换流变压器套管的电气绝缘结构研究与设计优化

张施令，彭宗仁

（1.国网重庆市电力公司电力科学研究院，重庆 401123；2.西安交通大学 电力设备电气绝缘国家重点实验室，陕西 西安 710049）

0 引言

换流变压器套管是直流输电工程中连接阀厅内外设备的主要绝缘结构，其绝缘结构型式分为油浸纸电容式结构和SF6气体与环氧浸渍电容芯体复合绝缘结构，后者以局部放电水平低、密封性能好、安全性高等突出优点在换流变压器套管中得到广泛应用[1-4]。但是换流变压器套管存在运行工况特殊、主绝缘复合材料理化特性复杂、绝缘配合结构多样等技术难点，特别是在±800 kV特高压等级应用时，由于电能传输功率大，换流变压器套管的均压、均场、均热问题更加突出[5-6]。

因此，本文针对干式换流变压器套管的电气绝缘结构设计及优化开展系统性研究，包括以下研究内容：电容芯子用纯环氧、环氧浸纸复合绝缘材料的电、热性能试验研究；套管电容芯子主绝缘改进等裕度设计方法研究；仿真获取换流变压器套管在实际运行过程中的电压、电流波形；套管双导杆载流结构涡流发热、绝缘介质焦耳发热理论计算方法研究[7-9]；各种电压型式下套管全模型的电位、电场分布规律研究；提出考虑复合绝缘介质在直流稳态、极性反转暂态条件下的温变、场变非线性有限元迭代计算方法，并对出线装置的结构型式进行选取和优化设计[10-12]；研制干式换流变压器套管样机并进行型式试验，进一步设计和开展研究。

1 电容芯子用复合绝缘材料电、热性能试验研究

首先将皱纹纸置入金属模具中，真空条件下干燥72 h去除内部水分，然后在一定温度和真空度下无气泡浇注试样。浇注完成后，通过合适的工艺流程固化，得到环氧浸纸试样。同时使用纯环氧在相同的条件下制备得到纯环氧圆形试样，其直径为30 mm、厚度为1 mm。

图1为环氧浸纸试样的偏光显微镜和扫描电镜观察结果。从图1(a)可以看出，皱纹纸中纤维素在一个方向上分布均匀，该结构有利于环氧浇注且可以较好地吸收外部机械应力。从图1(b)可以看出，铝箔、皱纹纸纤维素和环氧树脂彼此粘接致密，应尽量避免在它们的界面处出现气泡等绝缘缺陷。

图1 环氧浸纸试样的微观形貌Fig.1 Micromorphology of epoxy impregnated paper sample

±800 kV特高压干式换流变压器套管在稳态运行条件下其芯子内部场强取决于材料的体积电阻率，而体积电阻率与温度关系密切[13-14]，因此有必要研究试样体积电阻率与温度的非线性关系。在设定温度下对两种试样分别测量3个样品的稳定体积电阻率，求取平均值作为该温度下的体积电阻率，不同温度下纯环氧和环氧浸纸试样体积电阻率随温度的变化如图2所示。从图2可以看出，纯环氧和环氧浸纸材料的体积电阻率随温度升高均呈现下降趋势。

图2 试样体积电阻率与温度的关系Fig.2 Relationship between volume resistivity and temperature of samples

一般而言，±800 kV特高压干式换流变压器套管内部极板的厚度为0.5～3.0 mm，而在实际工程应用中，极板间径向绝缘容易发生击穿，因此有必要研究试样电气强度与绝缘厚度(d)间的定量关系，为套管芯子的主绝缘结构设计提供参考。图3是厚度分别为0.25 mm、0.77 mm的环氧浸纸试样电气强度的实验结果。从图3可以看出，试样的电气强度数据点满足威布尔分布，相同厚度试样的击穿概率随电场强度的提高而增大，且试样的厚度越小，其电气强度越高。

干式换流变压器套管一般运行在-40～160℃，因此在该温度范围内试样的频谱、温谱介电特性试验结果可为芯子复合绝缘材料在运行过程中的分子极化运动过程提供数据支持。设定环氧浸纸复合绝缘的介质损耗因数tanδ与温度T的关系如式（1）所示。

图3 环氧浸纸试样电气强度与厚度的关系Fig.3 Relationship between breakdown strength and thickness of epoxy impregnated paper samples

式（1）中：σ1、α1、σ2、α2均为常数，需根据具体试验数据拟合确定。

将环氧浸纸的介电谱特性和数据进行拟合，结果如图4所示。

图4 环氧浸纸试样的介电特性Fig.4 Dielectric properties of epoxy impregnated paper samples

从图4可以看出，双指数函数对环氧浸纸tanδ与温度的关系拟合效果良好，通过拟合曲线可以得到介质损耗因数最小值tanδmin对应的温度值Td，以便在实际运行环境下将套管芯体的温度控制在Td附近使芯体的介质损耗发热最少。

