换流变压器套管出线装置许用场强及其绝缘结构型式设计研究

张施令，彭宗仁，龚桂胜

（1.国网重庆市电力公司电力科学研究院，重庆 401123；2.西安交通大学 电力设备电气绝缘国家重点实验室，陕西 西安 710049；3.桂林电器科学研究院有限公司，广西 桂林 541004）

0 引言

换流变压器作为超/特高压直流输电工程中的重要设备，其运行状况直接关系到电力输送的可靠性。换流变压器运行工况复杂，阀侧绕组不仅要承受交/直流电压作用，而且在电能潮流反送或极性反转试验中，还需承受极性反转电压的作用，这对换流变压器绝缘系统的设计标准和制造质量都提出了更高要求。出线装置作为连接换流变压器高压绕组与套管尾部的必要设备，作为变压器油中载流端子与高压引出线的连接结构，对保证变压器的载流性能和套管尾部的绝缘性能具有重要作用，其运行状况是决定换流变压器整体性能的关键因素[1-5]。

高压套管尾部的电场比较集中，特别是均压球表面及附近的油中场强较高，极易引发电晕放电、闪络甚至绝缘介质击穿，因此需要设计合理的变压器出线装置结构。出线装置一般由绝缘纸板形成的屏障系统构成，该系统可将大油道分割为许多小油隙，且各油隙宽度与局部场强相匹配，这样可有效提高油隙的绝缘强度，另外绝缘屏障可防止悬浮杂质和气泡等在电应力作用下形成小桥击穿[6-7]。实际工程中的出线装置一般安装在换流变压器升高座内部，其空间较小，结构紧凑，且同时存在变压器油、绝缘纸板、环氧浸纸等多种复合绝缘介质，在交/直流稳态、极性反转、交直流叠加等运行和试验电压下，电场分布极为复杂，因此有必要在各工况下对换流变压器出线装置复合绝缘结构的电场分布开展较为准确的数值模拟研究[8-9]。特高压换流变套管尾部包含环氧浸纸芯子、变压器油、油浸纸板等多种绝缘介质，且换流变套管升高座内空间狭小，因此套管尾部电场分布较为复杂和集中，需设计安装结构合理的出线装置来改善套管尾部的电场分布[10]。一方面，现场条件下，直流稳态和极性反转是换流变套管出线装置复合绝缘结构的两种典型运行工况；另一方面，环氧浸纸、变压器油、油浸纸板等绝缘介质的电性能参数具有较强的场变、温变非线性，因此在温度梯度存在时，其电性能参数的改变将影响复合绝缘结构的直流稳态和极性反转电场。

本研究讨论了典型绝缘介质的许用电场强度，分析不同运行温度、不同直型屏障数量、不同直型屏障位置、极性反转电压下出线装置的电位和电场分布特征规律，建立出线装置三维有限元仿真模型对其整机进行电场校核计算与分析，结合许用场强得出关键路径的绝缘裕度，以期为换流变压器出线设计提供参考。

1 出线装置关键部件分析及许用场强讨论

1.1 出线装置关键部件分析

换流变压器阀侧套管出线装置各关键位置处的控制场强与以下两方面因素有关：具体位置和运行工况，其中具体位置包括：①均压球+外包覆；②油浸纸筒屏障内部；③纸筒屏障间油隙内部；④油浸纸筒屏障端部；⑤套管尾部；⑥电容芯子内部径向；⑦电容芯子内部轴向。①～⑤关键部位的位置如图1所示，⑥和⑦是套管电容芯子内部关键位置[11]。

图1 出线装置关键位置示意Fig.1 Schematic diagram of key positions of outlet device

运行工况是指对出线装置施加的电压型式，主要包括：①交流耐受；②直流耐受；③交直流叠加；④电热耦合；⑤极性反转；⑥操作耐受和雷电耐受电压。一般认为对于场强均匀分布的油隙，局部放电起始场强Epd是油隙厚度d的函数[12-13]，如式（1）所示。

