換流變壓器網側出線裝置結構優化及電場計算

欒 蘭，胥建文，王明勝，孫大偉，楊仁毅

（山東電力設備有限公司，濟南 250022）

換流變壓器網側出線裝置結構優化及電場計算

欒 蘭，胥建文，王明勝，孫大偉，楊仁毅

（山東電力設備有限公司，濟南 250022）

網側出線裝置絕緣結構是換流變壓器整體絕緣結構中的重要組成部分，該結構的可靠與否直接決定換流變壓器的運行安全性。與網側接入較低電壓水平的換流變壓器相比，高電壓等級的網側出線裝置結構更加復雜。在網側接入500 kV換流變壓器網側出線裝置的基礎上，優化設計網側接入750 kV換流變壓器網側出線裝置，并采用電場仿真軟件對其電場進行分析，計算其各部分電場分布和安全裕度，分析其安全性。

換流變壓器；網側出線裝置；電場分析

0 引言

目前，全國范圍內已建成投運的直流輸電工程均是網側接入500 kV及以下交流系統，而西北地區是750 kV主電網結構，若按照以往投運換流變產品的網側電壓等級進行設計，西北換流站需要通過聯絡變壓器先將750 kV變為500 kV再接入到換流變壓器上。隨著特高壓直流輸電技術的發展，為增強西北能源大范圍消納能力，與西北750 kV交流電網直接連接，研制開發網側接入750 kV換流變壓器成為特高壓直流輸電工程新的技術課題。若將特高壓換流變壓器直接接入750 kV交流系統，可省掉聯絡變壓器，節省送端換流站占地及工程建設費用，具有廣闊的市場前景［1-3］。

網側接入750 kV換流變壓器網側出線裝置結構是網側接入750 kV換流變壓器絕緣設計的重點、難點之一，其結構直接影響換流變壓器整體絕緣的電氣性能、制造成本和運行可靠性等重要指標。750 kV網側出線絕緣包括各柱網側繞組引出線絕緣、引出線連接部分絕緣以及引出線到套管油中各部分的絕緣。其作用是保證網側引出線、連接線在特高壓電場作用下，具有可靠的絕緣強度，能夠承受各種試驗電壓及長期工作電壓。與常規換流變壓器網側為500 kV等級相比，其絕緣水平更高，引出線結構更復雜，且引線所處位置的電場影響因素更多，這都對網側引線結構提出了更高的絕緣要求，因此計算分析該型網側引線絕緣結構電場對于整體結構的設計和優化十分重要。

1 結構特點及優化

750 kV換流變壓器網側接入結構的設計基于網側接入500 kV換流變壓器的網側出線裝置。500 kV的出線裝置包含引出線、均壓球等，兩柱網側引出線從網線圈端部引出，向上走，在套管均壓球內連接，接入套管。結構特點：兩柱并聯，2條引線使用屏蔽管，加厚絕緣；兩引線交接處借助套管均壓球均衡電場。其結構如圖1所示。

圖1 網側500 kV引線典型結構

750 kV的出線結構與以往常用網側接入500 kV的出線裝置相比，有其自身的特點。

由于網側接入750 kV換流變壓器容量大、電壓高、尺寸需符合運輸要求，換流變壓器設計時采取單相三柱并聯結構。此種結構中同電壓等級引出線有3條，故不能再采取圖1（b）中所示的直接連接到均壓球的接線方式。考慮到主體油箱的尺寸限制和引線本身的高電壓對周圍電場復雜程度的影響，這3條引出線在接出網側線圈后即各通過1個升高座向上引出，引出一定高度后，3條引線通過水平連接線連成一體，通過1個總升高座，連接套管，最終連接到電網上。

高電壓等級引出線在走線過程中，從下而上依次會遇到鐵軛、油箱壁、3種升高座壁等接地電極，以及最終要連接的套管均壓球及其周圍絕緣結構，加上引出線本身為滿足機械強度要求而產生的彎曲，其電場分布的復雜程度遠超一般兩柱并聯變壓器的引出線。

