1200KV变压器高压引线绝缘电场的数值分析

摘要：根据1200KV变压器高压引线绝缘结构的特点，分别建立了高压引线拐弯部位电场、靠近高压绕组的屏蔽引线电场和高压套管均压球电场的模型，并利用有限元方法进行了二维平面和轴对称场的数值分析，为合理设计和确定1200KV变压器高压引线绝缘结构提供了理论数据。
关键词：变压器　高压引线　电场　数值分析
　　引言
　　随着国内外电力工业的发展，电站及发电设
　　备的容量也在不断增加，为了经济合理地利用能源，进行远距离输电已不可避免，在国外，美国、意大利、俄罗斯等国家百万伏级特高压变压器的研制已有近三十年的时间，并已具备生产能力和形成了百万伏级特高压输电线路，在国内，专家预测我国在本世纪有望出现百万伏级特高压输电线路，因此，进行百万伏级变压器的开发研究十分必要。根据天威集团公司并联电抗器试验要求和未来技术发展情况，公司于1999年立项并开始进行百万伏级特高压变压器的研制工作，其中，1200KV高压引线绝缘结构的确定和绝缘电场分析是研究的关键内容之一，因此，对于具有复杂的几何形状和三维复合绝缘结构的高压引出线系统，在分析高压引线结构并合理简化的基础上，建立工程上可求解的模型并进行绝缘电场的数值分析和结构优化十分重要。
　　1建立模型
　　研制变压器的高压侧施加交流工频1390KV的电压，高压出线方式可以采取可卸式引出线结构或直接式引出线结构。本文针对前者建立模型和分析，如图1为可卸式引出线典型结构图，由

　　图1高压可卸式引线结构示意图
　　图可知，高压引出线绝缘结构的分析实际上是一个含有油、纸绝缘和金属电极在内的多介质、复杂几何结构形状的三维电场问题，但在满足工程结构设计要求的前提下，为了减少计算工作量和缩短计算周期，对高压引出线绝缘结构的电场分析进行合理简化十分必要，为此，作者分别建立了如下三个可求解的模型：
　　（1）高压引线拐弯部位的平面电场模型(下称模型1，图1中APBCDEFGQHA区域）；
　　第一类边界条件：①边界PB、BC、CD、DE、FG、GQ，电位为0.0kV；②高压引线电极及套管均压球，电位为1390kV；其余为二类边界条件.
　　（2）靠近高压绕组的屏蔽引线轴对称电场模型(下称模型2，图1中APBCNMIA区域）；
　　第一类边界条件：①边界PB、BC、CN，电位为0.0kV；②高压引线电极，电位为1390kV；其余为二类边界条件.
　　（3）高压套管均压球的轴对称电场模型(下称模型3，图1中KLGOK区域）;
　　第一类边界条件：①边界LG，电位为0.0kV；②高压引线电极及套管均压球，电位为1390kV，瓷套表面电位按线性分布考虑；其余为二类边界条件.
　　2数值分析
　　利用有限元方法，分别计算了高压引线拐弯
　　部位、靠近高压绕组的屏蔽引线和高压套管均压球三个模型的电场分布。根据模型1可以确定高压引出线结构的电场整体分布近似解和电场较集中的发生部位；利用模型1的数值分析结果和模型2、模型3，可以给出局部电场集中部位较详细的数值分析结果。
　　2.1高压引线拐弯部位平面电场模型的数值分析
　　如图2是高压引线拐弯部位电场（含靠近高压绕组的屏蔽引线部位）的等位线分布图，计算

　　图2高压引线拐弯部位电场(含屏蔽引线)的等位线分布
　　结果表明，在靠近高压绕组的屏蔽引线部位和高压套管均压球部位的电场分布较集中，其局部最大电场强度发生位置分别在靠近高压引线的屏蔽上下拐角部位和套管均压球圆角部位，其最大电场强度值分别为8.42kV/mm和3.62kV/mm。
　　2.2靠近高压绕组的屏蔽引线轴对称电场模型的数值分析
　　从图1可知，靠近高压绕组的屏蔽引线绝缘结构具有轴对称性，因此，模型2较模型1更能准确地反映实际的电场分布，为进一步确认两种模型电场强度计算结果的数量关系，在相同的计算条件下，表1给出了模型1和模型2在相同位置电场强度计算结果的比较。从表中数据可知，虽然模型1和模型2在点1~点4的最大场强值接近，但平面场模型1的结果与同轴圆柱电场随半径增加而减小的关系不一致，因此，模型1不能给出靠近高压绕组的屏蔽引线较准确的电场分布结果。
表1 模型1和模型2的电场强度结果比较（Kv/mm）
位置 　　引线电极附近 屏蔽电极附近
　　　　　　　　点1 点2 点3 点4

　　图6均压球直线部位的最大场强随升高座内径的变化
　　3结论
　　对1200KV变压器高压引出线结构分别建立
　　了不同部位的简化模型，并对模型本身和结构尺寸对计算结果的影响做了分析比较；通过绝缘电场的数值分析，得到了最大电场强度值及其发生部位，并初步确定了1200KV高压引出线的绝缘结构尺寸。