表面受潮對澆注干式變壓器線圈表面電場的影響研究*

許加柱,周 科, 易吉良,劉四維,肖 勛,周冠東

(1. 湖南大學 電氣與信息工程學院,湖南 長沙 410082；2. 順特電氣設備有限公司，廣東 佛山 528300； 3. 湖南省電力公司，湖南 長沙 410082)

環(huán)氧樹脂澆注干式變壓器因其具有無毒、阻燃、體積小、噪音低、抗短路能力強、環(huán)保等優(yōu)點，而被廣泛地應用于城市配電網(wǎng)、城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)中[1-2].因環(huán)氧樹脂澆注干式變壓器的絕緣包封是直接暴露在空氣之中的，受環(huán)境因素的影響較大.根據(jù)調研的信息，環(huán)氧樹脂澆注干式變壓器在漏水、凝露等較為潮濕環(huán)境下其樹脂絕緣表面極易產生沿面放電，并可能在樹脂表面產生類似于樹枝狀的放電通道，從而造成外絕緣表面的絕緣損傷.

近年來，針對環(huán)氧樹脂澆注干式變壓器的沿面放電的研究成果鮮有報道.沿面放電是局部放電的一種.但目前關于局部放電的研究主要集中在局放的監(jiān)控以及測量方面[3-5].沿面放電發(fā)生在不同介質的接觸面上，文獻[6-7]對不同介質分界面上的放電開展了相關的理論分析研究.文獻[8-10] 分析了環(huán)氧樹脂澆注干式電抗器絕緣表面沿面放電的原因及相應的改進措施，這對環(huán)氧樹脂澆注干式變壓器的沿面放電研究具有重要的指導意義[11].表面覆水對絕緣表面的影響較為復雜，放電的過程也較為復雜，但是目前針對環(huán)氧樹脂澆注干式變壓器表面覆水如何影響表面沿面放電仍有待進一步研究[12-14].因此，開展環(huán)氧樹脂澆干式變壓器表面覆水情況下的沿面放電研究具有重要的理論和工程應用價值.

本文以一臺10 kV環(huán)氧樹脂澆注干式變壓器為研究對象，在其二維有限元模型的基礎上，通過對絕緣表面處于干燥、帶有連續(xù)受潮層兩種不同運行環(huán)境下的沿面電場進行對比分析，以探究其絕緣表面沿面放電的工作機理，并針對存在的問題提出相應的改進措施.

1 模型結構與參數(shù)

1.1 模型結構

本文研究對象為一臺10 kV環(huán)氧樹脂澆注干式變壓器，高壓繞組高度為1 030 mm，其高壓繞組采用分段多層結構，且其絕緣系統(tǒng)較為復雜，包括端部絕緣、表面絕緣、段間絕緣、匝間絕緣、層間絕緣，其中表面絕緣為含有玻璃纖維增強樹脂結構.為了研究外絕緣表面受潮對表面電場的影響，在該干式變壓器外絕緣表面假設存在多段連續(xù)的受潮層，且在受潮層之間假設存在由于受潮不均勻引起的局部干區(qū)，詳細模型如圖1所示.其中：高壓繞組分為6段，1，2,…，6表示高壓各段繞組的段編號；路徑AB為沿高壓繞組外層絕緣表面的切向路徑；路徑CD是受潮層與空氣接觸面的切向路徑；路徑AB和路徑CD之間的模型是各段連續(xù)的受潮層以及它們之間的局部干區(qū)，其中a，b,…，f表示各局部干區(qū)，其括號內的數(shù)字表示干區(qū)到C點的距離，其它區(qū)域則為受潮層(圖中的墨色區(qū)域)，且假設局部干區(qū)的寬度(相鄰受潮層間的間距)為1 mm，受潮層外絕緣表面水膜厚度為0.5 mm.各段繞組之中的線匝排列方式為梯形結構排列，高壓繞組第1段內部結構如圖2所示，其描述了各匝繞組的排列方式以及其相對位置.

1.2 各匝電壓確定

圖1 高壓繞組仿真模型

圖2 第1段繞組詳細結構

表1 高壓繞組各線匝電壓分配值

2 二維電場的數(shù)學模型

2.1 數(shù)學模型

計算環(huán)氧樹脂澆注干式變壓器在額定工況條件下的電場分布，可將計算問題轉化為準靜態(tài)場來處理[15].根據(jù)準靜態(tài)場基本理論，二維條件下的準靜態(tài)場基本方程為：

(1)

其中:φ為電位；Ω為求解域.