每個引線連接處均用均壓球屏蔽出頭，并根據均壓球尺寸限定升高座的最小尺寸，引線本身的絕緣厚度和與周圍電極的距離要滿足該電壓等級引線的絕緣距離標準。

在網側接入500 kV換流變壓器網側出線裝置基礎上進行設計優化，充分考慮以上電場和機械強度及總體布置，設計網側接入750 kV換流變網側出線裝置結構如圖2所示［4］。

圖2 網側整體出線裝置

圖2中，1、2、3豎直升高座內分別引出3個柱的網線圈引線，3條引線在豎直升高座內連接到上部出線裝置中，并在水平升高座內通過1條帶絕緣的水平鋁管連接，鋁管通過套管均壓球連接到套管上。由于引線與引線、引線與鋁管連接時，金屬部分形狀發生改變，因此每個接頭處均有均壓球或均壓環來均衡電場。引出線、鋁管的尺寸由本臺產品的容量和電流確定，配合該尺寸，選定外包絕緣厚度、升高座尺寸。

2 電場計算方法及安全性判定原理

評價電場的可靠性時，需要知道電場強度的分布，尤其是最大電場強度的分布。在已知各節點電位的基礎上，根據各單元插值函數求導可以求解各點的電場強度值。目前的電場分析軟件常用的分割單元是三角形單元，該單元對應的電場強度計算公式為［5］

式中：Ex為該三角形單元內任一點電場強度的x軸方向分量；Ey為該三角形單元內任一點電場強度的y軸方向分量；Δe為該三角形單元的面積；a1、a2、a3為線性插值函數的參數；u1、u2、u3為三角形單元3個頂點的電位值。

式（1）可以求解三角形單元內任一點的電場強度，但是單元邊界上的電場強度若由此式計算則往往誤差較大，為了提高精度，需要計算與該點有關的所有單元的電場強度加權平均值，公式為

計算出精確的電場E的分布情況后，需對油隙等關鍵位置的安全性進行判定。安全裕度S為許用值與實際電場強度的比值，S＞1，則認為結構安全。

式中：Ep為均勻電場下局部放電起始平均電場強度的許用值，kV／mm，可由經驗公式求得

式中：A為變壓器油含氣量、油隙位置等有關的系數，與工藝水平、生產條件和材料水平有關；d為油隙沿電力線方向的長度，mm。

3 計算分析

三柱的引出線在進入出線裝置前結構類似，絕緣水平相同，因此可選取直接連接到套管均壓球一柱的引出線，進行電場分析。引出線從線圈引出后，先經過上鐵軛和夾件腹板，此處電場分布較為復雜，應予以分析；每個連接處的均壓球和均壓環距升高座壁距離比非連接處小，電場集中，應選取引出線上的均壓球和均壓環進行電場分析，所選擇的重點電場分析部位如圖3中A、B、C、D所示。

圖3 單柱引出線和出線裝置

A、B、C、D分別對應線圈引出線、引線與出線裝置連接處均壓球、三柱出線裝置相接處均壓球，以及總體出線裝置與套管連接處均壓球。

采用電場計算軟件VEI-MainInsulation，計算分析本設計方案在各關鍵位置處的電場分布情況，判斷其安全性。

3.1 A處線圈引出線及其周圍電場

該處主要分析從線圈出來后，引出線到鐵軛夾件、油箱的電場。該部分金屬與絕緣配合主要包括：引線本身、引線外包紙絕緣、引線外套紙板、上鐵軛的夾件腹板、油箱等，這些組成結構是影響電場分布的要素，其中引線外包紙絕緣厚度、外套紙板層數及油隙大小由對應電壓等級的交流產品設計規范確定。由于該處引線及周圍紙板和接地金屬件屬于非軸對稱結構，因此需采用平面場分析法，其電場分析結果如圖4所示。

圖4 A處電場分布云

如圖4所示，最大場強出現在夾件腹板的圓角處，為10.06 kV／mm；對應的許用場強由式（4）求得，為10.86 kV／mm；由式（3）可求得，A處的油隙電場最小安全裕度為1.08。

