换流变压器电场强度的分析与仿真研究

广州西门子能源变压器有限公司 刘 璐

1 引言

在市场经济发展中，我国对电力能源需求持续增大，直流工程项目数量逐年上涨，并且容量从最初的8G W到当前最高的12GW，电压也从最初的±500kV 到最高的±1100kV，促使我国电力事业取得了巨大成就[1]。换流变压器是直流工程中的关键设备之一，其安全稳定性直接关乎直流线路的输电稳定性，而电场强度分析是换流变压器设计的研究重点[2]。和以往变压器同轴圆柱电场分析比较，变压器线圈出线区域电场更为复杂，更加需要对其电场进行仿真分析。

当前，我国换流变压器产品有很多，更多使用西门子、ABB 两项技术，但是随着换流变压器市场需求增多，很多研发企业都在加强技术合作，促使更多研发企业具备了换流变压器设计生产能力。如，沈变、保变等，都有很强的独立自主研发生产能力。并且，现阶段两种技术都属于高端产品，采用铁心向外方式形成，由调压绕组—网侧绕组—阀侧绕组三个部分组成，然而低端产品虽然也使用了铁心向外方式，但是在构成上由铁心—阀侧绕组—网侧绕组组成。针对低端换流变压器而言，阀侧绕组内部结构和引线区域在连接上，采用了非常特色的弯折形状结构。从以往期间研究分析，更多对整体电场强度进行研究，并没有对引线区域各个组成部分进行电场研究，导致现有仿真难以满足工程设计要求[3]。

本文以某输电工程使用的西门子换流变压器产品为例，通过使用2D 有限元电场仿真方法对换流变压器的引线区域研究分析，主要是对引线垂直区域的俯视图进行仿真计算，并且也对工程经典解释公式方法进行使用，对仿真结果进行对比，从而说明工程设计中可以使用解析方法对引线垂直区域进行计算；也使用3D 有限元电场仿真方法对引线弯折区域的电场仿真，通过使用2D 引线弯折旋转模型对3D电场仿真结果进行计算的新方法，以此增强电场仿真设计效率。因此，应该对引线区域进行明确分析，分区域进行电场仿真研究，有效保障工程设计的科学合理性，更好为人民群众提供安全稳定的供电服务。

2 阀侧出线垂直区域电场分析

2.1 经典电场解析方法

以某输电工程具体使用的产品为例，从铁心沿着外侧区域进行绕组，其形成阀侧绕组、网测绕组、调压绕组三种形状，并且阀侧引线需要放置在阀侧绕组的顶部，通过对引线区域有效划分，包括垂直部分、弯折部分[4]。阀侧绕组剖面如图1所示。在垂直部分中，阀侧引线位置可以对圆柱进行不同大小的仿真模型。

图1 阀侧绕组剖面

依托高斯定理对其进行推导，能够得到电场强度分析的计算式：

式（1）～式（4）中：R1是第一个圆柱电极的半径；R2是第二个圆柱电极的半径；D 是两个圆柱电极间的最近距离。

阀侧引线垂直部分电场分布和其具备的屏蔽大小、铁心尺寸、线圈长度等都有着密切关系。针对相同绕组而言，电场形状基本上都呈现出同心圆柱电场，因内外部绕组间存在介质材料不同，促使电场强度主要体现在油中，这就需要对介质距离进行计算，从而得到等值油隙。并且，受到电极形状影响，也可以对不同位置的油隙进行计算，从而得到各处的电场强度。因此，通过对经典电场解析方法使用，是可以对阀侧引线垂直部分电场进行仿真模拟，从而可以得到电场分布情况，以此对换流变压器使用的稳定程度进行判断。在这种计算方式中，基本上也不会对换流变压器产生影响，但是能够对设计方法进行判断，也可以提出优化调整的合理思路，以此能够保障换流变压器运行的稳定性。

2.2 2D 电场分析方法

针对阀侧绕组剖面电场仿真模型应当使用electro 边界元电场仿真软件进行研究计算。为确保模型更为直观，本文在研究过程中，将face 阀侧绕组各个部分进行综合考虑，分别建立模型。整个模型进行俯视如图2所示。

图2 垂直部分电场强度俯视

根据该仿真软件分析中，需要对电气属性数据进行收集，并且对不同部分的介电常数进行明确。从具体而言，铜材料相对介电常数为1.0；变压器油相对介电常数为2.22；绝缘纸相对介电常数为3.2；绝缘纸板相对介电常数为4.0；层压纸板相对介电常数为4.4。通过对2D 模型仿真进行研究分析，需要对边界条件进行合理设置。本文在研究中，主要对阀侧引线区域的电场进行分析。为更好让模型体现出直观性，促使其结语清晰，也为更好呈现出阀侧引线电位及电场分析的具体情况，结合当前正在使用的产品数据和设计思路，并且将电位设置623.6kV，铁心及电位数值是0，在仿真模拟后得到相对准确的数值。通过对等位线分布分析，发现等位线主要集中于阀侧引线区域，也在电极半径小的位置集中分布。再从电场强度能够发现整个其全部处于油孔隙位置，这满足电场强度分布和相对介电常数的设计理论，充分证明仿真结果属于实际。

