摘 要：基于傳統(tǒng)變壓器的絕緣設(shè)計(jì)并未考慮油紙絕緣的非線性特性，采用有限元法將電磁場(chǎng)、溫度場(chǎng)等多物理場(chǎng)進(jìn)行耦合仿真計(jì)算，重點(diǎn)研究油紙復(fù)合絕緣的電導(dǎo)率隨溫度非線性變化時(shí)，換流變壓器閥側(cè)繞組端部暫態(tài)電場(chǎng)分布的規(guī)律和特征，以及油、紙板電導(dǎo)率比值對(duì)閥側(cè)電場(chǎng)的影響。結(jié)果表明：考慮溫度電導(dǎo)率非線性特性時(shí)，換流變壓器閥側(cè)端部的電場(chǎng)分布更加集中，畸變現(xiàn)象更明顯，且隨著電導(dǎo)率比值的增大，閥側(cè)繞組端部的等位線分布越來越密集，高場(chǎng)強(qiáng)值集中在閥側(cè)繞組端部絕緣紙板之間的油隙中。所提研究為變壓器絕緣設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：換流變壓器; 極性反轉(zhuǎn); 非線性; 暫態(tài)電場(chǎng); 油紙絕緣; 溫度影響

中圖分類號(hào)：TM401 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-8188（2024）06-0017-08

DOI：10.16628/j.cnki.2095-8188.2024.06.003

Influence Analysis of Temperature on Transient Electric Field of Converter Transformer

LI Qian¹， GAO Youhua¹， FENG Xiaoxue²， ZHANG Mingyang¹

（1.Shenyang University of Technology， Shenyang 110870， China;

2.State Grid Shenyang Power Supply Company， Shenyang 110023， China）

Abstract：The nonlinear characteristics of oil-paper insulation are not considered in the traditional transformer insulation design. The finite element method is used to couple electromagnetic field， temperature field and other multi-physical fields for the simulation calculation， focusing on the study of the conductivity of oil-paper composite insulation with the temperature nonlinear changes in the transient electric field distribution of the converter transformer valve-side winding end of the law and features.The effect of oil and insulating pressboard conductivity ratio on the valve-side electric field is studied. The results show that when considering the temperature-conductivity nonlinear characteristics， the electric field distribution at the valve-side terminal of the converter transformer is more concentrated， the distortion phenomenon is significant. And with the increase of the conductivity ratio， the electric field distribution on the valve side terminal is becoming increasingly concentrated. The high field strength values are distributed in the oil gap of the insulating pressboard at the terminal of the valve-side winding. The proposed research provides the reference for transformer insulation design.

Key words：converter transformer; polarity reversal; nonlinear characteristics; transient electric field; oil-paper insulation; temperature effect

0 引 言

換流變壓器是高壓直流輸電系統(tǒng)的重要設(shè)備，位于整流與逆變接口處，可實(shí)現(xiàn)交流電到直流電的轉(zhuǎn)換和反向轉(zhuǎn)換，其穩(wěn)定性對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行起至關(guān)重要的作用^［1-2］。換流變壓器閥側(cè)繞組在運(yùn)行過程中承受的電壓類型較復(fù)雜，除工頻交流電壓、直流電壓以及直流疊加工頻交流電壓外，還承受一種稱為極性反轉(zhuǎn)電壓的暫態(tài)電壓。通常換流變壓器采用油紙復(fù)合絕緣結(jié)構(gòu)，其在承受極性反轉(zhuǎn)電壓作用時(shí)的絕緣特性不同于承受工頻電壓或直流電壓作用時(shí)的絕緣特性^［3-5］。

換流變壓器承受極性反轉(zhuǎn)電壓作用時(shí)，其內(nèi)部電場(chǎng)分布由絕緣介質(zhì)電導(dǎo)率與相對(duì)介電常數(shù)共同決定，而換流變壓器油紙復(fù)合絕緣介質(zhì)導(dǎo)電特性受溫度、濕度等多種因素影響。其中溫度是影響絕緣介質(zhì)電導(dǎo)率變化的主要因素，換流變壓器處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，其內(nèi)部損耗發(fā)熱導(dǎo)致溫度改變，引起電導(dǎo)率非線性變化，電場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)而發(fā)生改變，高溫環(huán)境下電場(chǎng)容易發(fā)生擊穿或放電現(xiàn)象，影響設(shè)備的正常運(yùn)行。因此，對(duì)于換流變壓器的絕緣設(shè)計(jì)，探究溫度對(duì)換流變壓器內(nèi)部的電場(chǎng)分布規(guī)律具有重要意義。

