温度对换流变压器套管绝缘性能的影响研究

南京电气高压套管有限公司 洪文杰

直流套管的作用包括保障电力安全、高效的电力输送和电力分配。换流变压器套管性能对保障换流变压器稳定可靠的运行有关键作用。如果高压直流套管发生故障，连接的高压电气设备的绝缘就会受到破坏。在严重的情况下，其他电气设备可能会发生故障，从而导致停电事故。而套管内外温差会影响其绝缘介质径向电阻大小，进而导致直流电场、极性反转电场畸变。因此，有必要深入研究温度对换流变压器套管电场分布的影响，这对保持其绝缘性能稳定意义重大。

1 温度计算有限元分析

套管结构轴对称，在分析其温度影响时可以简化为平面轴对称问题。图1 显示了用于换流变压器套管温度分析的有限元模型。

图1 换流变压器套管温度计算有限元模型

该模型使用与电场模型处理方法来获取套管详细信息。因为倒角不会影响热量传导，所以简化部分小倒角以提高网格质量和计算精度。传热问题中还有一个“热阻”，表示阻止传热的能力。单一介质中的热阻越小，传热越容易，介质上的温差也越小。热阻与介质的导热系数、传热距离有关。如果环氧树脂与铝箔的传热系数分别为λ1、λ2，环氧树脂与铝箔厚度分别为h1、h2，介质在热回路中存在串联关系，其等效热阻为:

出于绝缘安全的考虑，换流变压器套管从里到外都采用干燥的复合绝缘材料，主要部件包括中间导电杆、由环氧树脂和皱纹纸制成的主要绝缘材料、铝箔、SF6气体、由硅橡胶和玻璃纤维、环氧树脂制成的空心复合绝缘外套。套管法兰以下部分浸入变压器油中，上部用一定压力的SF6气体填充，外绝缘层由硅橡胶伞裙保护。其中套管在环氧树脂浸纸的结构中使用了长3～8m的铝箔阻隔层，长度从内部到外部逐渐减小，最内层连接导杆，最外层连接接地法兰。铝箔阻隔层厚为2×10-5m。套管中的环氧树脂、铝箔的等效热阻为:

可以看出，铝箔相较环氧树脂具有更高的热导率和更小的传热距离。介质串联的等效热阻为0.202 和环氧树脂的等效热阻0.2 相差很小。因此，铝箔阻隔层的传热可忽略不计，直流套管温度计算边界条件如下：

（1）中心导杆以及出线端子根据给定的发热计算值施加体积热源，作为整个模型的能量源；

（2）套管绝缘介质中加载的介质损耗发热；

（3）套管与空气的散热系数为14.5W/（m2·K）；

（4）试验环境温度取全年日平均最高温度28℃，辐射系数为1；

（5）SF6气体、导杆、气体接触的表面定义为一个辐射组，辐射系数为1；

（6）变压器油固定温度92℃。

（7）3750A 额定电流激励

上述条件下，用柱坐标系。下方程表示

其中，λ 为导热系数，qv表示单位体积热量生成速率,r 表示芯体内径，T 表示流体温度，Z 表示体积比热容。计算得到的套管稳态温度分布如图2 所示

图2 换流变压器套管稳态温度分布

可以看出，尽管套管的中央导杆在轴向上产生相同的热量，但是温度值的分布却非常不同。底部的温度传导给变压器油，顶部的热量传导给空气，而中心附近的温度需要经由固体介质散发，这导致套管温度分布总体趋势是两端的温度都较低，中间温度较高。最高温度分布于环氧树脂芯体的中间部位，其温度可达最低温度的1.73 倍，而环氧树脂起主要绝缘作用，如果温度升高将会严重影响其电阻率，进而引发电套管电场分布畸变，最终影响绝缘性能。将温度梯度分布加载到电场的有限元模型中，可以得到不同的工作条件下，温度梯度的影响下套管的电场分布，交流激励电压下套管的电场分布与介质的电阻率无关。因此，仅需要计算温度梯度下的套管直流电场和极性反转电场。

2 温度对换流变压器套管直流电场的影响

图3

如图3 所示，套管在直流电压下的场强最大为9.837 kV/mm，位于均压罩处。直流电场主要分布在环氧树脂内部，中心导杆施加高电位，法兰施加零电位，因此套管高场强集中于环氧树脂内部，低强度磁场集中在环氧树脂外部。随着距中心导向杆的径向距离增加，直流电场强度逐渐降低。由于不同绝缘材料的电阻率不同，绝缘介质交界面两侧的电场强度也不同，电场在交界处畸变。

受直流电压影响，套管等电位线均匀分布，外部结构的等电位线比内部的等电位线更密。环氧树脂的内部和外部之间的电势差较大，即径向电势梯度较大。铝箔阻隔作用使得等电位线均匀地分布在环氧树脂内，铝箔两端等电位线发生明显偏移。SF6气体的电阻率大，在直流电压作用下具有较大的电位降。

3 温度对套管极性反转电场的影响

在温度梯度下，极性反转过程中套管等电位线分布与常温下大致相同。第一次极性反转之前套管电场稳定，电场分布和直流电场一样，电位集中在SF6气体中。第一次极性反转之后，电场不同于直流电场。SF6气体电场集中度介于AC、DC 电场之间。在反转过程中，由于自由电荷的弛豫作用，套管介电界面的场强发生了畸变，套管中的环氧树脂和硅橡胶之间的界面出现等电位线封闭，但是，导杆附近的环氧树脂、SF6气体的温度上升相对较高，等电位线密集度下降。伞裙处硅橡胶和周围空气的等电位线密集度上升。第二次极性反转时的电势分布类似于第一极性反转的电势分布。

对于具有不同电特性的绝缘材料，当极性相反时电场强度的特性有差异，而当极性反转时，低电阻率的材料会出现峰值。但是某些材料在反转后很长时间才能达到最大场强，而且该最大值是一个固定值。因此，极性反转测试必须确保足够长的观察时间，以确保测试的可靠性。在温度梯度下套管极性反转的最大电场强度仍然出现在均压罩外部。92min 时，即完成反转的那一刻，选择沿均压罩外表面的路径记录常温、温度梯度下直流电场路径上的电场分布。可以看出，在正常温度和温度梯度下，变压器油中沿均压罩的电场具有相同的分布趋势，但在温度梯度以下，均压罩下部具有较高的峰值。

为了研究在极性反转过程中温度梯度对套管中不同介质电场的时变趋势的影响（图4），分析温度梯度下A、B、C、D 不同位置两次极性反转前后电场强度的变化。

图4

伞裙中部的硅橡胶、环氧树脂分界面等位线发生闭合处各选取一个点，即A、B；环氧树脂主绝缘下端与变压器油接触，两种介质中分界面处各取一点，即C、D。A 点（硅橡胶伞裙）的峰值场强达到固定值的25.63 倍，大于常温下的反转电场。同时温度梯度下，B、C 和D 点处的反转电场都大于常温下的反转电场，这表明温度对极性反转场强的影响变大，畸变更严重。

4 结语

综上所述，通过有限元分析计算温度因素对套管内电场强度分布的影响。在温度梯度下的直流电场中，绝缘层外边缘附近的场强增加，并且周围空气中的最大电场强度超过参考值3.0 kV/mm，容易发生放电、闪络。如果下雨或起雾，则很可能会沿表面闪络。同时，温度梯度影响下换流变压器套管极性反转两者均大于室温下的相应值，表明极性反转的场强畸变在温度梯度下变得严重，对于套管绝缘性能有较大影响。