变压器套管表面空间电场特性研究

陈昊，黄祖荣，陈梦涛，张东东，黄宵宁，刘锦

(1. 国网江苏省电力有限公司检修分公司，江苏 南京 211102；2. 南京工程学院 电力工程学院，江苏 南京 211167)

我国电网已进入特高压、大电网、高负荷时代，新能源接入[1-2]、新设备并网[3-4]、负荷波动规律趋于复杂[5]，大大增加了输变电设备运维与检修的压力，亦对设备运行状态监测提出了更高要求[6-7]。近年来，大范围雾霾天气发生频率增高，部分变电站外绝缘设备运行外部环境较恶劣，尤其在夏季潮湿多雨、冬季降雪严重的典型气候特征出现时，由此引发的变压器套管瓷套沿面闪络等问题更为严重。

国内外对于电力系统设备检测进行了大量的研究，变压器套管带电检测方法有红外法、紫外法等[8]。红外测温技术不会影响变压器内部结构，且安全可靠，但受环境因素影响较大；紫外法可以检测到套管表面的异常放电情况，但是紫外检测设备价格昂贵，不易推广。优于带电检测技术的变压器套管在线监测技术已是目前研究热点[9-11]。文献[9]提出了基于介质损耗增长值、增长幅度的变压器套管在线监测故障预警方法。文献[11]提出了变压器套管末屏适配器于套管在线监测中的应用。

现有的变压器套管在线监测技术主要是通过末屏外部接地及安装相应测量装置，对变压器套管介损、电容量及泄漏电流进行实时监测；但由末屏外部接地导致的末屏接地不良、套管内部受潮等危险现象非常普遍[12]，这些现象对套管带来安全隐患。

作为重要电气参量之一，电场信号可通过非接触式传感的方法获得，其与末屏接线安装传感器的方式相比，不会对套管本身造成影响。获取变压器套管空间电场变化与其运行状态之间的联系，是非接触式变压器套管在线监测的前提。本文以交流500 kV R- C65515-KEA型油浸纸陶瓷变压器套管为对象，通过仿真建模详细分析了不同观测路径下，干燥、湿润、放电等3种典型表面状态的变压器套管周围空间电场变化特性，研究结果可为非接触式变压器套管在线监测提供理论支撑。

1 仿真模型及设置

1.1 试品

选取500 kV R-C65515-KEA型油浸纸陶瓷变压器套管作为仿真对象，建立有限元仿真模型，进行高压套管空间电场强度的特性分析。套管结构示意如图1所示，其由均压罩、导电杆、油浸纸-铝箔内绝缘电容心子、外绝缘瓷套伞裙构成。法兰以下部分均处于变压器油箱内。高压套管外瓷套为一大一小伞型，大伞间距为70 mm，大伞伸出为70 mm，大小伞伸出差为15 mm，干弧距离为5 470 mm，结构高度为6 690 mm，法兰上部瓷套平均直径为395 mm。

图1 变压器高压套管模型示意图Fig.1 Schematic diagram of transformer high voltage bushing model

由于变压器套管在任意径向截面均显现中心对称，各轴向截面呈现轴对称，选择二维空间对称模型简化建模，可以减小模型维度和简化仿真计算[13]。

1.2 参数设置

工频交流电压下，对变压器高压套管电流场进行仿真[14]，均匀电介质场中、自由电荷体密度不存在，其电位分布为

2φ=0.

(1)

对于二维轴对称场域中任意一点应满足方程

(2)

对于高压端和低压端电场满足一类边界条件，即

φ|L1=f0(p).