式（1）中：Epd为均匀场强条件下1 mm厚度油隙的局放起始场强；d为油隙的厚度，单位为mm；a为指数系数。从式（1）可以看出，d越小，Epd(d)反而增大。要计算油隙间的场强Epd(d)，需要确定式（1）中的Epd(1 mm)和指数a，这样就可直接根据式（1）确定油隙在不同厚度下的局部放电起始场强Epd(d)。对于脱气变压器油，Epd(1 mm)=21 kV/mm，a=0.37；对于饱和气变压器油，Epd(1 mm)=17.8 kV/mm，a=0.364[13]；根据文献[3]的数据反推可得Epd(1 mm)=15.686 kV/mm，a=0.302 2。假设出线装置油隙的厚度在0.1～100 mm变化，将上述数值代入式（1）进行计算，结果如图2所示。

图2 油隙厚度与局部放电起始场强的关系对比Fig.2 Relationship between the thickness of oil gap and the partial discharge initial field strength

从图2可以看到，经过脱气的变压器油比未脱气的变压器油具有较高的局部放电起始场强（相同油隙厚度下），主要原因是未脱气的变压器油容易形成气泡。同时还可以看到局部放电起始场强随油隙厚度增加反而降低，这主要是由于厚度越大，出现绝缘缺陷的可能性就越大。根据设计曲线得到典型油隙厚度下的局部放电起始电场强度，如表1所示。

表1 油隙厚度与局部放电起始场强关系Tab.1 Relationship between the thickness of oil gap and partial discharge initial field strength

对于油隙局部放电起始场强的判定：首先在各工况下，计算出线结构油隙各处的最大场强，再根据式（1）计算局部放电起始场强，然后对两者进行比较，计算值需低于许用场强。从表1的计算结果可以看出，油道厚度越大，局部放电起始场强反而越低，因此对油隙中局部放电起始场强的电场校核需主要关注厚油隙处的设计裕度。

1.2 出线装置许用场强计算

（1）出线装置纸板内电场强度许用值

从机械强度和电气性能综合考虑，绝缘纸板的厚度一般取2 mm[14]，一般说来绝缘纸板的电气强度大概为变压器油的3～4倍[15]。因此纸板内场强许用值可以根据纸板的厚度d计算，将d代入式（1）计算出局部放电起始场强Epd，然后再在Epd的基础上乘以3～4倍系数即可。

（2）出线装置纸板、油界面切向电场强度许用值

对于纸板、油界面切向电场强度的控制主要是防止沿纸板、油界面发生闪络。对于这个场强的许用值，一般是通过式（1）计算得到油隙的局部放电起始场强Epd(d)，然后将Epd(d)乘以70%，以此作为纸板、油界面切向电场强度的许用值。纸板/油界面和单纯油的电气强度相当，主要是由于油能够进入纸板纤维素中，因此油与纸板界面过渡很好，不同于瓷套、环氧与油之间形成的界面，但为了防止界面由于粗糙可能积累油中的污秽，本研究按照上述方法给出界面切向场强许用值[16-17]。

（3）均压球表面电场强度许用值

一般来说，分两种情况讨论：①均压球加包覆，此时的场强许用值按纸板内的场强许用值即可；②均压球表面不加包覆，此时场强许用值按照变压器油的场强许用值即可。对于以上两种情况，式（1）中的Epd(1 mm)=13.5 kV/mm，a=0.375，两种情况的计算结果对比如图3所示。

图3 均压球附近油隙厚度与局部放电起始场强的具体数值关系Fig.3 Relationship between the thickness of oil gap near the corona ring and the partial discharge initial field strength

从图3可以看出，油与金属直接接触后，局部放电起始场强反而降低，主要是由于表面包覆可在一定程度上避免均压球尖端毛刺绝缘缺陷出现，改善了其表面状态分布。

（4）其他电压型式作用下各关键位置处场强许用值的转换关系

前述场强许用值都是在交流电压下得出的(1 min，50 Hz，有效值)，在雷电冲击电压、操作冲击电压、1 h交流冲击等电压型式下，需要根据前述场强许用值进行修正，如式（2）所示。