环氧浸纸试样的导热系数、热容值随温度的变化如图5所示。从图5可以看出，环氧浸纸试样的导热系数较高，证明皱纹纸的纤维状结构有利于热量的传导。

图5 环氧浸纸试样的导热性能Fig.5 Thermal conductivity of epoxy impregnated paper samples

2 电容芯子主绝缘改进等裕度设计方法

电容套管的内绝缘即电容芯子是电气设计的关键部件。电容芯子的设计应遵循以下原则：①最大工作电压下不发生局部放电；②额定工频击穿电压（1.2倍干耐受电压）下套管尾部不发生轴向闪络[15-16]。传统设计采用等台阶等电容方法，原理简单，但轴向场强不均匀，致使套管芯子整体的电气性能有待提高。20世纪80年代，为缩小套管芯子结构尺寸，提出了等厚度不等台阶设计方法，其关键在于确定每层极板台阶的长度，使轴向场强尽可能均匀，但调节过程相当繁琐[17]。20世纪90年代，提出了一种新的电容芯子设计方法——等裕度设计法，从理论上证明了该方法可有效提高套管芯子的局部放电起始电压，并对理论结果进行了实验验证[18-19]。进一步将等裕度法开发为高压电容式套管电容芯子优化设计软件包，基于此已成功设计出各种电压等级下的电容式套管产品。目前交/直流特高压输电在我国迅速发展，对特高压电容式套管的设计和研制提出了更高要求，因此在特高压电压等级下，传统套管电容芯子设计软件包是否需进一步完善亟待研究。高压套管芯子改进等裕度法数学模型的目标函数如式（2）所示。

对于直流套管设计，主要考虑温度因素的影响。为了减少程序运行的迭代次数，需将交流条件下（仅考虑模型因素）的设计结果作为迭代初值。因此，将特高压换流变压器套管主绝缘的优化设计分为两个阶段：①仅考虑模型因素条件下，实现电容芯子极板间电压ΔU、局部放电裕度Ydm、轴向场强Ea的均匀分布；②同时考虑温度因素条件下，再次实现上述3个参数的均匀分布。取整前后的极板间电压值ΔU和极板间裕度值Ydm对比如图6所示。从图6可以看出，取整前，极板间局部放电裕度值呈直线分布，极板间电压值呈倒U型分布，基本在7～9 kV变化。这表明特高压换流变压器套管主绝缘改进等裕度设计方法在考虑温度条件下真正实现了芯子的多目标优化设计。

3 双导杆载流结构涡流发热、绝缘介质焦耳发热理论计算方法研究

为准确获取通过特高压换流变压器套管的电压、电流波形，建立高压阀厅的电路拓扑模型，包括交流侧线路及设备、换流变压器及套管、换流阀、直流侧线路及设备。换流变压器套管及穿墙套管安置于高端阀厅内部[20-21]。

图6 套管芯子优化结构前后电气性能参数对比Fig.6 Comparison of electrical performance parameters before and after optimization of bushing core structure

仿真得到电路各节点电压、电流波形，其中重点关注±800 kV换流变压器套管通过的电压、电流波形，分别如图7、图8所示，图8中N为谐波次数。图7～8表明电压、电流波形中含有大量高次谐波分量，这是套管芯体介质发热和中心导体涡流发热的必要条件。

图7 换流变压器套管电压波形Fig.7 Voltage waveform of converter transformer Bushing

图8 换流变压器套管电流波形Fig.8 Current waveform of converter transformer bushing

换流变压器套管在运行时，其负载电压、电流中含有大量的高次谐波分量。高次谐波电流将在换流变压器套管中产生高次谐波损耗，同时高次谐波电压将在套管芯子内部产生较大的介质损耗，进而使换流变压器套管内部产生局部过热，因此套管设计时必须予以考虑，按照高压直流输电设备设计与考核的相关标准，负载电流中的谐波次数通常要考虑到第49次。对负载电流进行傅里叶分析，结果如图9所示，具体数据如表1所示。

实际运行条件下，可分别根据各次谐波电流的频率和峰值计算涡流发热量，然后应用叠加定理得到在方波电流条件下的涡流总发热量，如图10所示。从图10可以看出，谐波频率越高，集肤效应越显著。在考虑基波及高次谐波后，套管铜管的发热量高于仅考虑基波的情况，且通过定量分析发现随着载流铜管壁厚的增大，其发热量呈先减小后增大的趋势，可优化铜管结构尺寸使其发热量最小。

图9 Y/Y联接频谱分析Fig.9 Spectrum analysis of Y/Y connection

套管芯子环氧浸纸复合绝缘的介质损耗因数tanδ与相对介电常数εr均为套管芯子运行温度和频率的函数。图4表明随温度的变化，tanδ和εr表现出较为显著的非线性变化，因此需研究芯子绝缘介质焦耳发热的理论计算方法。将套管在实际运行中的电压波形进行傅里叶分析，其中直流电压分量为697.6 kV，基波频率取50 Hz。各次高次谐波电压分量的峰值如表2所示。

表1 换流变压器套管电流傅里叶分析结果Tab.1 Fourier analysis results of bushing current for converter transformer

