變壓器局部放電與套管連接部位電場的分析

變壓器局部放電與套管連接部位電場的分析
1引言 
　　變壓器局部放電量是衡量變壓器設(shè)計(jì)、制造質(zhì)量的重要參數(shù)之一。當(dāng)局部放電量較高時，可引起局部絕緣損傷并逐漸擴(kuò)大而導(dǎo)致絕緣最終擊穿。因此，局部放電問題愈來愈受到變壓器制造和運(yùn)行部門的重視與關(guān)注。
　　針對一臺容量為75MVA、電壓為110/20kV變壓器，在局部放電試驗(yàn)時低壓側(cè)視在放電量為3000pC，高壓側(cè)視在放電量為800pC的三相局部放電測量結(jié)果嚴(yán)重超標(biāo)問題，通過局部放電超聲定位測量，初步確認(rèn)放電發(fā)生在低壓出線端附近。由于近距離監(jiān)聽到三相都有明顯的放電響聲，但沒有發(fā)現(xiàn)套管外表面有放電光暈，說明放電不在外部而在內(nèi)部。
　　經(jīng)過對低壓套管及其連接部位的油箱法蘭、壓腳等金屬部件（圖1所示）的檢查，未發(fā)現(xiàn)連接不良和金屬雜質(zhì)等異常情況，因此排除了懸浮放電的可能。根據(jù)低壓套管放電部位的結(jié)構(gòu)分析和檢查情況，作者初步認(rèn)為由于低壓引線（高電位）與 頻譜分析儀| 電池測試儀| 相序表| 萬用表| 功率計(jì)| 示波器| 電阻測試儀| 電阻計(jì)| 電表| 鉗表| 高斯計(jì)| 電磁場測試儀
　　圖1低壓套管結(jié)構(gòu)簡圖
　　油箱法蘭（接地體）之間的電場分布過分集中造成油中法蘭拐角處尖端放電。為此，本文對低壓套管及其連接部件構(gòu)成的區(qū)域建立了簡化模型并進(jìn)行了兩個方案電場的數(shù)值分析，為解決局部放電超標(biāo)問題提供了可靠數(shù)據(jù)和改進(jìn)措施。
　　2放電影響因素和簡化模型
　　影響變壓器套管局部放電的因素除了與試驗(yàn)時所施加的電壓和時間有關(guān)外，將主要取決于套管及其連接部位的油箱法蘭、壓腳等的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和加工制造質(zhì)量，因此，引起套管局部放電的原因可以是變壓器套管絕緣結(jié)構(gòu)材料的性能質(zhì)量包括變壓器油、瓷套和裸金屬電極，由于這些材料的絕緣性能不同，加上設(shè)計(jì)、工藝或制造方面的質(zhì)量問題，其內(nèi)部易于產(chǎn)生局部缺陷，如油中的氣泡或雜質(zhì)、金屬表面加工的粗糙度或尖角毛刺、連接不良、焊縫及附在其上的焊渣等，并使套管絕緣結(jié)構(gòu)中的電場分布不均勻，甚至在局部區(qū)域產(chǎn)生的電場過于集中，從而，發(fā)生局部放電。局部放電的產(chǎn)生與放電部位的電場強(qiáng)度及分布均勻程度等有關(guān)，因此，根據(jù)套管結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和局部放電影響因素，建立合理的數(shù)學(xué)物理模型十分重要。
　　變壓器低壓套管及其連接部位的結(jié)構(gòu)如圖1所示。根據(jù)套管結(jié)構(gòu)對稱性和求解問題的關(guān)心部位，在不考慮套管偏心影響時其簡化軸對稱物理模型如圖2所示。在圖2中，根據(jù)絕緣介質(zhì)的不同，分為四個子區(qū)域：即導(dǎo)電桿與瓷套構(gòu)成的油隙區(qū)、瓷套區(qū)、瓷套與油箱及連接法蘭構(gòu)成的油隙區(qū)、螺栓與法蘭、壓板、瓷套圍成的空氣隙區(qū)，四個子區(qū)域的相對介電常數(shù)分別取為2.2，6.0，2.2和1.0。其中，方案1為原設(shè)計(jì)（局部放電超標(biāo)），方案2為改進(jìn)設(shè)計(jì)（套管外徑表面噴涂鋁導(dǎo)電層，并通過壓板、螺栓與油箱法蘭緊密連接而形成統(tǒng)一的接地體），兩個方案的左右邊界均為一類邊界條件（左邊界為高電位，右邊界為地電位），上下邊界取二類齊次邊界條件，由此，可確定軸對稱靜電場的有限元數(shù)學(xué)模型及邊值問題。
