換流變壓器直流電流場分布規(guī)律研究

換流變壓器直流電流場分布規(guī)律研究

0油紙夾層中電場分布的研究中國經(jīng)濟的快速發(fā)展也顯著增加了對能源的需求。因此，國家制定了西部能源、東部南北能源、全國電網(wǎng)等能源發(fā)展戰(zhàn)略。高壓直流輸電具有線路造價低、線路損耗小、系統(tǒng)穩(wěn)定性強、運行可靠、適用于遠距離大容量電力輸送以及容易實現(xiàn)非同步電網(wǎng)間互聯(lián)等諸多優(yōu)點,因此在我國得到了迅速的發(fā)展。而換流變壓器作為直流輸電的關(guān)鍵設備,其運行可靠性對系統(tǒng)穩(wěn)定運行至關(guān)重要。相對于交流輸電所用的電力變壓器,換流變壓器不僅絕緣結(jié)構(gòu)復雜,而且承受直流電壓和極性反轉(zhuǎn)電壓的作用。在直流電壓和極性反轉(zhuǎn)電壓作用下的換流變壓器內(nèi)部電場分布規(guī)律明顯不同于傳統(tǒng)的交流電力變壓器。因此,無論是對于高壓直流輸電快速發(fā)展的趨勢方面還是對于其本身絕緣結(jié)構(gòu)的復雜性和工作狀況的特殊性方面,都值得進一步地研究和探討。油紙絕緣結(jié)構(gòu)在直流電壓作用下的電場特性與在交流電壓作用下相比有很大差異。在頻率較高的交流電壓作用下,介質(zhì)中的漏電流遠遠小于正、負極板間的極化電流,可以忽略,這時的電場呈容性分布,絕緣結(jié)構(gòu)內(nèi)部各處的電壓分布是由介電常數(shù)所決定的,且與介電常數(shù)成反比,因此油中承擔較大場強。而在直流穩(wěn)態(tài)電壓作用下,由于離子的運動,在油和紙板絕緣系統(tǒng)中流動的極小的漏電流會使油和絕緣紙的交界面上積累大量空間感應電荷,形成空間感應電荷場,這時的電場呈阻性分布,而絕緣結(jié)構(gòu)內(nèi)部各處的電壓分布取決于絕緣材料的電阻率,且與電阻率成正比,因此絕緣紙承擔大部分電壓。在極性反轉(zhuǎn)電壓的作用下,發(fā)生極性反轉(zhuǎn)時的電場是由界面空間電荷產(chǎn)生的感應電場和由反轉(zhuǎn)瞬間外加電壓產(chǎn)生的容性電場共同作用的電場,這種共同作用的結(jié)果在油中相互加強,而在絕緣紙中相互削弱,且基于容性分布原則,在反轉(zhuǎn)的瞬間,油中承擔了大部分的外加電壓。1988年,MoserHP研究了換流變壓器內(nèi)部絕緣結(jié)構(gòu)在交、直流電壓作用下的分布規(guī)律,分析了紙板中電荷的運動情況,以及低電阻率的絕緣材料應用于絕緣結(jié)構(gòu)中的優(yōu)點。2001年,張艷麗等建立了復合介質(zhì)的暫態(tài)電場數(shù)學模型,采用時間離散的方法計算了換流變壓器的暫態(tài)電場,研究了絕緣介質(zhì)電阻率比值及電壓反轉(zhuǎn)時間對電場分布的影響。2007年,王冰等利用專門的電場極性反轉(zhuǎn)軟件對1臺±500kV換流變壓器進行了仿真計算,認識到絕緣介質(zhì)電阻率的絕對值影響直流電場趨于穩(wěn)態(tài)時間的長短,并且認為極性反轉(zhuǎn)電場應該采用瞬態(tài)電場的計算方法。目前,在計算直流電場時,采用的是求解穩(wěn)態(tài)電流傳導電場的方法,而沒有考慮其瞬態(tài)過程;當計算極性反轉(zhuǎn)電場時,對于結(jié)果的分析,沒有對求解時間域和模型域做到全面的考慮,即沒能找到整個加壓試驗過程中的場強最大值及其位置。本文利用求解瞬態(tài)電場的方法模擬了長時直流耐壓試驗,并利用ANSYS的二次開發(fā)工具APDL語言編制了求解瞬態(tài)電場中最大場強值及其出現(xiàn)位置的后處理程序,用于計算結(jié)果的處理分析。通過對3個典型的油紙絕緣模型進行分析計算,得出了一些規(guī)律。1激勵電壓和后處理過程1.1u3000放電電壓在國標GB/T18494.2-2007中規(guī)定,在外施直流耐壓試驗時,非被試端子應直接接地,直流試驗電壓應在規(guī)定值Udc保持120min。因此,本文在計算模型A、模型B及模型C的長時直流電場時,加壓時間ta均為120min,如圖1所示。