图10 各次谐波下集肤效应和发热量对比Fig.10 Comparison of skin effect and calorific value under each harmonic

表2 换流变压器套管电压傅里叶分析结果Tab.2 Fourier analysis results of bushing voltage for converter transformer

电容芯子介质发热量P的计算公式为式（3）。

式（3）中：U为外施交流电压的幅值，V；f为外施交流电压的频率，Hz；C为套管电容芯子的电容量，F；tanδ为芯子绝缘材料的介质损耗因数。

由于±800 kV换流变压器套管电容芯子是按等裕度法设计的，且设计完成后极板长度和各层极板间绝缘介质的厚度都经过了取整处理，因此在这种条件下，各层极板间的电容不再满足等电容的条件，需要根据设计完成的极板尺寸重新计算该套管电容芯子的电容量。设第k层绝缘介质的电容量为Ck，则整个套管的电容量C可表示为式（4）。

第k层绝缘介质的电容量Ck可以表示为式（5）。

根据电容芯子的设计尺寸和式（4）～（5），计算出整个电容芯子的电容量C为386 pF，将相关参数代入式（3）得出电容芯子的介质发热量为183.414 W。同时根据有限元仿真计算，可以得出电容芯子网格剖分后每个单元的发热量，然后将其与每个单元的体积相除，最后将得到的数据相加获得整个电容芯子的发热量为183.461 W，可见有限元方法与理论方法在计算芯子整体发热时得到了基本一致的功率损耗。

4 套管全模型的电位、电场分布规律研究

计算中依据自主优化设计的干式换流变压器套管外轮廓和电容芯子结构尺寸，分别考虑不同极板布置方式，进行实体建模。±800 kV干式换流变压器套管的模型如图11所示，其中输入仿真模型的套管性能参数如下：零层极板的长度L0和直径D0分别为4 410 mm和150 mm，第n层极板的长度Ln和半径Dn分别为1 040 mm和640 mm，套管芯子内部极板总数N为95。套管额定工作电压为800 kV，额定载流量为3 150 A，电容量为437 pF。换流变套管电位、电场分布的仿真模拟结果如图12所示，换流变压器套管芯子径向、轴向场强分布如图13所示。从图12可以看出，由于换流变压器套管电容芯体对其内部电位的调制作用，套管等位线分布均匀，且高场强区域集中在电容芯体内部，有效降低了套管外部发生闪络事故的可能性。换流变套管端部均压环对其复合绝缘子高场强区域起到了较好的屏蔽作用。

图11 换流变压器套管三维计算模型图Fig.11 Three-dimensional computing model of converter transformer bushing

图12 换流变压器套管的电位、电场分布Fig.12 Potential and electric field distribution of converter transformer bushing

图13 换流变压器套管芯子径向、轴向场强分布Fig.13 Radial and axial field intensity distribution of converter transformer bushing core

从图13可以看出，换流变压器套管的电位分布均匀，高场强区域主要集中在套管芯子内部。且套管芯子内部径向场强呈现“U”型分布，其场强最大值为8.75 kV/mm，轴向电场强度分布均匀，下轴向场强约为0.5 kV/mm。

将高压套管改进等裕度优化设计方法用于干式套管的内绝缘设计，该套管初始设计外轮廓如图14所示。芯子两端分别置入变压器油筒和GIS管道气室中，中心导杆连接部位通过均压罩进行电场屏蔽。在全模型条件下应用改进等裕度法优化得到套管芯子尺寸，并进行卷制、浇注和固化等生产环节，制得样机。特高压油气套管电气性能型式试验结果说明样机满足试验要求，证明运用文中的高压套管内绝缘改进等裕度设计法可在特高压电压等级下设计出结构合理、电气性能满足各项要求的高压干式套管样机。

图14 特高压油气套管外轮廓Fig.14 Outer contour of UHV oil-gas bushing

5 结论

（1）定量拟合了环氧浸纸材料复介电常数与频率、温度的非线性关系，该定量拟合结果可用于高谐波条件下换流变压器管套的损耗分析；用幂指数函数定量拟合工频电气强度与试样厚度的关系，该结果可分别应用于换流变压器套管的电热耦合理论模型和芯子主绝缘设计。

（2）在高次谐波条件下对特高压换流变压器套管的绝缘介质焦耳发热和载流结构涡流发热进行了定量计算。采用直流输电标准测试系统获取了特高压换流变套管的实际运行电压、电流波形，将其用于离散傅里叶分析，确定了高次谐波分量的幅值和相位。提出了可充分考虑环氧浸纸材料频变和温变非线性的套管损耗计算方法，得到了高次谐波条件下套管介质和涡流发热的增强系数。

（3）自主编程改进了套管芯子主绝缘的传统等裕度设计方法，实现了特高压换流变压器套管在电热耦合条件下极板间电压、局部放电裕度、轴向场强3个电性能参数的均匀分布。提出的套管芯子主绝缘设计方法能充分考虑模型和温度因素，并联合有限元法和遗传算法实现了特高压换流变套管芯子的改进等裕度设计。