220kV产品的局放分析及电场仿真绝缘优化

摘 要：本文基于一台时间220kV产品产生局部放电的现象，分析了产生均局部放电的原因，并使用电场分析软件进行分析，提出了有效的电场改进措施，最终使产品顺利通过出厂试验。

关键词：电场仿真；绝缘优化设计

中图分类号：TM216 文献标识码：A 文章编号：1004-7344（2018）12-0194-02

1 前 言

随着我国电力变压器电压等级的提高，电力变压器的绝缘水平也随之显著提高，这样对产品的端部电场设计难度也提出了相应的挑战。如果绝缘设计的端部绝缘结构布置不合理，在很多绝缘考核可能出现影响的问题。特别是在变压器的感应试验时，用于端部电场的集中，可能出现局部放电等相应的问题。因此在产品绝缘设计时，需仔细考虑对产品的端部电场的分布情况，在变压器绝缘布置初期需要结合有限元仿真软件进行开展，仿真分析可以通过合理的布置端部绝缘结构，以保证产品的绝缘性能。

本文以某台实际220kV产品为例，在该台产品感应试验时出现局放超标的情况下，对其可能产生局放的原因进行详细分析，并结合电场分析仿真软件对其进行有效地验证。通过初步判断与有限元验证结合的方法，最终提出了改善电场集中的有效方法，通过合理的改进措施使产品最终通过局放试验。

2 产品局放试验过程及分析

2.1 产品主要性能参数

本文分析的产品为一台240MVA，220kV绝缘等级的变压器，其主要参数可以高压绕组联结组别为YN，中压绕组联结组别为YN，低压绕组联结组别为D。高压绕组的额定电压为230±8×1.25%kV，中压绕组的额定电压为117kV，低压绕组的额定电压为37kV。三个绕组的设备最高压电分别为252kV，126kV以及40.5kV。感应试验电压为395kV，200kV，以及85kV。三个绕组的局放量均控制为低于100pC以内。

该设计试验高压调压的方式，设计绝缘结构采用粗细调压方式，线圈的排列方式从铁心向外依次为低压绕组，中压绕组，高压绕组，粗调绕组以及细调绕组。不同绕组的匝数分布为高压绕组488匝，中压绕组276匝，低压绕组151匝，粗调绕组54匝，细调绕组53匝。

2.2 局放现象描述

根据GB1094.3标准规定，变压器在进行长时感应出厂试验时，在高压绕组端部对地达到1.5Um/√3时，需要进行局放量的检测。该项目要求在此阶段的局放量需要低于100pC，以达到考核变压器产品的端部绝缘性能的要求。在实际产品的出厂试验时，试验分接档位为第8档位，试验方法采用中性点直接接地接线方式进行。

在试验过程中，当加压过程中达到高压对地电位为1.1Um/√3=160kV时，出现了起始局放信号，高压B相局放量达到350pC。

加压到高压对地1.5Um/√3=218kV时，高压B相局放量达到1400pC。

由于感应试验与绕组匝数成正比，此时感应倍数可以计算为：

■=1.62

此后的短时间内反复加压、降压，发现该局放信号起始、熄灭相对稳定，且该局放量随电压升高而升高，因此考虑改变试验档位，通过改变电气连接方法进一步查找问题出现的线索。

保持感应试验时的接线方式不变，改变分接档位为17档。加压到高压对地142kV出现起始局放信号，高压B相局放量达到360pC。

继续在高压对地达到194kV时，B相局放量达到1800pC。

由于感应试验与绕组匝数成正比，此时感应倍数可以计算为：

■=1.62

保持长时感应试验时的接线方式不变，改变变压器的分接档位调整到1档。加压到高压对地电位为174kV出现起始局放信号，高压B相局放量达到335pC。

进一步采取局放超声定位措施，发现B相对高压侧油箱位置有较强的超声信号，出现位置正对于粗调线圈端部区域，具体位置见图1。

2.3 局放初步分析

初步对上述试验结果数据进行整理分析。从表1中可以看出，在保证了感应倍数相同的情况下，高压端部对地电位高的情况局放量却反而会小，这样可以初步判断局放与高压的端部对地电压并无直接联系。这样可以排除高压引线对油箱、夹件等地电位区域激发局部放电的可能性。