其中模型A和模型B施加的電壓為100kV;模型C中閥側(cè)繞組及閥側(cè)靜電環(huán)施加的電壓為424kV,網(wǎng)側(cè)繞組及網(wǎng)側(cè)靜電環(huán)以及地屏、鐵軛和鐵芯邊界設為零電位。1.2極化扭轉(zhuǎn)過程在國標GB/T18494.2-2007中規(guī)定,在進行極性反轉(zhuǎn)試驗時,試驗應進行2次極性反轉(zhuǎn),試驗的順序應包括施加負極性電壓-Upr并保持90min,再施加正極性電壓Upr并保持90min,然后施加負極性電壓-Upr并保持45min。每次極性反轉(zhuǎn)均應在2min內(nèi)完成,如圖2所示。由于在極性反轉(zhuǎn)的過程中電壓變化較大,因此,為了保證足夠的計算精度,對每個極性反轉(zhuǎn)過程都設置了12個時間步,即t1~t2和t3~t4時間段;其他的時間段每100s設置1個時間步。1.3時間步的預處理瞬態(tài)電場求解使用的是時間離散化的方法,即每隔一定的時間段設置1個時間步,在時間步內(nèi)又可以規(guī)定子步的步長,然后對所有時間步按時間順序進行連續(xù)求解。在瞬態(tài)電場分析時,不僅需要知道某一時刻的電場分布,而且需要知道在所有時間步中場強的變化規(guī)律。例如,如果想要得到所有時間步中的最大場強值,就需要對每個時間步分別分析并讀取其最大場強值,然后對比各個時間步的最大場強值才能得出所有時間步中的最大場強值。顯然,如果人為地去進行這樣的工作,工作量就非常巨大。本文在計算長時直流電場及極性反轉(zhuǎn)電場時,均需要讀取每個時間步中的最大場強值及其單元號,以及所有時間步中的最大場強值及其出現(xiàn)的時間。因此,本文采用ANSYS軟件的二次開發(fā)語言APDL,即參數(shù)化設計語言,編制完成了滿足上述需求的后處理程序。APDL語言是1種類似FORTRAN的解釋性語言,提供一般程序語言的功能,如參數(shù)、宏、標量、向量及矩陣運算、分支、循環(huán)、重復以及訪問ANSYS有限元數(shù)據(jù)庫等。本文采用DO循環(huán),實現(xiàn)了各個時間步數(shù)據(jù)的采集。通過使用SET命令,讀取不同時間步的計算結(jié)果。同樣使用DO循環(huán),讀取了每個時間步變壓器油及絕緣紙板中的最大場強值及其分別對應的單元號。2油及邊界樣品分析為了得出長時直流電場的分布規(guī)律,本文對2個典型的油紙絕緣模型和1個500kV換流變壓器繞組端部的近似模型進行分析,模型如圖3~5所示。從模型A到模型C,結(jié)構(gòu)越來越復雜,本文分析的重點為模型C。本文首先在分別對3種模型的變壓器油及絕緣紙板賦予相同電阻率和介電常數(shù)的前提下,對比了不同模型結(jié)構(gòu)電場趨于穩(wěn)態(tài)所需的時間,以及油和紙板中出現(xiàn)過最大場強的單元在整個時間段內(nèi)場強的變化規(guī)律。其次在保證變壓器油和絕緣紙板電阻率相差100倍的前提下,對比了變壓器油電阻率為109、1010、1011、1012、1013Ω·m時瞬態(tài)電場趨于穩(wěn)態(tài)所需時間及分布規(guī)律。2.1瞬態(tài)電場分析通過對3個模型的分析發(fā)現(xiàn),隨著油紙絕緣模型結(jié)構(gòu)的復雜化,電場分布也變得越來越復雜。在整個求解時間段內(nèi),出現(xiàn)最大場強值的有限元單元也越來越多,而且變化也更復雜。但總的趨勢是,在整個瞬態(tài)過程中,絕緣紙板中的最大場強值為趨于穩(wěn)態(tài)時的解。而變壓器油中的最大場強值出現(xiàn)在最初的時間段內(nèi),且起始場強大于穩(wěn)態(tài)場強。隨著油紙絕緣模型結(jié)構(gòu)的復雜化,趨于穩(wěn)態(tài)所需的時間變長。這是因為在長時直流耐壓試驗的過程中,在試驗開始的一段時間內(nèi),絕緣材料的電阻率和介電常數(shù)共同決定電場的分布,它既不同于阻性電場又不同于容性電場,而是表現(xiàn)為阻性電場和容性電場的混合場。隨著時間的延長,電場分布逐漸趨于直流穩(wěn)態(tài)場,即表現(xiàn)為阻性電場。