對(duì)于換流變壓器的主絕緣電場(chǎng)，文獻(xiàn)［6］首次計(jì)算出交直流疊加電壓作用下?lián)Q流變壓器的電場(chǎng)，并系統(tǒng)描述其內(nèi)部的電荷運(yùn)動(dòng)。文獻(xiàn)［7］計(jì)算換流變壓器在絕緣材料非線性條件下的電場(chǎng)，總結(jié)換流變壓器非線性電場(chǎng)的計(jì)算方法。對(duì)于換流變壓器的絕緣介質(zhì)特性，張金烽等^［8］研究極性反轉(zhuǎn)電壓下油紙絕緣空間電荷與電場(chǎng)分布特性，利用電聲脈沖法開展不同溫度下單層油浸紙板與油紙雙層絕緣空間電荷試驗(yàn)。夏彥衛(wèi)等^［9］選取了1種常見的換流變壓器絕緣紙與2種換流變壓器絕緣油，對(duì)其進(jìn)行長(zhǎng)期熱老化試驗(yàn)，測(cè)試絕緣油和絕緣紙的相對(duì)介電常數(shù)及電阻率在老化過程中的變化規(guī)律，隨后建立絕緣油紙間隙模型，并基于混合電場(chǎng)線性疊加原則，使用有限元仿真方法分析絕緣油紙中電場(chǎng)隨熱老化時(shí)間變化的規(guī)律。

目前關(guān)于換流變壓器的研究，大多只研究單一的溫度場(chǎng)或電場(chǎng)，而絕緣介質(zhì)導(dǎo)電特性溫度非線性變化對(duì)電場(chǎng)影響的研究較少，本文采用有限元法將電磁場(chǎng)、溫度場(chǎng)等多物理場(chǎng)進(jìn)行耦合仿真計(jì)算;采用流固耦合的方法對(duì)換流變壓器溫度場(chǎng)進(jìn)行仿真分析，將變壓器運(yùn)行過程中的空載損耗和負(fù)載損耗作為熱源耦合至溫度場(chǎng)，設(shè)置外界環(huán)境溫度，給定入口油速，模擬換流變壓器油循環(huán)流動(dòng)散熱過程以及換流變壓器實(shí)際運(yùn)行過程中的溫升分布^［10-13］;將換流變壓器溫度分布狀況與絕緣介質(zhì)導(dǎo)電特性相結(jié)合，分析溫度對(duì)換流變壓器內(nèi)部電場(chǎng)的影響。本研究為變壓器絕緣設(shè)計(jì)提供了相關(guān)技術(shù)支持。

1 換流變壓器主絕緣結(jié)構(gòu)的有限元分析模型

1.1 暫態(tài)電場(chǎng)計(jì)算的數(shù)學(xué)模型

針對(duì)換流變壓器，采用有限元法計(jì)算暫態(tài)電場(chǎng)，考慮介電常數(shù)、電導(dǎo)率的三維瞬態(tài)電場(chǎng)模型^［14-15］為

式中：γ——電導(dǎo)率;

φ——電位場(chǎng);

ε——介電常數(shù)。

對(duì)于軸對(duì)稱模型，式（1）變?yōu)?/p>

滿足邊界條件后的方程^［16-17］為

式中：c₁——一類邊界;

c₂——二類邊界。

換流變壓器正常運(yùn)行時(shí)，繞組和鐵心產(chǎn)生損耗，各種損耗轉(zhuǎn)化為熱量，將會(huì)引起油箱內(nèi)溫度上升。

變壓器的損耗包括空載損耗和負(fù)載損耗，空載損耗可表示為

p_t=p_h+p_c+p_r=K_hfB_m²+K_cfB_m²+K_rfB_m²（4）

式中：p_t——變壓器單位質(zhì)量的空載損耗;

p_h——磁滯損耗;

p_c——渦流損耗;

p_r——附加損耗;