式（2）中，DIL-factor为修正系数，对于雷电冲击，其值为2.3；对于操作冲击，其值为1.8；对于1 h交流冲击，其值为0.8。现以油隙厚度为11 mm，纸板厚度为2 mm进行说明，如式（3）～（4）所示。

式（4）中，修正系数取3.5，以上计算结果表明纸板内出现局部放电的可能性较小。

在雷电和操作冲击下，根据前述修正系数进行修正即可得到许用场强。极性反转条件下，出线装置局部区域会出现场强的渐变，甚至会出现场强峰值，此时需要对出线装置进行极性反转的计算，将最严重的场强分布和前述许用场强进行比较。另一方面，考虑到后续将计算出线装置油纸绝缘系统直流稳态条件、极性反转条件下的电场分布情况，将油纸绝缘体系(OIP)电导率与电场、温度的非线性关系示于图4中。

直流稳态、极性反转条件下，出线装置电场分布决定于材料的电导率和介电常数，由图4可知，绝缘材料的电导率与温度、电场存在非线性关系，因此在直流稳态电场的计算中，需考虑绝缘材料的温度、电场非线性和各向异性。

图4 电导率非线性特征Fig.4 Nonlinear characteristics of conductivity

2 出线装置的三维有限元仿真模型及变量分析

2.1 出线装置的三维有限元仿真模型建立

目前±400 kV换流变出线装置典型结构型式包括敞开式、封闭式等[18]，限于篇幅现采用“直型屏障”+“均压球包覆”结构型式进行说明，图5为出线装置典型结构实物图，可见若干直型屏障呈阶梯状排布，且均压球表面均包覆绝缘纸板。依据典型结构型式实物建立三维有限元仿真模型，如图6所示。从图6可以看出，依据不同均压球外轮廓形状可配置对应外绝缘包覆，且直型屏障可保持一致。加载过程中在出线装置中心导体上加载高电位，在出线套筒上施加零电位，其电位和电场分布如图7所示。

图5 出线装置典型结构型式实物Fig.5 Typical structure of outlet device

图6 出线装置典型结构三维有限元模型Fig.6 3D FEM model of outlet device

图7 出线装置电位电场分布Fig.7 Potential and electric field distribution of outlet device

从图7可以看出，等位线从套管尾部均匀发散至直型屏障内部，表明套管尾部有较强的电位调制作用[19]。同时出线装置在直流条件下的高场强区域主要集中于直型屏障内部，表明直型屏障具备较好的电阻分压效果。在此基础上，继续针对以下3种变量下出线装置的电位电场分布进行讨论：①不同运行温度；②不同直型屏障数量；③不同直型屏障位置。通过以上影响因素讨论挖掘出线装置电场分布与绝缘结构的关系。

2.2 运行环境及结构参数对电场分布的影响分析

（1）不同运行温度

25、50、90℃下出线装置的电位分布如图8所示，分别对应室温、轻载、重载3种条件。从图8可以看出，温度在一定程度上影响等位线分布，特别是均压球附近的等位线分布，在温度变化过程中重点关注均压球包覆、直型屏障两处电场强度与温度的关系，如图9所示。

图8 不同温度下等位线分布Fig.8 Potential distribution under different temperatures

图9 不同温度下关键位置场强值Fig.9 Field strength of key positions under different temperatures

从图9可以看出，随着温度的升高，均压球包覆的电场强度先逐渐降低后略微升高，直型屏障中的电场强度逐渐下降，表明在温度升高过程中绝缘纸板分担的电压逐渐减小，因此重载和高温条件下较易发生纸板闪络等绝缘事故。

（2）不同直型屏障数量

出线装置直型屏障将套管尾部较大的变压器油隙空间分割为较多小油隙，由前述理论可知将大油隙分割为小油隙可有效提高其击穿场强[20]。不同直型屏障数量出线装置附件等位线分布如图10所示。从图10可以看出，随屏障数量的增多，出线装置附近发散至外部区域的等位线减少，表明屏障数量对套管尾部电位分布的影响较为显著。特高压出线装置的设计依据：①各关键部位场强需满足控制要求；②直型屏障下端部满足爬电距离要求。将均压球包覆直型屏障两处电场强度与屏障数量变化关系示于图11中。