圖6和圖7分別給出了模型C中油和紙板中出現(xiàn)過最大場強的單元在整個時間段內(nèi)場強的變化曲線。由于換流變壓器繞組端部絕緣結(jié)構(gòu)復雜,不同介質(zhì)交界面處的空間感應電荷在瞬態(tài)過程中沿不同的方向充電、放電,致使絕緣紙中的場強在達到穩(wěn)態(tài)前出現(xiàn)峰值,因此,選用瞬態(tài)場代替穩(wěn)態(tài)場計算直流電場更能真實地反映在整個加壓過程中場強值的變化。而穩(wěn)態(tài)場計算的結(jié)果只是瞬態(tài)場趨于穩(wěn)態(tài)時計算的結(jié)果,不能得到整個加壓過程中的最大值。對于這種現(xiàn)象可以認為,在直流電壓作用的初始階段,電阻率較小的油中所流過的離子電流較紙板中要大,造成油紙界面的電荷積累,形成界面空間電荷,而空間電荷電場的作用使油中場強減小,紙中場強增大,從而兩種材料中的離子電流接近,在一定時間之后(取決于材料的電容率、電導率及結(jié)構(gòu)形式),2種材料中的離子電流相等,達到穩(wěn)態(tài)。此時,空間電荷電場與容性分布電場的疊加形成阻性分布電場,即式中:EσDC、Eq和EεDC分別為阻性分布電場、空間電荷電場和容性分布電場在場域某點形成的場強。2.2變壓器油電阻率的影響當考慮材料特性對瞬態(tài)電場的影響時,在保證變壓器油和絕緣紙板電阻率相差100倍的前提下,分析變壓器油電阻率分別取109、1010、1011、1012、1013Ω·m時的瞬態(tài)電場。當變壓器油電阻率取1013Ω·m,絕緣紙板電阻率取1015Ω·m時,對于模型A,其趨于穩(wěn)態(tài)的時間分別為26000s和9000s;對于模型B,時間分別為39000s和24000s;對于模型C,時間分別為62000s和36000s。對于模型A、模型B及模型C,它們都有一個共同的規(guī)律,即當電阻率每下降10倍,趨于穩(wěn)態(tài)的時間也減小10倍。而且絕緣紙板中的場強先于變壓器油趨于穩(wěn)態(tài)。3在極性反擊過程中分析極性3.1變壓器油電阻率的影響在保證變壓器油和絕緣紙板電阻率相差100倍的前提下,計算變壓器油電阻率ρoil為1.0×1011、5.0×1011、1.0×1012、5.0×1012、1.0×1013Ω·m時極性反轉(zhuǎn)場中變壓器油中最大場強出現(xiàn)的時刻及場強值。圖8給出了變壓器油電阻率取值不同時模型A和模型B油中最大場強的變化曲線。從圖8可以看出,隨著變壓器油電阻率的增大,油中的最大場強也增大,出現(xiàn)時間則為每次極性反轉(zhuǎn)結(jié)束時刻,而且隨著變壓器油電阻率的不斷增大,第2次極性反轉(zhuǎn)結(jié)束時刻的場強略大于第1次極性反轉(zhuǎn)結(jié)束時刻的場強。對于絕緣紙板中的最大場強及其出現(xiàn)時刻,并沒有相對于變壓器油這么明顯的變化規(guī)律。對于模型C可以得出相同的規(guī)律。3.2變壓器油及單元內(nèi)最大場強的確定本文分析了當變壓器油電阻率取1013Ω·m、相對介電常數(shù)取2.2,絕緣紙板電阻率取1015Ω·m、相對介電常數(shù)取4.4時,極性反轉(zhuǎn)時間分別取30、60、90、120和150s時變壓器油及絕緣紙板中最大場強的變化規(guī)律。對于模型A,當極性反轉(zhuǎn)時間取30、60、90、120和150s時,變壓器油中的最大場強依次為16.580、16.246、15.919、15.601、15.289kV/mm,絕緣紙板中的最大場強始終都是30.276kV/mm。對于模型B和模型C可以得出相同的規(guī)律,即隨著極性反轉(zhuǎn)時間的增加,變壓器油中的最大場強逐漸減小,而絕緣紙板中的場強保持不變。4極性回轉(zhuǎn)電壓加載時間本文重點分析500kV換流變壓器閥側(cè)繞組端部的油紙絕緣模型[11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23],極性反轉(zhuǎn)電壓的加載過程按國標規(guī)定,共設置159個時間步,其中每一次極性反轉(zhuǎn)分為12個時間步完成,其他時間段每100s設置1個時間步。