K_h——磁滯損耗系數(shù);

f——諧波頻率;

B_m——最大的磁密;

K_c——渦流損耗系數(shù);

K_r——附加損耗系數(shù)。

在此基礎(chǔ)上，可計(jì)算各級(jí)區(qū)域內(nèi)的鐵心損耗為

式中：ρ——鐵心密度;

h_i——第 i 級(jí)鐵心厚;

N——單元總數(shù);

p_ij——單位面積內(nèi)的功率密度;

ΔV_j——各單元面積。

除空載損耗外，還有變壓器繞組發(fā)熱引起的負(fù)載損耗。該損耗也會(huì)導(dǎo)致油箱內(nèi)溫度升高，但是負(fù)載損耗產(chǎn)生的熱量在升溫過程中會(huì)受到溫度本身的制約^［18］，因?yàn)闇囟鹊淖兓苯佑绊懤@組的損耗程度。這種關(guān)系的表達(dá)式為

式中：P_Ω——?dú)W姆損耗;

N——繞組匝數(shù);

e——剖分后的單元網(wǎng)格;

I——電流;

S——繞組面積;

σ——和溫度有關(guān)的電導(dǎo)率;

S_e——單元面積。

上述損耗導(dǎo)致變壓器溫度升高，引起式（3）中的電導(dǎo)率發(fā)生非線性變化。

1.2 換流變壓器的計(jì)算模型

換流變壓器基本結(jié)構(gòu)包括繞組、鐵心、油箱、冷卻系統(tǒng)等。本文根據(jù)±500 kV換流變壓器的實(shí)際結(jié)構(gòu)，進(jìn)行繪制?！?00 kV換流變壓器計(jì)算模型如圖1所示。其中AB為換流變壓器鐵軛部分，AC對(duì)應(yīng)鐵心部分，1、2、3、4、5分別對(duì)應(yīng)換流變壓器閥側(cè)繞組、網(wǎng)側(cè)繞組、靜電環(huán)、成型角環(huán)、絕緣隔板^［19］。

2 絕緣介質(zhì)溫度電導(dǎo)率非線性特性

換流變壓器承受極性反轉(zhuǎn)電壓時(shí)，內(nèi)部電場(chǎng)分布與絕緣材料的電導(dǎo)率及相對(duì)介電常數(shù)有關(guān)。絕緣介質(zhì)的介電常數(shù)基本保持不變，電導(dǎo)率受溫度、電場(chǎng)強(qiáng)度等多種因素影響，在較大范圍內(nèi)變化。換流變壓器運(yùn)行時(shí)因各種損耗導(dǎo)致溫度升高，絕緣介質(zhì)電導(dǎo)率發(fā)生非線性變化，對(duì)換流變壓器內(nèi)部瞬態(tài)電場(chǎng)分布產(chǎn)生影響。

根據(jù)變壓器油、絕緣紙板在不同溫度下的電導(dǎo)率，得到變壓器油、絕緣紙板溫度電導(dǎo)率變化。變壓器油溫度電導(dǎo)率變化曲線如圖2所示;絕緣紙板溫度電導(dǎo)率變化曲線如圖3所示。

由圖2和圖3可知，變壓器油和絕緣紙板的電導(dǎo)率與溫度呈近似指數(shù)關(guān)系。當(dāng)溫度＜100 ℃時(shí)，絕緣介質(zhì)電導(dǎo)率不會(huì)受到顯著影響;當(dāng)溫度＞100 ℃時(shí)，電導(dǎo)率隨溫度變化明顯。其原因是當(dāng)溫度較低時(shí)，變壓器油黏度較大，電離子移動(dòng)速度較慢，因此電導(dǎo)率變化不明顯。然而隨著溫度的升高，變壓器油分子的熱運(yùn)動(dòng)能量增加，分子間相互作用減弱，油黏度降低，電離子在油中移動(dòng)的速度加快，從而提升了電流的流動(dòng)能力;同時(shí)電離子的活化能增大，電離子熱運(yùn)動(dòng)的能量增大，更易獲得足夠能量進(jìn)行離子化。這些變化共同作用使得導(dǎo)電能力提高，導(dǎo)致變壓器油、絕緣紙板的電導(dǎo)率顯著增大。

