换流变压器内部混合电场的特性研究及绝缘分析

换流变压器内部混合电场的特性研究及绝缘分析

宋泽文王小明

（特变电工沈阳变压器集团有限公司辽宁110144）

摘要：本文主要针对换流变压器内部混合电场进行分析，论述了换流变压器内部混合电场的的一些具体的特点，并对其绝缘的性能和要素进行总结，供今后的工作和研究参考借鉴。

关键词：换流变压器；内部混合电场；特性；绝缘

前言

针对换流变压器内部混合电场的特性，我们必须要进一步的总结和分析，才能够找到其中的关键之处，并针对换流变压器内部混合电场的特性进行进一步的总结，为今后工作奠定基础。

1、换流变压器自身特点对保护的影响

随着电力工业的飞速发展，系统电压等级逐步提高，电气设备的绝缘强度、过电压的限制水平对系统安全经济运行的影响日益突出。据统计，高压电网的各种故障多是由于高压电气设备绝缘的损坏所致，因此了解设备绝缘特性，掌握绝缘状况，不断提高电气设备绝缘水平是电力系统安全经济运行的根本保证。

作为电力系统的主要设备变压器在运行中保持良好的绝缘是十分重要和必要的，为了保证变压器的绝缘水平，从变压器的制造开始，要进行一系列绝缘测试。这些测试包括：在制造时对原材料的绝缘试验、制造过程的中间试验、产品的定性及出厂试验、在使用现场安装后的交接试验、使用中为维护运行而进行的绝缘预防性试验等。其中变压器的交接试验和预防性试验是两类最重要的试验，其中交接试验不仅对变压器的整体绝缘情况有个判断。也为以后运行过程中的预防性试验提供了基础性的参考资料。

1.1变压器的短路阻抗。阀的换相本质上就是直流输电的两相短路，由于直流电在换相的过程中需要对电流进行限制，保证电流可以处在规定的范围中，因此会将换流变压器的短路阻抗进行调整，一般都会大于普通的变压器。但是，短路的阻抗变大就会令换流变压器相对于普通的变压器在二次侧的故障电流相对减小，这些问题就需要在进行保护配置以及整定上需要考虑在内的因素。

1.2直流的偏磁。大地回线的使用在直流输电的系统中经常会用奥，但是不可避免的会在运行中有一些直流电会流入大地，这种现象就会影响到地电位值使之发生改变，如此一来直流电就会进入到变压器的缘边绕组，原边绕组的改变会对变压器的直流绕组磁场进行影响，从而产生了直流偏磁现象，因此就会出现偏移的工作点。假如直流电超过了一定程度，就会使得变压器的铁芯出现饱和现象，如此一来损耗同时会增加，变压器的温升也随之升高。而保护措施就是为了防止此类现象的出现对变压器造成损害。

1.3谐波。谐波电流以及谐波电压的出现实则是由于换流器在直流和交流系统中的非线性特点造成的。谐波电流的出现是换流变压的主要特征。在电路系统的运行时，谐波电流的危害非常大，会导致交流电网的电容器以及发电机出现过热现象，并且还会干扰通信设备。在对换流变压器进行保护装置的安装时就需要避免谐波电流对其影响，这些需要进行考虑。

1.4调压分接头。交流电压的扰动会对直流系统产生一些不利影响，以此为了保证直流系统的稳定以及最佳的工作环境，换流变压器在分接头的电压调整能力都较强，这也是会对保护设计造成一定的影响，像是在运行状态下的变比出现的变化等等。

2、交、直流电压下套管电场

换流变压器套管是高压直流输电(highvoltagedirectcurrent，HVDC)工程中的关键设备之一，用于换流变电站中换流变压器与半导体阀厅、输电线路之间的电气连接、支撑以及对地绝缘。正是由于其所处的特殊位置，换流变压器套管在运行中不仅要承受高幅值的交直流混合电压以及各种过电压，启动、停运及潮流反送时还要承受动态直流电压。对于超/特高压等级的直流套管而言，套管内部绝缘结构也日趋复杂、样品制造周期长、试验困难、运行经验尚不完善，因此利用当前技术手段对套管复杂电场下绝缘性能进行计算分析，不仅可以为新式产品的设计提供更有力的依据，同时也将大大减少设计成本、缩短设计时间。

