表面受潮对浇注干式变压器线圈表面电场的影响研究*

许加柱,周 科, 易吉良,刘四维,肖 勋,周冠东

(1. 湖南大学 电气与信息工程学院,湖南 长沙 410082；2. 顺特电气设备有限公司，广东 佛山 528300； 3. 湖南省电力公司，湖南 长沙 410082)

环氧树脂浇注干式变压器因其具有无毒、阻燃、体积小、噪音低、抗短路能力强、环保等优点，而被广泛地应用于城市配电网、城市轨道交通牵引供电系统中[1-2].因环氧树脂浇注干式变压器的绝缘包封是直接暴露在空气之中的，受环境因素的影响较大.根据调研的信息，环氧树脂浇注干式变压器在漏水、凝露等较为潮湿环境下其树脂绝缘表面极易产生沿面放电，并可能在树脂表面产生类似于树枝状的放电通道，从而造成外绝缘表面的绝缘损伤.

近年来，针对环氧树脂浇注干式变压器的沿面放电的研究成果鲜有报道.沿面放电是局部放电的一种.但目前关于局部放电的研究主要集中在局放的监控以及测量方面[3-5].沿面放电发生在不同介质的接触面上，文献[6-7]对不同介质分界面上的放电开展了相关的理论分析研究.文献[8-10] 分析了环氧树脂浇注干式电抗器绝缘表面沿面放电的原因及相应的改进措施，这对环氧树脂浇注干式变压器的沿面放电研究具有重要的指导意义[11].表面覆水对绝缘表面的影响较为复杂，放电的过程也较为复杂，但是目前针对环氧树脂浇注干式变压器表面覆水如何影响表面沿面放电仍有待进一步研究[12-14].因此，开展环氧树脂浇干式变压器表面覆水情况下的沿面放电研究具有重要的理论和工程应用价值.

本文以一台10 kV环氧树脂浇注干式变压器为研究对象，在其二维有限元模型的基础上，通过对绝缘表面处于干燥、带有连续受潮层两种不同运行环境下的沿面电场进行对比分析，以探究其绝缘表面沿面放电的工作机理，并针对存在的问题提出相应的改进措施.

1 模型结构与参数

1.1 模型结构

本文研究对象为一台10 kV环氧树脂浇注干式变压器，高压绕组高度为1 030 mm，其高压绕组采用分段多层结构，且其绝缘系统较为复杂，包括端部绝缘、表面绝缘、段间绝缘、匝间绝缘、层间绝缘，其中表面绝缘为含有玻璃纤维增强树脂结构.为了研究外绝缘表面受潮对表面电场的影响，在该干式变压器外绝缘表面假设存在多段连续的受潮层，且在受潮层之间假设存在由于受潮不均匀引起的局部干区，详细模型如图1所示.其中：高压绕组分为6段，1，2,…，6表示高压各段绕组的段编号；路径AB为沿高压绕组外层绝缘表面的切向路径；路径CD是受潮层与空气接触面的切向路径；路径AB和路径CD之间的模型是各段连续的受潮层以及它们之间的局部干区，其中a，b,…，f表示各局部干区，其括号内的数字表示干区到C点的距离，其它区域则为受潮层(图中的墨色区域)，且假设局部干区的宽度(相邻受潮层间的间距)为1 mm，受潮层外绝缘表面水膜厚度为0.5 mm.各段绕组之中的线匝排列方式为梯形结构排列，高压绕组第1段内部结构如图2所示，其描述了各匝绕组的排列方式以及其相对位置.

1.2 各匝电压确定

图1 高压绕组仿真模型

图2 第1段绕组详细结构

表1 高压绕组各线匝电压分配值

2 二维电场的数学模型

2.1 数学模型

计算环氧树脂浇注干式变压器在额定工况条件下的电场分布，可将计算问题转化为准静态场来处理[15].根据准静态场基本理论，二维条件下的准静态场基本方程为：

(1)

其中:φ为电位；Ω为求解域.