3 極性反轉(zhuǎn)電壓下閥側(cè)繞組暫態(tài)電場(chǎng)分析

3.1 極性反轉(zhuǎn)電壓

根據(jù)IEC 62199：2004中關(guān)于換流變壓器的試驗(yàn)要求，極性反轉(zhuǎn)電壓表達(dá)式為

U_p=1.25［（N-0.5）U_dm+0.35U_vm］（7）

式中：U_p——換流變壓器閥側(cè)繞組的外施極性反轉(zhuǎn)試驗(yàn)電壓;

N——脈波橋的數(shù)量;

U_dm——每個(gè)閥橋的最高直流電壓;

U_vm——閥側(cè)繞組的最大相間工作電壓。

依據(jù)式（7），對(duì)換流變壓器閥側(cè)繞組及靜電環(huán)施加幅值為459 kV的極性反轉(zhuǎn)電壓。

試驗(yàn)時(shí)極性反轉(zhuǎn)時(shí)間應(yīng)保證在2 min內(nèi)。極性反轉(zhuǎn)電壓波形如圖4所示。

3.2 暫態(tài)電場(chǎng)計(jì)算

利用COMSOL有限元仿真軟件，對(duì)施加極性反轉(zhuǎn)電壓的換流變壓器進(jìn)行暫態(tài)電場(chǎng)分析。根據(jù)工程實(shí)際情況，變壓器油的相對(duì)介電常數(shù)、電導(dǎo)率分別設(shè)置為2.2和1×10^-13 S/m;絕緣紙板的相對(duì)介電常數(shù)、電導(dǎo)率分別設(shè)置為4.4和1×10^-14 S/m。對(duì)閥側(cè)繞組及其靜電環(huán)施加高電位，對(duì)網(wǎng)側(cè)繞組及靜電環(huán)施加低電位，對(duì)上側(cè)及左側(cè)邊界施加零電位。

極性反轉(zhuǎn)電壓作用時(shí)對(duì)換流變壓器閥側(cè)繞組上方靜電環(huán)及紙板處影響較大，因此換流變壓器閥側(cè)端部應(yīng)為研究的重點(diǎn)。t=5 400 s時(shí)極性反轉(zhuǎn)電壓下閥側(cè)端部等位線分布如圖5所示;t=5 400 s時(shí)極性反轉(zhuǎn)電壓下閥側(cè)端部電場(chǎng)強(qiáng)度分布如圖6所示。

等位線密集程度、間距大小及形狀都能反映出電場(chǎng)強(qiáng)度的分布情況。等位線間距越小，電場(chǎng)強(qiáng)度越大。由圖5可知，換流變壓器閥側(cè)繞組端部左側(cè)靜電環(huán)附近絕緣紙板處等位線間距最小，對(duì)應(yīng)圖6中同一位置處電場(chǎng)強(qiáng)度最大，可見等位線分布更能直觀地反映閥側(cè)電場(chǎng)分布的特征和規(guī)律。 t=5 420 s時(shí)極性反轉(zhuǎn)電壓下閥側(cè)的等電位線分布如圖7所示;t=5 440 s時(shí)極性反轉(zhuǎn)電壓下閥側(cè)的等電位線分布如圖8所示;t=5 460 s時(shí)極性反轉(zhuǎn)電壓下閥側(cè)的等電位線分布如圖9所示。