利用APDL語言編制的后處理程序讀取每1個時間步變壓器油及絕緣紙板中的最大場強,并找出所有時間步中的最大值。4.1回環(huán)過程分析當不考慮絕緣紙板電阻率的正交各向異性時,絕緣紙板中的最大場強出現(xiàn)的時間為8620s,即第97個時間步,位于第1次極性反轉(zhuǎn)到第2次極性反轉(zhuǎn)的過渡時間段內(nèi),其值為16.175kV/mm,單元號為6075,位于閥側(cè)繞組上端部右側(cè)靜電環(huán)絕緣的右上角。變壓器油中的最大場強出現(xiàn)的時間為11040s,即第132個時間步,出現(xiàn)在第2次極性反轉(zhuǎn)結(jié)束時刻,其值為9.352kV/mm,單元號為14461,位于閥側(cè)繞組上端部左側(cè)靜電環(huán)左上角附近的油隙中。圖9和圖10分別為變壓器油及絕緣紙板中出現(xiàn)最大場強時刻的等位線分布圖,從圖中可以看出,當絕緣紙板中出現(xiàn)最大場強時,等位線集中分布于絕緣紙板中;當變壓器油中出現(xiàn)最大場強時,油中等位線分布較密集而且出現(xiàn)了回環(huán)。圖11和圖12分別給出了紙板和變壓器油中出現(xiàn)最大場強時刻的場強矢量分布圖。從圖中可以看出,當紙板中出現(xiàn)最大場強時,電場強度矢量的方向從電極指向外部;當油中出現(xiàn)最大場強時,電場強度矢量的方向不僅有從電極指向外部,而且有從外部指向電極。對于圖11可以用長時直流電場理論進行分析,即隨著時間的延長,電場分布逐漸趨于穩(wěn)態(tài),表現(xiàn)為阻性電場。電阻率大的紙板中出現(xiàn)最大場強。對于圖12可以用極性反轉(zhuǎn)電場理論進行分析,即當激勵電壓由一種穩(wěn)態(tài)躍變到另一種穩(wěn)態(tài)時,絕緣電場中將產(chǎn)生一個過渡過程。在電壓發(fā)生極性反轉(zhuǎn)的過程中,不同介質(zhì)交界面處的空間電荷將會減少,而空間電荷釋放時間很長,遠大于極性反轉(zhuǎn)時間,因此此時電場是一個由界面空間電荷產(chǎn)生的感應電場和反轉(zhuǎn)瞬間外加電壓產(chǎn)生的容性電場共同作用的電場,這種共同作用的結(jié)果在油中相互加強,而在絕緣紙中相互削弱。當反轉(zhuǎn)趨于結(jié)束時,這種情況表現(xiàn)得最為明顯,即此時油中出現(xiàn)了整個加壓過程中的最大場強。圖13和圖14分別為在整個極性反轉(zhuǎn)時間段內(nèi),變壓器油和絕緣紙板中出現(xiàn)過最大場強的有限元單元在整個時間段內(nèi)的場強變化曲線。其中,變壓器油電阻率為1013Ω·m,絕緣紙板電阻率為1015Ω·m。從圖中可以發(fā)現(xiàn),在極性反轉(zhuǎn)發(fā)生時,電場分布并未達到穩(wěn)態(tài)值。同時,在所有的時間步內(nèi),最大場強值并非出現(xiàn)在某一個固定的單元中,而是出現(xiàn)在許多不同的單元中,也就是出現(xiàn)在模型中的不同位置。而且,變壓器油和絕緣紙板中最大場強出現(xiàn)的時刻不同。4.2變壓器油及緣板正交各向異性對穩(wěn)定性的影響由于絕緣紙板的電阻率受其層壓工藝的影響,在層壓及與其垂直的方向上存在著各向異性,因此,本文計算了正交各向異性極性反轉(zhuǎn)電場。在設置材料屬性時,變壓器油的電阻率設置為1013Ω·m,沿著絕緣紙板方向的電阻率設置為1014Ω·m,垂直于絕緣紙板方向電阻率設置為1015Ω·m。平行于x軸方向的絕緣紙板,x方向認為是沿著紙面方向,y方向認為是垂直紙面方向。平行于y軸方向的絕緣紙板,x方向認為是垂直紙面方向,y方向認為是沿著紙面方向。通過后處理程序可以發(fā)現(xiàn),當考慮絕緣紙板的正交各向異性時,變壓器油及絕緣紙板中最大場強及其單元號以及出現(xiàn)時間與各向同性時相同,只是數(shù)值略有下降。其中,絕緣紙板中的最大場強值為16.078kV/mm,變壓器油中的最大場強為9.352kV/mm。5極性偏轉(zhuǎn)對層壓工藝的影響本文利用ANSYS的二次開發(fā)工具A