2.2 边界条件

正常情况下，不同介质的分界面上无自由电荷，对应的边界条件为：

(2)

式中：φ1，φ2为两介质分界面处各自电位；ε1，ε2分别为两种介质的介电常数.另外，本文中变压器外层绝缘相对介电常数为4.3，其它树脂绝缘系统为3.5，空气为1.

根据图3给出的整体求解域模型，本文计算需要进行加载源和定义的边界条件为：

(3)

式中：Γ1为求解域中已知的电位边界，并施加相应的电势.其中ae，bc，de均属于Γ1类型边界，均为零电位边界；Γ2为自然边界条件，ab，cd属于Γ2类型边界条件.

图3 求解域模型

完成边界条件的定义后，将表1中列出的各线匝电压分别实施到对应的线匝上，并根据式(1)可求解出求解域内各点的电位分布，再根据(4)即可求出模型各点的电场强度：

E=-▽φ.

(4)

在上述模型中，由于低压绕组只有400 V，其电压等级远小于高压绕组电压等级.因此，为了简化计算模型，在计算模型中忽略了低压绕组的影响.

3 计算结果与分析

本文编写了相应的电场计算命令流程序，利用有限元软件ANSYS对变压器不同情况下的电场进行计算.下面对该干式变压器外绝缘表面干燥、带有连续受潮层两种不同工作环境下的沿面电场分布进行对比分析.

3.1 外绝缘表面干燥

图1中路径AB为外绝缘树脂层与外空气的分界面.当外绝缘表面光滑干燥时，从A点到B点路径上的电场强度分布如图4所示，图中标示的a，b…f表示各个局部干区处的位置；在表面干燥的情况下，求解场域的等位线分布如图5所示.根据图4可知，在外绝缘表面有多处发生电场强度突变，并形成尖峰状的波形，使得外绝缘表面电场分布不均，通过分析可知，电场强度突变处主要位于段间绝缘及端部绝缘附近；造成该问题的主要原因是由于各段的连接顺序及各段绕组内的左右绕向不同造成的.各段编号1-2-6-5-3-2连接，其中1,2,4三段右绕，3,5,6三段左绕，从而造成变压器端部以及段间绝缘区域的电场强度突变.

S/mm

图5 求解场域等位线分布

在外绝缘表面干燥条件下，该干式变压器外绝缘表面最大电场强度为0.232 kV/mm，而空气起始的放电强度一般为2.5～3 kV/mm，此时外绝缘表面电场强度远小于空气放电初始强度，不会发生沿面放电.

3.2 外绝缘表面带有连续受潮层

当外绝缘表面带有连续受潮层时，在电场的作用下受潮层内会形成泄露电流；在电场强度较大的区域，相应的泄漏电流也较大，产生的热量也较多[13-14]；这会造成受潮区在不同区域的蒸发速度不同，从而易在电场强度较大的区域形成局部干区，同时在实际情况中由于受潮层分布的不均匀性也会导致局部干区的形成.因此，根据4.1节中的计算结果，设置了多段连续的受潮层，同时在电场强度较大处设置了6处局部干区，分别对应于图1中的a，b，c，d，e和f 6块区域，此时，外绝缘表面AB对应的电场强度变化曲线如图6所示；其中某一局部干区c区域内的电场强度云图如图7所示.表2给出了外绝缘表面在干燥、带有连续受潮层两种状态下电场强度较大区域a，b，c，d，e和f的电场强度对比.由图6、图7以及表2可知：当外绝缘表面覆有连续受潮层时，相邻受潮层之间局部干区内部空气中的电场强度十倍左右于干燥情况下相应位置处的电场强度，局部干区内的电场强度已接近空气起始放电场强，在潮湿的空气环境中，极易发生局部放电现象.这是由于在连续的受潮层中存在较大的泄漏电流，在其影响下局部干区两端的电位差被抬高.因此，当外绝缘表面覆盖有连续受潮层时外绝缘表面局部电场强度有较大升高，这也是环氧树脂浇注干式变压器绕组外绝缘表面产生沿面放电的主要原因.