由圖7～圖9可知，極性反轉(zhuǎn)前，換流變壓器承受-459 kV穩(wěn)態(tài)直流電壓，等位線大多集中在閥側(cè)繞組靜電環(huán)上方紙板處，紙板承受大部分電壓。絕緣紙板最大電場(chǎng)強(qiáng)度為16.73 kV/mm，位于閥側(cè)繞組靜電環(huán)上方處。5 400 s后反轉(zhuǎn)開始，等位線畸變及回環(huán)現(xiàn)象主要發(fā)生在換流變壓器閥側(cè)繞組上方靠近絕緣紙板的變壓器油處。在5 420 s后，變壓器閥側(cè)繞組上方絕緣紙板之間的變壓器油承擔(dān)了更多的電壓，因此閥側(cè)繞組上方靠近鐵軛處的變壓器油呈現(xiàn)出高場(chǎng)強(qiáng)值區(qū)域，等位線變得密集，電場(chǎng)強(qiáng)度的最大值可達(dá)12.58 kV/mm。對(duì)于實(shí)際工程而言，需考慮換流變壓器各種介質(zhì)中的最大電場(chǎng)強(qiáng)度，以防止電場(chǎng)強(qiáng)度過大，換流變壓器絕緣受到破壞。為進(jìn)一步研究極性反轉(zhuǎn)過程中電場(chǎng)強(qiáng)度的變化情況，本文給出了變壓器油、絕緣紙板極性反轉(zhuǎn)前后最大電場(chǎng)強(qiáng)度如表1所示。

由表1可知，第一次極性反轉(zhuǎn)的起始時(shí)刻，即t=5 400 s時(shí)，變壓器油中最大電場(chǎng)強(qiáng)度為4.95 kV/mm。極性反轉(zhuǎn)過程中，變壓器油中電場(chǎng)強(qiáng)度一直在增大，當(dāng)t=5 460 s時(shí)，反轉(zhuǎn)結(jié)束，電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到最大。變壓器油中的最大電場(chǎng)強(qiáng)度位置在反轉(zhuǎn)過程中會(huì)發(fā)生改變，但主要集中在換流變壓器閥側(cè)繞組上方靜電環(huán)附近。反轉(zhuǎn)結(jié)束后，變壓器油中電場(chǎng)強(qiáng)度不會(huì)繼續(xù)增大，而是不斷減小直至穩(wěn)態(tài)。絕緣紙板電場(chǎng)強(qiáng)度變化規(guī)律與變壓器油相反，極性反轉(zhuǎn)剛開始時(shí)，絕緣紙板電場(chǎng)強(qiáng)度值達(dá)到最大16.73 kV/mm，在極性反轉(zhuǎn)過程中，絕緣紙板的電場(chǎng)強(qiáng)度持續(xù)減小，在t=5 460 s時(shí)達(dá)到最小值，然后隨著反轉(zhuǎn)的結(jié)束而不斷增大，直至達(dá)到穩(wěn)態(tài)。第二次極性反轉(zhuǎn)過程與第一次相同。

換流變壓器閥側(cè)電場(chǎng)是由界面電荷產(chǎn)生的感應(yīng)電場(chǎng)和極性反轉(zhuǎn)瞬間外加電壓產(chǎn)生的容性電場(chǎng)共同作用形成的。在電壓發(fā)生極性反轉(zhuǎn)的瞬間，變壓器油中電場(chǎng)相互增強(qiáng)，絕緣紙板中電場(chǎng)相互削弱，造成了等位線扭曲和回環(huán)現(xiàn)象的發(fā)生。極性反轉(zhuǎn)的瞬間，變壓器油承擔(dān)了大部分外加電壓，可能導(dǎo)致變壓器油發(fā)生局部放電甚至擊穿，因此需要特別關(guān)注變壓器油的絕緣性能。

3.3 絕緣油、絕緣紙板電導(dǎo)率比值對(duì)極性反轉(zhuǎn)電場(chǎng)的影響

在換流變壓器實(shí)際運(yùn)行中，絕緣油的電導(dǎo)率一般為10^-14～10^-12 S/m，絕緣紙板電導(dǎo)率一般為10^-15～10^-12 S/m。本文對(duì)絕緣介質(zhì)電導(dǎo)率比值分別為1∶1、10∶1、100∶1的極性反轉(zhuǎn)電場(chǎng)進(jìn)行仿真計(jì)算，給出了3種不同電導(dǎo)率比值的情況下，極性反轉(zhuǎn)過程中2個(gè)典型時(shí)刻（t=5 420 s和t=5 450 s）的等電位線分布。 t=5 420 s、電導(dǎo)率比值為1∶1時(shí)等電位線分布如圖10所示;t=5 420 s、電導(dǎo)率比值為10∶1時(shí)等電位線分布如圖11所示;t=5 420 s、電導(dǎo)率比值為100∶1時(shí)等電位線分布如圖12所示。

t=5 450 s、電導(dǎo)率比值為1∶1時(shí)等電位線分布如圖13所示;t=5 450 s、電導(dǎo)率比值為10∶1時(shí)等電位線分布如圖14所示;t=5 450 s、電導(dǎo)率比值為100∶1時(shí)等電位線分布如圖15所示。