3.2 B處均壓球及其周圍電場

該部分金屬與絕緣配合主要包括：均壓球、外掛紙漿、紙板、油箱壁、升高座壁等，其中紙漿厚度、紙板層數、油隙大小由電壓等級、電場分布決定。該處基本為軸對稱結構，可采用軸對稱場計算。其電場分布如圖5所示。

圖5 B處電場分布云

由圖5可見，最大場強出現在均壓球金屬體和均壓球外包紙絕緣交界處，為9.656 kV／mm；油隙中最大場強為5.276 kV／mm；對應的許用場強由式（4）求得，為6.384 kV／mm；由式（3）可求得，該處的油隙最小安全裕度為1.21。

3.3 C處均壓球及其周圍電場

該部分金屬結構及絕緣配合包括：引線、引線外包紙絕緣、鋁管、鋁管外附紙絕緣、均壓球、紙板、升高座壁，由于該處位于上下兩部分升高座相接處，升高座傾斜度發生變化，對應的均壓球及其外套紙板不再是軸對稱結構，故采用平面場分析，其電場分布如圖6所示。

圖6 C處電場分布云

如圖6所示，最大電場強度出現在均壓球外第一油隙，為4.077 kV／mm；對應的許用場強由式（4）求得，為5.708 kV／mm；由式（3）可求得，該處的油隙電場最小安全裕度為1.40。

3.4 D處均壓環及其周圍電場

該部分金屬結構及絕緣配合包括：鋁管、鋁管外附紙絕緣、均壓環、均壓環外掛紙漿、紙板、套管、升高座壁。該處基本為軸對稱結構，可采用軸對稱場計算。其電場分布如圖7所示。

圖7 D處電場分布云

由圖7可見，最大場強出現在均壓球外第一油隙，為6.578 kV／mm；對應的許用場強由式（4）求得，為9.603 kV／mm；由式（3）可求得，該處的油隙最小安全裕度為1.46。

4 結語

根據上述計算結果，本出線裝置各處的最小安全裕度均大于1，表示各處的電場最大值小于許用值，同時，考慮到本結構是首次設計制作，裕度均在大于1的基礎上留有一定裕量，以確保電場安全。對比已投入運行的多臺網側接入500 kV等級換流變壓器網側出線裝置的電場計算結果，本裝置結構安全裕度較大，可認為本結構安全。

［1］國家電網公司.國家電網公司 750 kV輸變電示范工程建設總結［M］.北京：中國電力出版社，2006.

［2］丁新良.750 kV電壓等級是西北電網發展的必然選擇［J］.電網技術，2002，26（3）：23-26.

［3］路長柏.電力變壓器絕緣技術［M］.哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，1997.

［4］宓傳龍,謝慶峰,孟麗坤,等.超、特高壓交流變壓器出線絕緣結構的設計和應用［J］.高電壓技術，2010，36（1）：122-128．

［5］王明麗.電力變壓器主絕緣電場分析［D］.天津:河北工業大學，2014．

Structure Optimization and Electric Field Calculation of Line-side Outlet Device of Converter Transformer

LUAN Lan，XU Jianwen，WANG Mingsheng，SUN Dawei，YANG Renyi
（Shandong Power Equipment Co.，Ltd.，Jinan 250022，China）

Line-side outlet device is an important part of a converter transformer，and the safe operation of the converter transformer is directly determined by the reliability of insulation system of the line-side outlet device.Compared with the converter transformer with lower voltage on line-side，high voltage line-side outlet structure is more complex.Based on the lineside outlet structure of the line-side 500 kV converter transformer，the line-side outlet structure of the line-side 750 kV converter transformer is optimized，and the electric field distribution and the safety margin are calculated using electric field simulation software.Finally the safety of the structure is analyzed.

converter transformer；line-side outlet device；electric field analysis

TM41

：A

：1007－9904（2017）04－0037－04

2016-11-16

欒 蘭（1986），女，工程師，從事變壓器類產品驗證分析工作；

胥建文（1975），男，高級工程師，從事變壓器類產品驗證分析工作；

王明勝（1971），男，高級工程師，從事換流變壓器類產品研發工作；

孫大偉（1983），男，工程師，從事換流變壓器類產品研發工作；

楊仁毅（1986），男，工程師，從事換流變壓器類產品研發工作。