高压电容式套管电容芯子极板电场分布的研究*

路彦峰， 李 宏， 张金锋， 刘明胜， 何金鑫

(淮北师范大学物理与电子信息学院，安徽 淮北 235000)

0 引 言

高压套管电极结构特点决定了电容芯子极板和均压球表面的电场强度值要远大于其它部位，局部过高的电场容易击穿绝缘保护层而造成套管及其连接设备的损坏[1-3]。因此，在套管研制时必需对其电场分布进行分析进而对其结构进行优化，使套管内部的电场分布尽可能均匀。

在对套管电场进行计算时，首先需要建立尽可能符合实物的模型。但现有的文献大多只考虑了对均压球的优化[4-8]，忽略了均压球涂层的作用，也没有明确给出高压引线、变压器升高座直径及变压器外壳等因素的影响。本文就这方面展开、探讨其对套管电场分布的影响。另外，在应用有限元法进行计算时，截断边界S2定义和悬浮导体的处理则是有限元法的需要解决的两个问题，电荷守恒法、部分电容法、最小能量法等常用的悬浮电位处理方法并不适用于具有细长形状的套管悬浮导体极板，但是套管中介质的介电系数较小，虚拟介电常数法[4]就成为一个很好的选择。

1 高压套管电场计算模型

根据套管电场结构对称性的特点，可以将其看成二维轴对称问题。图1给出了计算模型，其中均压球内表面是指均压球与其涂层的交界面，均压球的外表面是均压球涂层与变压器油交界面。

图1 电容式套管、均压球和电容芯子计算模型

则高压套管内部的电位分布是如下边值问题的解

φ|Li=φ|Ci边界加强电位

2 高压套管电场分析

2.1 套管电场分析

以变压器升高座直径取500mm，高压引线长度为650mm为例(高电位取值100V，以下同)对套管电场分布进行分析。为表述方便起见，将电容芯子极板从内向外依次编号记为：1、2、…、n。计算结果表明：电容芯子极板和均压球表面的电场强度要远大于套管内其它部位场强值。由图2可知，按照编号从小到大的顺序，电容芯子极板外表面的电场强度依次减少；场强最大值均出现在图1所示位置，其它位置的场强值基本相等。图3则说明均压球的弧线表面处的场强明显要高于其它位置，且内表面的场强值要小于外表面。

图2 前10个级板表面的电场强度

图3 均压球表面的电场强度

2.2 影响套管电场分布因素的分析

图4表明高压引线能够影响套管的电场分布，并能在一定程度上降低均压球表面的最大电场强度。图5显示，有高压引线时均压球内、外表面电场强度的最大值分别比无高压引线时降低了4.78%和7.91%。因此，在套管场强分布的数值计算中高压引线的作用不可忽略。但是横向高压接引线产生的影响却很小。

图6-7分别研究了升高座直径对极板表面和均压球内、外表面场强分布的影响。由结果曲线表明：极板和均压球表面电场强度均随着变压器升高座直径的增加而有较大幅度的减小。以直径取480mm为基准，在直径取500mm、700mm两种情况下，极板的场强分别减少了2.05%、4.32%，均压球内表面场强分别减少了2.79%、20.03%；而外表面电场则减少了2.92%、20.03%。很明显，随着变压器升高座直径的增加，套管内部场强有较大的降低，电场分布也更加趋于均匀。

图5 高压引线对均压球内外表面场强的作用

图6 升高座直径以极板表面场强的作用

图7 升高座直径对均压球内外表面场强的作用

图8-10则分别研究了有无涂层及涂层的介电系数对套管电场分布的作用。结果显示，均压球涂层能够明显降低其表面上的电场分布，降低幅度达到50.6%之多。但是对极板产生的作用很小，仅有了0.4%的降低。涂层介电系数取值为3.5和4.5时均压球内外表面的电场强度最大值分别比取值为3时减少了18.5%和18.1%。此时，极板表面的场强最大值也减少了1.93%。

图8 涂层对均压球内表面场强的作用

图9 涂层介电系数对均压球内外表面场强的作用

图10 涂层介电系数对极板表面场强的作用

图11 极板位置对极板表面场强的作用

另外，就有无变压器外壳、移动电容芯子极板的位置、减少极板的个数、增加极板的厚度等几个方面进行了研究分析，图11和12分别表明极板表面场强随着极板位置下移的变化及极板位置对均压球内部的场强分布影响均很小。

图12 极板位置对均压球内表面场强的作用

3 结 论

通过对高压引线、变压器升高座直径、涂层、极板等影响套管电场分布因素的计算分析，得出如下结论：高压引线对极板和均压球表面的场强分布会产生较大影响，套管内部电场分布的不均匀程度随着变压器升高座直径的增加而得到明显的改善，而涂层同样是降低均压球表面场强值的一种非常有效手段，其降低幅度可以达到50.6%之多。而变压器外壳和极板位置、间距、厚度在一定范围内对套管场强分布产生的作用很小。