(3)

在对称轴处满足二类边界条件，即

(4)

不同表面状态下变压器套管电场分布的方程组：

(5)

式(1)—(5)中：φ为电位；σ、ε分别为材料的电导率和介电常数；r、z为圆柱坐标系中坐标；L1为高压侧的边界；L2为对称轴；Ω为求解场域；p为场域中任意一点；泛函数F为基于变分法求解电势分布的中间变量，其最小值即为微分方程的解；f0(p)为第一类边界条件系数，物理意义为高压端上的电位取所施交流电压的幅值；δ介质损耗常数；ω为 角速度。

仿真模型材料的介电常数和电导率见表1[13-15]。

表1 材料属性Tab.1 Material properties

利用有限元法求解空间电场分布时，对远处空气边界、变压器油箱外壳、法兰和最外层电容屏加载零伏电压，对于高压套管内部的导电杆加载实际运行电压。为保证计算精度的同时节省计算机内存资源，因套管伞裙和油浸纸等结构较密集，选取高密集度网格单元，而油箱内部和空气域等结构单一，选取粗糙网格划分。模型完成剖分后的示意图如图2所示。

图2 高压套管网格剖分图Fig.2 High voltage bushing meshing diagram

1.3 高压套管运行状态模拟设置

对3种不同表面状态下变压器套管空间电场强度分布变化进行模拟。

状态1——干燥洁净状态。由于高压套管周围附近的污秽沉积对于空间电场强度的影响较小，所以对于仿真模型不作额外修改。

状态2——湿润状态。通过在变压器套管表面设置1层均匀水膜边界来模拟套管湿润状态，如图3深色区域所示。

图3 湿润状态下的高压套管Fig.3 High voltage bushing in wet state

状态3——局部起弧状态。利用在高压套管表面边界设置电位差来模拟局部电弧放电，局部电弧桥接区域用电势交替排列来模拟，如图4所示在伞裙上设置不同的电压，使得电弧延伸至M点，即

图4 高压套管表面局部电弧设置示意图Fig.4 Partial arc setting on the surface of high voltage bushing

Ua=ALaI-na.

(6)

式中：Ua为局部电弧所承受电压的峰值；I为泄漏电流的峰值；La为电弧长度；na为与电弧电流有关的常数，当I<0.1 A时，na取0.2～0.5；A为与气体性质和气压有关的常数，且与电弧冷却情况有关。本文电弧长度为250 mm，A为68，na为0.3，I为15 mA，由式(6)计算出电弧电位差约为6 kV，基于此在高压端至M点深色连线的网格格点处设置点电位，从而形成电弧电位差，以模拟沿面局部电弧。

1.4 空间电场分布观测点设置

为便于后续试验对比，分别在法兰接地外壳上200 mm处、法兰接地外壳右侧200 mm处和距离上瓷套2 000 mm处设置3处观测路径，依次对应的观测路径1为AB、路径2为CD和路径3为EF，如图5所示。由图5可知，观测路径处电位快速跌落，能够代表套管周围电位的一般分布情况。后续讨论中所指的空间电场强度均指该3处观测路径的电场强度数值。

图5 空间电场强度观测线示意图Fig.5 Observation line of space electric field

2 仿真结果及分析

2.1 不同表面状态的空间电场强度分布特性

在路径AB、CD、EF 3种不同路径处提取不同状态下的高压套管空间电场强度特征值，观测不同路径的空间电场强度情况，分别如图6、图7和图8所示。

图8 观测路径3的空间电场情况Fig.8 Space electric field of observation line 3

图7 观测路径2的空间电场情况Fig.7 Space electric field of observation line 2

由图6可知：

图6 观测路径1的空间电场情况Fig.6 Space electric field of observation line 1

a)观测路径1处提取的空间电场强度特征值竖直分量、水平分量和电场幅值都随着距离A点位置的变远而呈现一个逐渐减弱的过程。

b)与干燥情况相比，湿润状态下观测路径1距离A点0～500 mm区间空间电场强度特征值体现出相当剧烈的变化，电场强度水平分量和电场强度幅值分别呈现相当显著的下降，前者幅度达385%，后者幅度达372%，距离A点500 mm处是变化的拐点；随着测量位置的变化，电场强度水平分量和电场强度幅值的变化速率趋于平缓。

c)与干燥情况相比，放电状态下观测路径提取空间电场强度特征值的变化趋势都近似于干燥情况，无法有效区分两者的状态。

综上可得，观测路径1上提取的空间电场强度特征值可以有效分辨干燥和湿润状态下的变化，但无法区分干燥和放电状态下的变化。

由图7可知：

a)观测路径2处提取的空间电场强度特征值(电场强度竖直分量、水平分量和电场强度幅值)随着距离D点位置越远而逐渐增大。

b)在此观测路径上距离D点4 000 mm的位置处，与干燥情况相比，湿润状态和放电状态下的电场强度竖直分量体现出相当明显增加。

c)在此观测路径上任意位置处，与干燥情况相比，放电状态下的电场强度幅值及其水平分量都无明显变化，表明通过监测路径上的电场强度幅值及其水平分量难以有效区分这2种状态。