2.2 邊界條件

正常情況下，不同介質的分界面上無自由電荷，對應的邊界條件為：

(2)

式中：φ1，φ2為兩介質分界面處各自電位；ε1，ε2分別為兩種介質的介電常數(shù).另外，本文中變壓器外層絕緣相對介電常數(shù)為4.3，其它樹脂絕緣系統(tǒng)為3.5，空氣為1.

根據(jù)圖3給出的整體求解域模型，本文計算需要進行加載源和定義的邊界條件為：

(3)

式中：Γ1為求解域中已知的電位邊界，并施加相應的電勢.其中ae，bc，de均屬于Γ1類型邊界，均為零電位邊界；Γ2為自然邊界條件，ab，cd屬于Γ2類型邊界條件.

圖3 求解域模型

完成邊界條件的定義后，將表1中列出的各線匝電壓分別實施到對應的線匝上，并根據(jù)式(1)可求解出求解域內各點的電位分布，再根據(jù)(4)即可求出模型各點的電場強度：

E=-▽φ.

(4)

在上述模型中，由于低壓繞組只有400 V，其電壓等級遠小于高壓繞組電壓等級.因此，為了簡化計算模型，在計算模型中忽略了低壓繞組的影響.

3 計算結果與分析

本文編寫了相應的電場計算命令流程序，利用有限元軟件ANSYS對變壓器不同情況下的電場進行計算.下面對該干式變壓器外絕緣表面干燥、帶有連續(xù)受潮層兩種不同工作環(huán)境下的沿面電場分布進行對比分析.

3.1 外絕緣表面干燥

圖1中路徑AB為外絕緣樹脂層與外空氣的分界面.當外絕緣表面光滑干燥時，從A點到B點路徑上的電場強度分布如圖4所示，圖中標示的a，b…f表示各個局部干區(qū)處的位置；在表面干燥的情況下，求解場域的等位線分布如圖5所示.根據(jù)圖4可知，在外絕緣表面有多處發(fā)生電場強度突變，并形成尖峰狀的波形，使得外絕緣表面電場分布不均，通過分析可知，電場強度突變處主要位于段間絕緣及端部絕緣附近；造成該問題的主要原因是由于各段的連接順序及各段繞組內的左右繞向不同造成的.各段編號1-2-6-5-3-2連接，其中1,2,4三段右繞，3,5,6三段左繞，從而造成變壓器端部以及段間絕緣區(qū)域的電場強度突變.

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圖5 求解場域等位線分布

在外絕緣表面干燥條件下，該干式變壓器外絕緣表面最大電場強度為0.232 kV/mm，而空氣起始的放電強度一般為2.5～3 kV/mm，此時外絕緣表面電場強度遠小于空氣放電初始強度，不會發(fā)生沿面放電.

3.2 外絕緣表面帶有連續(xù)受潮層

當外絕緣表面帶有連續(xù)受潮層時，在電場的作用下受潮層內會形成泄露電流；在電場強度較大的區(qū)域，相應的泄漏電流也較大，產生的熱量也較多[13-14]；這會造成受潮區(qū)在不同區(qū)域的蒸發(fā)速度不同，從而易在電場強度較大的區(qū)域形成局部干區(qū)，同時在實際情況中由于受潮層分布的不均勻性也會導致局部干區(qū)的形成.因此，根據(jù)4.1節(jié)中的計算結果，設置了多段連續(xù)的受潮層，同時在電場強度較大處設置了6處局部干區(qū)，分別對應于圖1中的a，b，c，d，e和f 6塊區(qū)域，此時，外絕緣表面AB對應的電場強度變化曲線如圖6所示；其中某一局部干區(qū)c區(qū)域內的電場強度云圖如圖7所示.表2給出了外絕緣表面在干燥、帶有連續(xù)受潮層兩種狀態(tài)下電場強度較大區(qū)域a，b，c，d，e和f的電場強度對比.由圖6、圖7以及表2可知：當外絕緣表面覆有連續(xù)受潮層時，相鄰受潮層之間局部干區(qū)內部空氣中的電場強度十倍左右于干燥情況下相應位置處的電場強度，局部干區(qū)內的電場強度已接近空氣起始放電場強，在潮濕的空氣環(huán)境中，極易發(fā)生局部放電現(xiàn)象.這是由于在連續(xù)的受潮層中存在較大的泄漏電流，在其影響下局部干區(qū)兩端的電位差被抬高.因此，當外絕緣表面覆蓋有連續(xù)受潮層時外絕緣表面局部電場強度有較大升高，這也是環(huán)氧樹脂澆注干式變壓器繞組外絕緣表面產生沿面放電的主要原因.