图10 不同屏障数量下等位线分布Fig.10 Distribution of equi-potential lines under different number of barriers

图11 不同屏障数量下关键位置场强值Fig.11 Field strength of key position under different number of barriers

从图11可以看出，随着直型屏障数量的增加，均压球包覆内的最大电场强度下降显著，而直型屏障内的电场强度略微上升，均在控制场强范围之内，说明直型屏障对高压均压具有分配电压的作用。

（3）直型屏障位置

直型屏障在出线装置中的位置同样为变化因素之一，在其设计中需确定屏障位置，以便于安装过程中能够有效定位，位置移动示意如图12所示。

图12 出线装置位置坐标变化Fig.12 Coordinate change of outlet device position

在出线装置位置变化过程中，重点关注直型屏障及均压球包覆最大电场强度随坐标变化的情况，如图13所示。从图13可以看出，直型屏障上下移动过程中，均压球包覆上弧面、下弧面和下端部的电场强度均逐渐减小；直型屏障左右移动过程中，3处电场强度均逐渐增大，在出线装置设计中可依据场强设计值反推出其坐标位置，以便进行定位安装。

图13 出线装置位置与电场强度关系Fig.13 Relationship between the position of outlet device and electric field strength

3 出线装置整机校核计算与分析

出线装置整机校核计算与分析主要包括小油隙绝缘裕度分析和极性反转电压作用下的电位电场分布特征。其中小油隙局放裕度为油隙局放起始电场与油隙实际电场之间的比值，以图6中1#结构与2#结构型式均压球包覆间油隙绝缘裕度为例进行说明，将其示于图14中。

图14 油隙绝缘裕度Fig.14 Oil gap insulation margin

从图14可以看到，1#结构与2#结构各个油隙均存在较高的绝缘裕度，其中1#结构4个油隙的绝缘裕度分别为2.72、2.81、3.07、5.57，2#结构4个油隙的绝缘裕度分别为2.76、2.42、2.85、6.16，表明两种绝缘结构裕度较高且较为均匀，同时可见具有较高电场强度的油隙位于靠近均压球侧，且分布在均压球倒角处。以上场强分布计算结果表明，为保证各个油隙的绝缘裕度分布均匀，在靠近均压球侧的油隙厚度应较小，保证其具有较高的局部放电起始电场强度。进一步考核出线装置直型屏障结构在极性反转电压作用下的电位和电场瞬态变化，如图15所示。

图15 出线装置极性反转瞬态等位线Fig.15 Polarity reversal transient equi-potential line of outlet device

从图15可以看出，出线装置在极性反转过程中，在5 400、10 800、13 500、18 900 s 4个时间点内瞬态等位线差异较大，在5 400 s附近接近于交流条件下的等位线分布，而后逐渐过渡到直流条件下的等位线分布。

4 结论

通过分析换流变压器尾部出线装置在各种不同运行工况下的许用场强，建立了典型出线结构有限元仿真计算模型，在极性反转等各种电压型式下讨论了出线装置瞬态电位、电场分布特征，得到如下结论：

（1）脱气变压器油的局部放电起始场强Epd(1 mm)=21 kV/mm，a=0.37；饱和气变压器油的局部放电起始场强Epd(1 mm)=17.8 kV/mm，a=0.364。对于雷电冲击，DIL-factor修正系数为2.3，对于操作冲击，DIL-factor修正系数为1.8，对于1 h交流耐受，DIL-factor修正系数为0.8。

（2）运行温度、直型屏障数量、直型屏障位置对出线装置电场分布的影响显著。随着温度的升高，均压球包覆中的电场强度先逐渐降低后略微升高，直型屏障中的电场强度逐渐下降，重载高温条件下较易发生纸板闪络等绝缘事故。

（3）出线装置各个油隙均存在较高的绝缘裕度，1#结构4个油隙的绝缘裕度分别为2.72、2.81、3.07、5.57；2#结构4个油隙的绝缘裕度分别为2.76、2.42、2.85、6.16，两种绝缘结构裕度较高且较为均匀，具有较高电场强度的油隙位于靠近均压球侧，且分布在均压球倒角处。