由t=5 420 s 時(shí)的等位線分布可知，電導(dǎo)率比值為1∶1時(shí)，等位線畸變程度最小，隨著電導(dǎo)率比值增大，等位線扭曲程度加劇。同一時(shí)刻，電導(dǎo)率比值增大，等位線數(shù)值變化也越明顯。由t=5 450 s 時(shí)的等位線分布可知，隨著電導(dǎo)率比值增大，換流變壓器內(nèi)等位線分布越來越密集，且高數(shù)值等位線集中在閥側(cè)繞組上方絕緣紙板之間的變壓器油處，表明變壓器油中電場(chǎng)強(qiáng)度也在增大。極性反轉(zhuǎn)過程中變壓器油、絕緣紙板整體分布趨勢(shì)不變。

4 溫度電導(dǎo)率非線性特性影響分析

換流變壓器運(yùn)行產(chǎn)生損耗，損耗轉(zhuǎn)化為熱量，導(dǎo)致繞組和鐵心溫度上升，與周圍冷卻介質(zhì)產(chǎn)生一定的溫度差。通過對(duì)流作用，其部分熱量傳遞給附近的變壓器油。給定變壓器油一定的初速度，強(qiáng)迫油流動(dòng)帶走熱量。熱油接觸變壓器箱壁，將熱量傳導(dǎo)至箱壁，使箱壁溫度升高，與周圍空氣產(chǎn)生溫度差，并將部分熱量散發(fā)到空氣中。換流變壓器主要依靠對(duì)流散熱，同時(shí)需要控制溫度在一定范圍內(nèi)，過高的溫度會(huì)導(dǎo)致變壓器損壞^［20］。變壓器整體溫度上升引起絕緣介質(zhì)發(fā)生非線性變化，進(jìn)而對(duì)暫態(tài)電場(chǎng)產(chǎn)生影響。

本文在未考慮溫度對(duì)電導(dǎo)率的非線性影響及考慮溫度對(duì)電導(dǎo)率的影響2種情況下，在不同時(shí)刻對(duì)換流變壓器繞組端部極性反轉(zhuǎn)電壓作用下的暫態(tài)電場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值仿真。t=5 420 s 時(shí)等電位線分布對(duì)比如圖16所示;t=5 400 s 時(shí)等電位線分布對(duì)比如圖17所示;t=5 440 s 時(shí)等電位線分布對(duì)比如圖18所示;t=5 460 s 時(shí)等電位線分布對(duì)比如圖19所示。

由圖16～19可知，溫度對(duì)換流變壓器閥側(cè)繞組等位線分布有影響。當(dāng)t=5 420 s、考慮溫度影響時(shí)，換流變壓器閥側(cè)繞組上方靠近鐵軛處的變壓器油中等位線分布更密集。當(dāng)t=5 440 s、考慮溫度影響時(shí)，閥側(cè)繞組等位線分布較均勻，未考慮溫度影響時(shí)的高數(shù)值等位線集中在閥側(cè)繞組上方絕緣紙板處。在整個(gè)極性反轉(zhuǎn)過程中，考慮到溫度對(duì)絕緣材料電導(dǎo)率的影響，電場(chǎng)等位線分布呈現(xiàn)了一種集中的趨勢(shì)。特別是在閥側(cè)繞組端部靜電環(huán)處，考慮溫度影響時(shí)的電場(chǎng)分布比不考慮溫度影響時(shí)的更加集中。這是因?yàn)樵跇O性反轉(zhuǎn)電壓的作用下，絕緣介質(zhì)內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生不同極性的電荷，而這些電荷在不同溫度條件下會(huì)出現(xiàn)集聚的現(xiàn)象，尤其是在溫度較低的一側(cè)，這種集聚現(xiàn)象更加明顯。這導(dǎo)致在溫度較低一側(cè)的電場(chǎng)分布不均勻現(xiàn)象較為明顯，使得電場(chǎng)等位線的分布相對(duì)不均勻。