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圖7 局部干區(qū)c內的電場強度分布

表2 兩種運行環(huán)境下的電場強度對比表

為了進一步研究變壓器表面受潮對外絕緣表面電場的影響，本文針對受潮層的厚度和長度對表面電場強度分布的影響進行了仿真研究.圖8給出了表面水膜層厚度為1 mm情況下的表面電場強度分布曲線圖，對比圖6在水膜層為0.5 mm情況下的電場強度分布曲線可知，隨著水膜層厚度的增加，水膜層之間的局部干區(qū)內的電場強度有所抬升，發(fā)生放電概率增大；圖9給出了各受潮層長度增加即相當于縮小局部干區(qū)長度情況下的表面電場強度分布，此時局部干區(qū)的長度設定為0.2 mm,對比其與圖6的電場強度分布曲線可知，隨著干區(qū)長度的減小，干區(qū)內的電場強度反而增加.因此，外絕緣表面水膜層的長度以及寬度的增加都可能會提高沿面放電發(fā)生的概率.

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4 解決措施

根據(jù)上述分析表明，環(huán)氧樹脂澆注干式變壓器外絕緣表面覆有連續(xù)的受潮層是造成沿面放電的主要原因.因此，可以通過對外絕緣進行特殊表面處理，使得其具有良好的憎水性能，在潮濕環(huán)境中外絕緣表面難以形成連續(xù)的受潮區(qū)域，從而形成離散的水滴，縮短了泄漏電流的放電通道，有效地避免了沿面放電的發(fā)生[16].

但為了考核這種特殊表面處理方法在環(huán)氧樹脂澆注干式變壓器中應用的可行性，本文對外絕緣表層帶有均勻分散水珠情況下的電場強度分布進行了分析計算.假設水珠的潤濕邊角為90°，水珠直徑為4 mm，相鄰水珠間距為2 mm時，外絕緣表面電場強度分布如圖10所示.

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對比圖10與圖7、圖6可知，表面受潮情況下當繞組外絕緣經(jīng)過特殊表面處理時，雖然繞組絕緣表面受到水珠的影響，電場發(fā)生了畸變，但是繞組絕緣表面的電場強度值處于一個較低的水平，與未經(jīng)過特殊表面處理、表面覆有連續(xù)受潮層時表面電場分布相比，在此種情況下局部干區(qū)處的電場強度降低約80%，可有效降低因表面覆有連續(xù)受潮層而發(fā)生沿面放電的概率.

同時，變壓器外絕緣表面的水滴大小以及水滴間距都會對表面的電場產生影響；將圖6看做水滴尺寸增大的極限情況，因此對比圖10和圖6，水滴尺寸的增大將會導致水滴間距的電場強度集中，而水滴所覆蓋區(qū)域的電場強度呈減小趨勢；觀察圖10和圖4可知，可將圖4看做水滴間距增大的極限情況，因此，水滴間距的增大將緩解間距之間的電場強度集中的情況.因此，采用良好的表面處理工藝是變壓器在受潮環(huán)境下減小外絕緣表面放電概率，延長了變壓器使用壽命的重要保障.

采用這種特殊的工藝對外絕緣表面進行處理的技術已經(jīng)應用到本文所研究的環(huán)氧樹脂澆注干式變壓器中，并且取得了良好的應用效果.因此，特殊表面處理的方法在治理潮濕環(huán)境中環(huán)氧樹脂澆注干式變壓器中的沿面放電問題具有較好的應用前景.

5 結 論

針對環(huán)氧樹脂澆注干式變壓器在潮濕運行環(huán)境下的表面電場分布開展研究，得到了結論如下：

1) 當干式變壓器外絕緣表面干燥時，其表面的電場強度較小，不易發(fā)生沿面放電現(xiàn)象；

2) 當外絕緣表面帶有連續(xù)受潮層時，受潮層間的局部干區(qū)內的電場強度值要遠大于表面干燥時的電場強度，干區(qū)內的電場強度已經(jīng)十分接近空氣起始放電強度，易發(fā)生沿面放電現(xiàn)象.表面覆有連續(xù)受潮層是干式變壓器處于潮濕環(huán)境中發(fā)生沿面放電的主要原因.

3) 特殊表面處理的方法使得變壓器表面在受潮較為嚴重的情況下表面不能形成連續(xù)的受潮區(qū)，有效的減小了變壓器表面在受潮情況下的電場強度，降低了其沿面放電的概率，延長了變壓器的使用壽命.

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