俯視圖二維彎折旋轉(zhuǎn)后得到的結(jié)果和三維仿真結(jié)果保持一致，二者誤差不超過-0.24%，這充分證明2D 俯視圖二維彎折旋轉(zhuǎn)模型是真實(shí)可靠的?；谘芯拷Y(jié)果而言，加上輸電工程項(xiàng)目增多，應(yīng)當(dāng)將彎折區(qū)域2D 模擬方法更快在輸電工程上應(yīng)用，既可以滿足輸電工程設(shè)計(jì)的要求，也可以提升我國輸電工程建設(shè)水平。