进一步整理分析发现，当高压端部对粗调端部电位差达到一定数值时，试验开始产生起始局放信号，且局放量的持续水平非常接近，具体可见表2中数据。从表2中可以看出，随着高压端部对粗调端部电位差值增加时，局放量也会相应增加，表现出正相关的趋势。这样可以初步判断出局放量与高压端部与粗调端部之间的电位差有直接关系，电位差值的增加会直接反映到该处的电场强度数值的增加，该区域为局部放电信号最有可能激发的位置。

3 电场仿真分析

3.1 电场计算验证

根据以上的初步判断，采用电场分析软件对该区域电场分布情况进行分析。

根据图1的确定的局放位置，局放信号可能出现在变压器器身内的高压与粗调之间。在有限元软件中采用2D轴旋转边界元方法进行仿真计算，仿真需要建立变压器的整体模型框架，在每个闭合区域赋予相应材料的属性。由于在交流电场分析的条件下，需要重点考虑材料的相对介电常数，通常油赋予2.2，纸板赋予4.0，近似2倍的关系。

建模计算是变压器整体的铁心中心作为计算的旋转轴，以高压侧的油箱为电位的零边界条件进行仿真计算。

电场计算的边界条件模拟实际感应试验在档位8的电场分布情况。其端部的电位分布作为电场分析的边界激励，各个绕组的端部电位值。

电场仿真的等位线分布图，可见图2。从仿真的模拟计算可以看出，由于粗调绕组端部的电极形状不够圆整，特别是在端部的电极形状，由于导线的倒角较小，整体粗调压绕组类似于90°直角，电极形状不好。通过仿真的结果来看，在粗调端部内侧的等位线密度非常集中，该处位置场强最大，这也就是感应试验下端部区域电场的薄弱点。该薄弱点区域直接导致在感应试验过程中的局部放电量过高，使得产品的局部放电指标无法满足合同要求。

3.2 绕组端部绝缘改进

根据以上的电场仿真结果，电场力线的集中区域在粗调的端部，因此考虑在粗调线圈端部增加额外屏措施以降低该处的电场强度。

具体设计通过在粗调绕组的端部位置增加一个静电环，静电环绝缘2mm，左上角的倒角为4mm，该善措施之前的导线倒角为0.5mm，这样该处的电极倒角增加了8倍。

同时考虑到该区域存在一个较大的油隙。由于变压器油隙中的耐电强度与其距离大小反相关，因此在该区域额外增加了两个1mm分瓣角环，进一步将油道分割为4mm，增加油隙的耐受强度。

根据改进后的绝缘布置，重新建立绝缘模型。通过仿真计算得到的等位线见图3。可以看出，正是由于粗调端部采用了静电环，有效屏蔽了粗调线圈本线左上角的场强集中区域，而静电屏倒角增大又有效的降低了表面场强，使得该区域场强大大降低。再结合通过进一步使用分瓣角环分割该处的油隙，有效提高了该油隙的场强耐受值。该改进方案也被最终应用在产品中。

4 重新处理

将原试验失败产品进行吊芯检查，拆除到粗调的端部绝缘，发现B相粗调端部沿端圈往上爬电，并发展到第一道分瓣角环，这样足够验证了以上分析的正确性。

将产品按电场优化后的绝缘结构进行处理，重新进行局放试验，局部放电由于合同要求，即在长时感应试验的1.5Um/√3阶段的局放量低于100pC，最后产品顺利出厂。

5 结 论

（1）对起始、熄灭相对稳定的局部放电类型（或期间），可通过合适的电气法去判断与放电相关的因素，例如改变变压器试验的分接等有效手段初步推测放生局部放电可能出现的位置；

（2）在线圈端部的高场强区域，可通过增加静电环改善电极形状，降低表面强度数值；

（3）在端部高场强区域的油道，可通过增加角环进一步分割成小油隙，提高油隙的耐电强度。

参考文献

[1]电力变压器第三部分绝缘水平、绝缘试验和外绝缘空气间隙（GB1094.3-2003）[S].

[2]冯慈璋.工程电磁场导论[M].高等教育出版社，2000.

[3]保定天威保变电气股份有限公司.变压器试验技术[M].北京：机械工业出版社，2000，3.

收稿日期：2018-3-25