S/mm

图7 局部干区c内的电场强度分布

表2 两种运行环境下的电场强度对比表

为了进一步研究变压器表面受潮对外绝缘表面电场的影响，本文针对受潮层的厚度和长度对表面电场强度分布的影响进行了仿真研究.图8给出了表面水膜层厚度为1 mm情况下的表面电场强度分布曲线图，对比图6在水膜层为0.5 mm情况下的电场强度分布曲线可知，随着水膜层厚度的增加，水膜层之间的局部干区内的电场强度有所抬升，发生放电概率增大；图9给出了各受潮层长度增加即相当于缩小局部干区长度情况下的表面电场强度分布，此时局部干区的长度设定为0.2 mm,对比其与图6的电场强度分布曲线可知，随着干区长度的减小，干区内的电场强度反而增加.因此，外绝缘表面水膜层的长度以及宽度的增加都可能会提高沿面放电发生的概率.

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4 解决措施

根据上述分析表明，环氧树脂浇注干式变压器外绝缘表面覆有连续的受潮层是造成沿面放电的主要原因.因此，可以通过对外绝缘进行特殊表面处理，使得其具有良好的憎水性能，在潮湿环境中外绝缘表面难以形成连续的受潮区域，从而形成离散的水滴，缩短了泄漏电流的放电通道，有效地避免了沿面放电的发生[16].

但为了考核这种特殊表面处理方法在环氧树脂浇注干式变压器中应用的可行性，本文对外绝缘表层带有均匀分散水珠情况下的电场强度分布进行了分析计算.假设水珠的润湿边角为90°，水珠直径为4 mm，相邻水珠间距为2 mm时，外绝缘表面电场强度分布如图10所示.

S/mm

对比图10与图7、图6可知，表面受潮情况下当绕组外绝缘经过特殊表面处理时，虽然绕组绝缘表面受到水珠的影响，电场发生了畸变，但是绕组绝缘表面的电场强度值处于一个较低的水平，与未经过特殊表面处理、表面覆有连续受潮层时表面电场分布相比，在此种情况下局部干区处的电场强度降低约80%，可有效降低因表面覆有连续受潮层而发生沿面放电的概率.

同时，变压器外绝缘表面的水滴大小以及水滴间距都会对表面的电场产生影响；将图6看做水滴尺寸增大的极限情况，因此对比图10和图6，水滴尺寸的增大将会导致水滴间距的电场强度集中，而水滴所覆盖区域的电场强度呈减小趋势；观察图10和图4可知，可将图4看做水滴间距增大的极限情况，因此，水滴间距的增大将缓解间距之间的电场强度集中的情况.因此，采用良好的表面处理工艺是变压器在受潮环境下减小外绝缘表面放电概率，延长了变压器使用寿命的重要保障.

采用这种特殊的工艺对外绝缘表面进行处理的技术已经应用到本文所研究的环氧树脂浇注干式变压器中，并且取得了良好的应用效果.因此，特殊表面处理的方法在治理潮湿环境中环氧树脂浇注干式变压器中的沿面放电问题具有较好的应用前景.

5 结 论

针对环氧树脂浇注干式变压器在潮湿运行环境下的表面电场分布开展研究，得到了结论如下：

1) 当干式变压器外绝缘表面干燥时，其表面的电场强度较小，不易发生沿面放电现象；

2) 当外绝缘表面带有连续受潮层时，受潮层间的局部干区内的电场强度值要远大于表面干燥时的电场强度，干区内的电场强度已经十分接近空气起始放电强度，易发生沿面放电现象.表面覆有连续受潮层是干式变压器处于潮湿环境中发生沿面放电的主要原因.

3) 特殊表面处理的方法使得变压器表面在受潮较为严重的情况下表面不能形成连续的受潮区，有效的减小了变压器表面在受潮情况下的电场强度，降低了其沿面放电的概率，延长了变压器的使用寿命.

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