超高压变压器非理想运行条件下匝间段间电场分布研究

郭志楠，包　蕊，黄福存，隋东硼，郭　铁

(1.辽宁东科电力有限公司，辽宁　沈阳　110179；2.国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院，辽宁　沈阳　110006)

1　引言

电力变压器作为电力系统中重要的电气设备，对电网的安全可靠运行至关重要。变压器的匝间段间绝缘故障是变压器常见突发性故障之一，对变压器的安全运行构成了威胁。特别是对特高压变压器，高压绕组结构复杂，对设计水平和生产工艺要求都很高，匝间段间故障情况时有发生，给电网及国民经济带来较大的损失。通常，电场计算考虑的都是理想运行条件。事实上，变压器在运行过程中，绕组段间和匝间会伴有油中带异物、线匝受力变形和绝缘破损等非理想情况发生，这些情况都会对绕组匝间段间绝缘介质的电场产生恶劣的影响。因此，对特高压变压器匝间段间非理想运行条件下的电场分布进行详尽分析、归纳十分必要。

以1台常规结构500 kV电压等级的变压器为例，对其工频试验状态下高压绕组中部内屏结构线段的电场进行计算，得到高压绕组内屏线段的电场分布。在此基础上对常见的3种非理想运行条件，即段间有异物、绕组线匝变形和线匝绝缘损坏下的高压绕组内屏线段匝间段间电场进行了详细仿真分析。总结了各种非理想情况对内屏绕组匝间段间电场的影响程度。可为变压器的产品设计和工艺设计提供一定参考，进而降低匝间段间绝缘故障几率，减少变压器匝间段间故障给电网带来的损失。

2　理想情况下变压器高压绕组中部电场分布

以1台电压等级为500 kV三绕组自耦变压器为例，高压绕组中部为内屏连续式结构，中部进线，对高压绕组中部实际情况建模，计算工频感应耐压试验状态下的电场分布。工频感应耐压试验接线如图1所示，工频试验时高压首端电位达680 kV。此高压绕组中部线匝线号排布如图2所示。高压绕组首端跨四段屏，工作线匝与其对应屏线的电位分布如图3所示。

图1　500 kV变压器感应耐压试验接线

图2　高压首端线匝排布

图3　高压首端导线电位分布

高压绕组中部匝间段间电场云图如图4所示，最大场强为3.2 kV/mm，位于工作线匝与相邻屏线间形成的楔角油隙中。段间油道中的最大场强为2.09 kV/mm，位于11、18号屏线之间，因为此处电位差最大，为5倍的工作线匝段电位。

通过高压绕组中部内屏线段匝间段间电场计算，可确定高压绕组内屏线段匝间段间非理想运行条件下电场分布的研究重点：工作线匝与其屏线形成的楔角中油的最大场强和第11、18号屏线段间油的最大场强。

图4　高压绕组中部匝间电场分布

3　匝间段间非理想运行条件电场分析

在变压器匝间段间理想状态电场计算的基础上，模拟变压器运行过程中，绕组匝间段间油中带异物、线匝受力变形和绝缘破损等非理想情况，对这些非理想情况匝间段间电场进行计算，并与理想情况时的电场计算结果进行对比，估算各种非理想情况对两处重点关注部位电场的影响程度。

所有非理想运行条件下的模型分析都以2.45 mm匝绝缘，6 mm油道的内屏线段为基础模型，在此基础上进行模型的非理想情况变化。基础模型在理想运行状态下的电场分布如图4所示，所重点关注的两处场强：工作线匝与其屏线形成的楔角中油的最大场强为3.2 kV/mm；段间两屏线间油中最大场强为2.09 kV/mm。

3.1　段间异物对电场的影响

3.1.1异物为金属屑

假定金属屑为尖形的，金属屑尺寸如图5所示，并假设异物位于第11、18号屏蔽线段间。分别计算金属屑竖放和横放于段间两种情况的电场，电场分布云图分别如图6和图7所示。两种情况下，油中各处的最大场强如表1所示。对比同等条件理想状态下的计算结果，发现当金属屑竖放时，其尖端附近油中最大场强比段间油中最大场强增加了98%，工作线匝与屏线间形成的楔角中油的电场强度变化不大；而金属屑横放时，对两处电场最大值影响都不大。因此，只研究金属屑竖直放于屏线段中间时，其高度变化对段间油最大场强的影响即可。

图5　金属屑尺寸(mm)

图6　金属屑竖放于段间时电场分布

图7　金属屑横放于段间时电场分布

表1　金属屑位置不同时各位置最大场强kV/mm

当竖放金属屑高度为5 mm、4 mm和3 mm时，第11、18号屏线间电场分布分别如图6、图8和图9所示。竖放金属屑高度变化时,各位置最大场强如表2所示。从表2可以看出，金属屑高度的变化主要对段间油中最大场强产生影响，段间油中最大场强会随着金属屑高度的减小而减小；对楔角内匝间电场没有影响。段间最大场强随金属屑高度变化曲线如图10所示，段间最大场强增加百分数随金属高度变化曲线如图11所示。

图8　金属屑高4 mm时电场分布

图9　金属屑高3 mm时电场分布

项别金属屑高度5 mm4 mm3 mm工作线匝与屏线间楔角油中最大场强/(kV·mm-1)3.23.23.21屏线段间油中最大场强/(kV·mm-1)4.153.412.79段间无异物时油中最大场强/(kV·mm-1)2.092.092.09段间油中最大场强增加百分数/%98.650.233.5