上述2種情況下，變壓器油極性反轉(zhuǎn)前后最大電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)比如表2所示。

由表2可知，極性反轉(zhuǎn)過程中絕緣介質(zhì)變化規(guī)律不變。變壓器油的電場(chǎng)強(qiáng)度持續(xù)增大，在反轉(zhuǎn)結(jié)束時(shí)達(dá)到最大。絕緣紙板的電場(chǎng)強(qiáng)度變化規(guī)律與變壓器油相反，且極性反轉(zhuǎn)過程中最大電場(chǎng)強(qiáng)度位置發(fā)生改變，不會(huì)固定在某處。在溫度電導(dǎo)率非線性變化的情況下，會(huì)出現(xiàn)電場(chǎng)強(qiáng)度突增的現(xiàn)象，但整體電場(chǎng)分布趨于平緩。這是因?yàn)殡S著溫度的升高，油紙的電導(dǎo)率增大，從而導(dǎo)致空間電荷的時(shí)間常數(shù)變小，重新分布速度加快。這種效應(yīng)使得電場(chǎng)在整體上更加平穩(wěn)地分布，盡管在某些區(qū)域可能出現(xiàn)局部的電場(chǎng)強(qiáng)度急劇增大。

5 結(jié) 語

本文采用COMSOL有限元仿真軟件對(duì)換流變壓器不同絕緣油、絕緣紙板電導(dǎo)率比值情況以及溫度電導(dǎo)率非線性變化的情況進(jìn)行仿真計(jì)算。得到以下結(jié)論：

（1） 極性反轉(zhuǎn)過程中，換流變壓器閥側(cè)繞組上方變壓器油處發(fā)生等位線畸變及回環(huán)現(xiàn)象，且變壓器油中電場(chǎng)強(qiáng)度值逐步增加，在反轉(zhuǎn)結(jié)束時(shí)，電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到最大值12.58 kV/mm。反轉(zhuǎn)結(jié)束后，隨時(shí)間推移電場(chǎng)強(qiáng)度不斷減小直至穩(wěn)態(tài)。絕緣紙板電場(chǎng)強(qiáng)度的變化規(guī)律與變壓器油正好相反。由于反轉(zhuǎn)瞬間變壓器油承擔(dān)了大部分的外加電壓，因此變壓器油顯現(xiàn)出較大的電場(chǎng)強(qiáng)度，可能導(dǎo)致變壓器油局部放電甚至擊穿。

（2） 絕緣材料電導(dǎo)率受溫度等因素影響，并與溫度近似呈指數(shù)關(guān)系。在考慮溫度對(duì)絕緣材料電導(dǎo)率影響的情況下，換流變壓器閥側(cè)繞組端部的等位線分布部分出現(xiàn)集中現(xiàn)象，閥側(cè)繞組端部靜電環(huán)處的電場(chǎng)分布比未考慮溫度對(duì)其影響時(shí)的更加集中。與未考慮溫度影響時(shí)相比，考慮溫度影響時(shí)換流變壓器內(nèi)部絕緣介質(zhì)變化規(guī)律未發(fā)生改變，但整體最大電場(chǎng)強(qiáng)度偏大。在考慮溫度電導(dǎo)率非線性變化的情況下，電場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)出現(xiàn)突增的現(xiàn)象，但整體電場(chǎng)分布趨于平緩。

（3） 極性反轉(zhuǎn)過程中，換流變壓器內(nèi)部絕緣介質(zhì)電導(dǎo)率比值對(duì)內(nèi)部電場(chǎng)有影響。電導(dǎo)率比值不同，等位線畸變程度也有所改變。同一時(shí)刻，隨著電導(dǎo)率比值增大，換流變壓器內(nèi)等位線分布越來越密集，且高數(shù)值等位線集中在閥側(cè)繞組上方絕緣紙板之間的變壓器油處，但極性反轉(zhuǎn)過程中變壓器油、絕緣紙板整體分布趨勢(shì)不變。

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收稿日期：20240301