　　3電場數(shù)值分析和處理對策
　　3．1數(shù)值分析結(jié)果
　　利用有限元方法，對變壓器套管下部外表面噴涂鋁導(dǎo)電層前后兩個方案的電場分別進(jìn)行了計(jì)算，法蘭盤內(nèi)徑側(cè)忽略倒圓角時的等電位線分布如圖2的方案1和方案2；方案1的法蘭盤內(nèi)徑側(cè)倒半徑為5mm圓角和10mm圓角時的等電位線分布如圖3，相應(yīng)的最大電場強(qiáng)度值和發(fā)生部位列于表1。
　　圖2變壓器套管及其下端連接部位的電場分布圖 
　　圖3變壓器套管及其下端連接部位的電場分布圖 
　　(方案1的法蘭盤內(nèi)徑側(cè)倒圓角5mm) 

　　　　 表1 最大電場強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果及發(fā)生部位
　　　　 電場強(qiáng)度方 案 最大電場強(qiáng)度（kV/mm） 發(fā)生部位
　　　　 方案1法蘭不倒角 3.37 　　法蘭上角處的油隙
　　　　 方案1法蘭倒5mm圓角 2.18 　　法蘭上角處的油楔
　　　　 方案1法蘭倒10mm圓角 2.61 　　　法蘭上角處的油楔
　　　　 方案2（改進(jìn)設(shè)計(jì)） 1.63 　　導(dǎo)電桿表面油隙 
　　從圖2和圖3中可看出，由于磁套區(qū)的介電常數(shù)遠(yuǎn)大于變壓器油區(qū)的介電常數(shù)，因此，等電位線分布密集的地方為兩個油隙區(qū)。原設(shè)計(jì)（方案1）的電場分布在瓷套與油箱法蘭之間的油隙內(nèi)較集中，其最大電場強(qiáng)度出現(xiàn)在油箱法蘭上部拐角處的油隙，約為3.37kV/mm，表1中計(jì)算結(jié)果表明，法蘭盤內(nèi)徑側(cè)是否倒圓角將直接影響最大電場強(qiáng)度，并且，法蘭盤倒圓角的大小并不是越大越好；而套管下部表面噴涂鋁導(dǎo)電層后的改進(jìn)設(shè)計(jì)（方案2）的電場分布均勻程度明顯提高，使最大電場強(qiáng)度降低為1.63kV/mm，并出現(xiàn)在靠近套管導(dǎo)電桿表面的油隙中，這主要是由于變壓器套管的下部外表面噴涂鋁導(dǎo)電層及接地后對瓷套與法蘭孔間的油隙起到了電屏蔽作用。此外，若套管安裝不對稱或偏心，電場強(qiáng)度值將比上述分析結(jié)果大。
　　3．2原因分析及處理對策
　　從上述兩個方案的計(jì)算結(jié)果可知，方案2明顯優(yōu)于方案1，一方面，套管改進(jìn)前后的最大電場強(qiáng)度降低了2.07倍，另一方面，電場分布均勻程度得到了明顯提高，并使最大電場強(qiáng)度的發(fā)生部位從瓷套外油箱法蘭上部拐角處的油隙轉(zhuǎn)移到靠近套管導(dǎo)電桿表面的油隙中。由于導(dǎo)電桿表面鍍錫，其光潔度較高，而法蘭盤厚度為20mm，其孔徑加工較粗糙，上下邊緣倒弧角過小易形成裸金屬尖端或毛刺，使該處的電場發(fā)生畸變，從而，造成放電起始電壓降低，形成油中尖端放電，實(shí)際變壓器局部放電試驗(yàn)時的放電形態(tài)與響聲證明了這一分析結(jié)論。因此，在瓷套局部表面通過噴涂鋁導(dǎo)電層并使其接地的方案2大大提高了局部放電耐受能力，最后的產(chǎn)品設(shè)計(jì)采用了方案2，并對其它影響局部放電的因素如套管安裝時的同心度、油箱法蘭盤的內(nèi)徑側(cè)弧度等進(jìn)行了嚴(yán)格控制，經(jīng)過采取這些處理措施，使變壓器局部放電量由原來的3000pC降低到100pC以下，成功地解決了由于電場集中造成的局部放電超標(biāo)問題。
　　4結(jié)論
　　通過對變壓器套管及其連接部位構(gòu)成的局部放電區(qū)域建立合理的簡化模型和兩個方案電場的有限元分析，使改進(jìn)后的套管最大電場強(qiáng)度和發(fā)生部位有利于避免尖端油隙放電，從而，確定和改進(jìn)了低壓套管設(shè)計(jì)，為解決局部電場集中造成的變壓器局部放電超標(biāo)問題提供了可靠數(shù)據(jù)和分析依據(jù)。