图10　段间最大场强随金属高度变化曲线

图11　段间最大场强增加百分数随金属高度变化曲线

3.1.2异物是木屑

假定木屑形状为等边三角形，边长为2 mm，并假设异物位于第11、18号线屏线段间，分别计算木屑位于两段中间和位于线饼边缘两种情况的电场，电场分布分别如图12和图13所示。

两种情况下，匝间段间各处的绝缘介质的最大场强如表3所示。可以看到，当段间不同位置有小木屑出现时，对匝间油中电场及段间油中电场的场强影响较小。因此，不对木屑尺寸变化对电场的影响进行进一步研究。

图12　木屑位于段中部时电场分布

图13　木屑位于段边缘时电场分布

表3　木屑位置变化时各位置最大场强kV/mm

3.1.3异物是气泡

假定气泡为球形，半径为1 mm，位于第11、18号线屏线段间。计算气泡位于两段中间和位于线段边缘两种情况的电场，电场分布分别如图14和图15所示。

两种情况线段间各处绝缘介质的最大场强如表4所示。当线段中间位置有气泡出现时，对匝间楔角中油的电场及段间油的电场影响较小，但是气泡作为绝缘介质，本身的电场强度却可能超过自身的局放场强，引起局部放电，甚至击穿；当气泡飘到线匝附近时，段间油中的最大场强和气泡本身的场强都有所增加，更加危险。因此，只研究当气泡飘到线匝位置时，匝间、段间油中及气泡内最大场强随气泡尺寸的变化规律即可。

气泡半径分别为0.5 mm、1 mm和2 mm时，段间、匝间电场分布分别如图16、图15和图17所示。可以看到，当气泡飘到线匝边缘时，气泡尺寸的变化对楔角内场强和气泡内最大场强影响不大，对段间油中最大场强有一定影响，具体数据见表5。

图14　气泡位于段中部时电场分布

图15　气泡位于段边缘时电场分布

表4　气泡位置变化时各位置最大场强kV/mm

图16　气泡半径为0.5 mm时电场分布

图17　气泡半径为2 mm时电场分布

表5　气泡尺寸变化时各位置最大场强 kV/mm

段间油中最大场强随气泡半径变化趋势曲线如图18所示。

图18　段间油中最大场强随气泡尺寸变化曲线

3.2　线匝变形对电场的影响

变压器运行过程中，线圈受到电动力的作用，或者在运输、安装过程中受到的意外冲撞都可能引起线匝的变形。从变压器匝间段间电场计算的角度考虑，线匝挤压变形最严重的情况就是段间线匝相碰。需要分别计算电位差最大的屏线间相碰及工作线匝相碰时的电场分布。

3.2.1段间屏线变形相碰

以2.45 mm匝绝缘、6 mm油道的线段排列为基础计算模型，假设电位差最大的两屏线段，即第11、18匝屏线间相碰，之前计算这两线匝间的段电位差为工作线匝段电位的5倍。计算后电场分布如图19所示。

图19　屏线变形电场分布

从图19可以看到，油中最大场强位置为两屏线相接处，为5.9 kV/mm，比同等条件下正常运行时同位置油中场强增加了181%。变形的屏线与工作线匝，即第18匝工作线与其屏线间形成的楔角中油的最大场强为4.12 kV/mm，同比增加了29%。

3.2.2工作线匝变形相碰

尽管工作线匝的段间电位差最大仅为2倍的段电位差，但工作线匝的绝缘比屏线绝缘薄很多，因此，同样要考核一下工作线匝变形对电场的影响。以第8、21匝间的段间为研究对象，此段间电位为2倍的段电位差，计算后电场分布如图20所示。两线相接处油中最大场强为5.25 kV/mm，比正常运行时第8、21匝的段间油中最大场强高出313%。

图20　工作线匝变形电场分布

3.3　绝缘损坏对电场的影响

由于生产制造、持续过负荷、大气过电压、老化等原因，可能造成变压器绕组绝缘部分损坏。绝缘损坏肯定会造成局部场强的增加，甚至是激增。从匝间电场计算的角度考虑，损坏最严重的情况就是线匝局部裸电极，因此只需研究电位差最大的屏线局部裸电极时的段间电场变化即可。以下假设第18匝屏线局部裸电极，对两种线规的段间电场进行计算。

以2.45 mm匝绝缘、6 mm油道的线段排列为基础计算模型，假定18号屏线上部部分裸电极，计算后的电场分布如图21所示。屏线裸电极处油中最大场强为7.6 kV/mm，比带绝缘时绝缘表面油中最大场强高出262%。

图21　屏线部分裸电极的电场分布

4　结论

变压器正常运行时，可能伴有油中异物、绕组绝缘变形和绕组绝缘破坏3种常见的非理想状态。由以上各种情况匝间段间电场分布的分析计算，可得出以下几点结论。

a. 在变压器段间有异物时，要特别注意两种异物的存在：金属屑和气泡。带尖的金属屑在尖部竖放于段间时，危害较大，且此时变压器段间金属屑附近油中最大场强会变大，会随着竖放金属屑高度的增加而增加；当气泡位于线段边缘时，会使段间油中最大场强增加，并且会随着气泡直径的增加而增大，气泡本身的电场强度值也会超出自身的击穿场强，会引起局部放电，甚至击穿，此种情况最为严重。三角形小木屑存在于段间时，对油中最大场强影响不大，但小木屑作为杂质，在油中易形成小桥，引起局部放电。

b. 当线匝变形较为严重时，即段间电位差最大的屏线或工作线匝相碰，都会使油中最大场强较大增加，对段间匝间绝缘构成威胁。

c. 当局部线匝损坏最为严重时，即电位差最大处线匝局部绝缘消失，此时裸电极处油中最大场强增加较为严重，要比线匝变形后果严重，有局放可能。