综上可得，观测路径2上提取的空间电场强度竖直分量能有效区分变压器高压套管的干燥、湿润、放电不同状态，可以为输配电设备运行状态监测提供依据。

由图8可知：

a)观测路径3处提取的空间电场强度特征值竖直分量随着距离F点位置的变远总体呈现先增大后减小的趋势，而电场强度特征值水平分量和电场强度幅值呈现逐渐减小的趋势。

b)与干燥情况相比，在该观测路径上距离F点1 000 mm到2 000 mm之间，湿润状态下的电场强度竖直分量体现出相当明显增加，涨幅达86%。

c)在此观测路径上任意位置处，与干燥情况相比，放电状态下的电场强度幅值及其水平、竖直分量都无变明显变化，表明通过监测该路径上的电场强度信号难以有效区分这2种状态。

综上可得，观测路径3上提取的空间电场强度特征值无法有效区分套管在不同状态下的变化，故无法作为变压器套管状态监测的依据。

2.2 最佳路径下空间电场强度特征值对比

由第2.1节可知路径2(即CD)为最佳监测路径，基于此获得的仿真对比结果如图9所示。路径2位于变压器外壳附近，其对法兰位置电荷产生的电力线有一定的屏蔽作用；但高压套管结构很长，法兰至高压端之间大部分电荷产生的电力线都会经过路径2处，尤其是它们的竖直分量，本文考虑的几种典型表面状态，均处于套管外部，这将导致套管竖直方向爬距的电位发生变化，从而容易改变周围电场强度的竖直分量大小。路径1、3均受电场强度水平分量作用明显，而路径2的电场强度水平分量恰好能被外壳屏蔽，从而使得电场强度竖直分量产生明显变化，这有可能是路径2对套管表面状态改变而较为敏感的原因之一。

图9 观测路径电场流线分布Fig.9 Electric field streamline distribution of observation lines

综上所述，对比分析不同路径、不同表面状态下的空间电场强度仿真结果，可见路径2为反映套管表面状态的最佳路径，且应使用此路径下的空间电场强度竖直分量作为依据。由图7(a)所示，与干燥情况相比，在距离D点4 000 mm位置处，湿润状态和放电状态下的空间电场强度竖直分量增幅明显，以干燥状态为基准，得到湿润、放电2种状态下的空间电场强度竖直分量最大变化率分别为52%和31%；因此，湿润状态下的空间电场强度竖直分量最大变化率明显大于放电状态下的变化率，且3种不同状态下的空间电场强度竖直分量差异均可达到20%以上。排除因误差带来的影响，该差异十分明显，表明该处空间电场强度竖直分量可作为在线监测高压套管运行状态的特征值。上述结论同时表明，通过空间电场强度在线监测来实时获取变压器套管的运行状态在一定程度上是可行的。

3 结论

本文分别对干燥、湿润、局部起弧状态下的高压套管周围空间电场的幅值大小及变化规律进行了仿真分析，并得到如下结论：

a)不同表面状态下，变压器高压套管的空间电场变化明显。与干燥情况相比，湿润、放电状态下变压器套管空间电场均有一定的增加趋势。

b)3个典型观测路径下，观测路径1、3的空间电场特征值可以有效分辨干燥和湿润状态下的变化，但不能区分干燥和放电状态下的变化，因而无法作为变压器套管状态监测依据。

c)观测路径2上的空间电场竖直分量可以有效反映变压器高压套管的干燥、湿润、放电不同状态，其在3种不同状态下的差异可达到20%以上，故观测路径2上的空间电场竖直分量可作为监测高压套管表面运行状态的特征参量。