对于单一介质以及典型油纸绝缘的交、直流和极性反转电场研究已经较为成熟。但是随着电压级的提高和新型复合绝缘材料的应用，直流设备中的绝缘结构更加复杂。因此对于超/特高压等级的换流变压器阀侧套管这样的多层复杂绝缘设备，有必要深入研究其复杂电场激励下的电场分布特点。

交流和直流电压作用下，环氧树脂中的铝箔屏障强迫了套管中的电位分布，使环氧树脂和法兰附近电场均匀，但也使屏障两端电场变化剧烈。顶部出线和SF6气体中的均压罩在保护了复杂结构部位的电场分布同时其外侧也承担了较大电位梯度。直流电压下SF6中电场与交流下相比明显集中。这是由于：在静电场中介质内部电场由表面束缚电荷引起，每种介质相当于一个电容介电常数表征了介质电容的大小；恒定电流场中各介质相当于一个载流导体，介质内电场由介质电导率决定。SF6介电常数值和其他介质为同一数量级，因此在交流电压下各种介质较为均匀地分担了套管中的电势降；但SF6在未击穿情况下的导通电流能力相当微弱，电导率也很小，因此在直流场中承担了更多的电位降。

套管法兰以下部分插在变压器油中，当变压器油存在杂质微粒或者气泡时易发生局部放电，击穿电压也会明显降低。计算得到交、直流电压下套管最大场强均发生在变压器油中均压罩外侧靠下位置，最大值分别为7.295、9.863kV/mm。因此沿油中均压环外表面选取一条路径绘制。变压器油中均压环沿面电场在交、直流激励下分布趋势相同，但是直流电压下均压环下部会出现比交流下更明显的尖峰值。

3、极性反转电压下套管电场

3.1计算电压及步长

极性反转是直流设备承受的一种特殊工况，也是直流设备绝缘安全的薄弱环节。很多学者在计算极性反转电场时认为反转瞬间完成，反转后电场由直流稳态场叠加2倍负极性的容性场构成，但实际系统运行时极性反转需要一定时间。IEC规定反转时间应不超过2min，文中计算时采用极性反转时间为1min，幅值为822.3kV。

考虑电荷运动过程在套管中引起的暂态效应，计算步长选取如下：极性反转过程中以及反转后1min取计算步长△t=0.5s；反转后1~30min内取计算步长△t=10s；在之后的时间段里，电场分布变化比较平稳，可以选择较大步长来加快计算速度，反转30min后计算步长取△t=30s；总计算载荷步为1462。

3.2极性反转电场计算结果

为探究套管中不同介质电场在极性反转过程中随时间变化趋势，文中重点关注绝缘重要部位的不同介质中的电压和电场强度变化。共选择4个位置重点关注：伞群中部的硅橡胶和环氧树脂中各选取一个点，分别记为A、B；环氧树脂主绝缘下端直接与变压器油相接触，两种介质中各选择一个点，分别记为C、D。

3.3极性反转电场讨论

反转前套管电场已经稳定，电场分布与直流电场相同，电位多集中在SF6气体中。反转后套管电场与交、直流场均不同，SF6气体电场集中程度介于交、直流电场之间。反转过程中套管环氧树脂和硅橡胶表面均出现了等位线闭合的情况。这些电荷在直流电场中积累，极性反转时由于弛豫作用而无法立即消散。固体介质一般更易束缚住电荷，因而等位线闭合情况发生在固体介质表面。第2次极性反转过程电位分布情况与第1次相似。

4、结束语

综上所述，在总结换流变压器内部混合电场的特性的过程中，要深刻把握换流变压器内部混合电场的特点以及在应用过程中的实际情况，才能够设备应用水平，提高绝缘效果。

参考文献：

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[2]罗清严.高压电气设备绝缘技术的研究[J].商品与质量・焦点关注.2016（06）：252-253.