通过对仿真结果分析后，发现仿真法和解析法最大误差只有2.5%，两者在油隙数值上也非常接近。通过对其进行进一步分析，发现二者变化过程趋势相同，在油隙位置持续更改过程中，二者也会进行相应的变化。通过对二者误差及变化趋势特点分析，在阀侧引线垂直部分的电场评估中，解析法和仿真法结果有着高度相似度，都可以符合输电工程设计的精确性要求。因此，在换流变压器中的阀侧引线垂直区域检测中，还需要对电场强度进行检测，才能判断换流变压器的使用情况。这两种仿真分析方法，都可以对阀侧引线垂直区域的电场强度进行确定，也可以对分布范围进行明确，从而判断换流变压器运行的稳定性。基于这种情况下，两种方式在现阶段使用过程中，依旧存在部分问题，很容易造成仿真结果不准确，对换流变压器设计及应用产生重大影响，这就需要设计出更能得到准确结果的仿真方法，以此实现换流变压器中的阀侧引线运行稳定。

3 阀侧出线弯折区域电场分析

3.1 弯折区域3D 电场仿真

阀侧绕组出现区域中，弯折部分电场来电源于引线弯折导致的，因电极形状本身是不规律的，电场分布非常复杂，促使其成为输电工程的重点。对图1所示部分的弯折部分进行电场仿真，并且在输电工程中使用3D 电场仿真软件进行分析。通过该软件应用后，对有限元计算可以将2D、3D 仿真过程进行区分，并且在求解过程中使用到静态、时谐、暂态等方式。一般情况下，3D 仿真模拟时间长，为更好提升求解效率，应当使用eleenet 构建全部模型的25%，有利于将其网测部分直观呈现。为更好对弯折部分的电场强度进行明确，需要构建针对性的3D 模型进行电场仿真计算。结合仿真模型建立中，应当对其进行分部分进行模拟，选择出左侧柱剖面电场进行分析，能够得到弯折部分电场强度是6.7kV/mm。

3.2 弯折区域2D 模拟方法

3D 模型需构建是对弯折部分电场强度计算的有效方法。但是，这种计算过程也存在诸多问题，如模型构建需要很长时间，计算量非常大，也需要很长时间才能得到结算结果。本文在研究过程中，找出了新的计算方式，借助2D 模型对弯折区域进行电场强度计算，促使其计算结果不断靠近3D 模型计算结果。为更好保障这两种计算方式的真实可靠性，应当在2D 模型建立中，选出相同引线区域的弯折部分，以此提升计算结果的可比性。在研究过程中，针对所选择的弯折部分，需要对其取出45%剖面，再将所选择剖面位置沿着引线区域的弯折半径顺时针旋转，并且对旋转后得到的2D 模型电场强度进行仿真计算，从而可以得到电场分布云图，如图3所示。

通过电场分布云图进行观察，能够发现2D 模型中反映出的电场强度是622.1kV/mm，比3D 模型电场强度要小1.5kV/mm，二者相差达到-0.24%。在输电过程中，该误差是在正常范围内，从另外一个方面而言，使用2D 模型旋转后对弯折区域的电场强度进行测试，是可以非常接近3D 模型计算结果的，这对工程应用是可行的。因此，应当将这种电场仿真分析方法，尽快应用到具体工程中，有效提升工程设计效率，也能更好满足当前的电力建设需求。

4 结语

本文通过对某输电工程具体应用换流变压器阀侧绕组出线为例，通过对阀侧引线进行科学合理分区，并且对电场仿真分析，借助二维电场有限元仿真软件对引线区域的垂直部分的俯视图进行仿真计算，也使用了工程中应用的解析法和仿真法进行对比，充分说明利用解析法对换流变压器阀侧绕组引线区域的电场强度评估是符合工程设计需求的；使用三维电场有限元仿真软件对换流变压器阀侧绕组引线区域的垂直部分进行电场强度仿真，设计出利用二维电场有限元仿真软件对弯折区域旋转后分析的方法，能够让其电场强度计算结果和三维有限元仿真软件结果接近，有效提升输电工程电场仿真设计效率和效果。

针对换流变压器阀侧绕组引线区域垂直部分的电场强度仿真，使用经典法计算和二维电场有限元仿真软件得到的俯视图结果是相同的，误差基本上没有大于3%。因此，针对换流变压器阀侧绕组引线区域垂直部分的电场强度仿真，使用经典法也是可以较好满足输电工程设计需求，并且精确度也符合要求。对于换流变压器阀侧绕组引线区域垂直部分的电场强度仿真，通过使用2D 俯视图二维弯折旋转后得到的结果和三维仿真结果保持一致，二者误差不超过-0.24%，这充分证明2D 俯视图二维弯折旋转模型是真实可靠的。基于研究结果而言，加上输电工程项目增多，应当将弯折区域2D 模拟方法更快在输电工程上应用，既可以满足输电工程设计的要求，也可以提升我国输电工程建设水平。