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【摘 要】换流变压器运行中阀测绕组端部电场畸变严重，因而绝缘问题比较突出。基于阀侧绕组端部的绝缘结构特征，建立了极不均匀电场结构下的油、纸绝缘模型，采用有限元法仿真计算各种电压下绝缘中的电场分布，得出换流变压器阀测绕组端部电场分布特性。
【关键词】换流变压器；阀侧绕组；电场计算；有限元法
0.概述
作为直流输电系统的核心设备之一，换流变压器与换流阀一起实现交流与直流的互相变换[1]，其一旦发生故障，则整个直流输电系统将受到影响。然而，从实际统计事故来看，换流变压器故障类型多为绝缘故障，尤其是阀侧绕组端部是绝缘的薄弱环节[2-4]。这是因为，一方面，阀侧绕组端部为极不均匀电场分布结构，电场应力集中，从而容易导致绝缘破坏；另一方面，阀侧绕组上经常承受交/直流叠加电压、极性反转电压作用，电场分布比较复杂，传统的电场计算方法难以真实反映实际电场分布情况，使得按传统方法设计的绝缘结构难以有效舒缓电场分布，造成局部应力集中，从而破坏绝缘结构[5-8]。
本文针对换流变压器阀侧绕组端部结构特征，选择油、纸复合绝缘下的棒-板电极结构来模拟计算，运用Ansoft仿真软件模拟各种类型电压下的电场分布，从而得出换流变压器阀测绕组端部的电场分布特征。
1. 建立模型
通过变压器绕组绝缘结构的分析[9-11]，本文选取典型的极不均匀电场结构：棒-板电极结构形式作为计算模型，其中棒电极为高压极，板电极为接地极。极间为纸板分割油隙的结构形式，其中纸板厚度取2mm，油道宽度均为3mm。对于220kV以上的变压器，绕组端部到铁轭的距离H与端部屏蔽环曲率半径r的比值H/r一般在5～24之间，本文取中间值H/r=10，即H为13mm，r为1.3mm。模型结构尺寸如图1-1所示。图1中（a）为纸板交叠的形式，（b）为角环交叠的形式。模型A中，在纸板表面分别选取线段L1、L2和L3作为电场观测面，以跟踪油、纸分界面上的电场分布状况，在模型B中，以纸板交叠中心L4和纸板内表面L5作为电场观测面。
（a） 计算模型A
（b） 计算模型B
图1油、纸复合绝缘计算模型结构
2. 电场计算
2.1 参数选择
本文计算中，选取油、纸材料的相对介电常数分别选择为2.2、4.4，导电率比为100：1，如表1所示。
外施电压依据IEC公式，如式（1）～（3）所示。
交流试验电压水平（有效值）
（1）
直流试验电压水平（正极性）
（2）
极性反转试验电压水平
（3）
式中：
N—换流站每极中所串联的6脉动换流桥的个数；
Udm—6脉动换流桥的最大输出直流电压；
Uvm—阀侧绕组最大线电压（有效值）。
对于6脉动换流桥，若换流阀触发角为理想值0，并且不考虑线路及负载上的压降，则换流桥输出最大直流电压Udm与最大输入交流电压Uvm为式（2-4）所示的关系。
（4）
本文计算中，当外施交流电压有效值达到26kV时，油介质达到临界击穿，遂以Uac=26kV为基准值，依据式（1）～（4）可计算出直流及极性反转试验电压值，如表2所示。
2.2交流电场计算
模型棒电极上施加37kV交流峰值电压，板电极为0电位，则模型中的电场分布如图2所示。从模型电位分布图可以看出，电极端部效应明显，即靠近棒电极端部，电位线分布密集，远离电极端部区域，电位线分布疏松且比较平缓。而且可以看到，电位线在穿过油、纸界面时，电位线发生微小折射，这有利于降低油道中的电场强度，从而提高油道的绝缘性能。
（a） 模型A电位分布 （b） 模型B电位分布
图2 交流电压下模型电场分布
2.3直流电场计算
（a） 模型A电位分布 （b） 模型B电位分布
图3 直流电压下模型电场分布
直流电压下，模型中电场分布见图3所示。可以看出，纸板中电位线比较集中，油中电位线较疏松，且电位线在穿过油、纸界面时发生较大突变。而且可以看到，没有较明显的端部效应。这是因为，直流电压下，电场分布与介质导电率成反比关系，油与纸板电导率比值γo/γp为100/1，故纸板中电场强度远远高于油中电场强度。从模型A和B中电场分布对比来看，模型B棒电极附近油中电场强度低于模型A，這是由于角环对电场分布有改善作用，但角环拐角处电场强度较高。
2.5极性反转电场计算
（1）.t=0时刻
当极性反转电压为+27kV→-27kV时，计算得到反转时刻模型中的电场分布，如图4所示。可以看出，在纸板表面出现闭合的电位线，其次，油道中电位线密集，电场加强。相比直流电场分布，极性反转下纸板中的电场强度明显降低，这是由于反转电压与自由电荷所激励的电场在纸板中方向相反，使得电场强度削弱的缘故。
（a） 模型A电位分布 （b） 模型B电位分布
图4 极性反转时刻模型中电场分布
（2） t>0时刻
图5 极性反转下油、纸介质中最大电场强度暂态过程
对于本文的计算模型，可计算得到电场暂态过程的时间常数τ为106。若在观侧面L4上分别选取油中和纸板中的最大电场强度点作为电场跟踪点，则可计算得到这两个点在极性反转后的电场变化曲线，如图5所示。从图中可以看到，对于油介质，最大电场强度出现在反转时刻，而对于纸介质，最大电场强度出现在电场恒定时刻。大约在极性反转后500s，此时介质中才能重新建立起恒定场分布。
虽然过渡到恒定场之后纸板中的电场强度高于油道，但纸板的耐受电场强度远高于油道，故对于极性反转工况，对绝缘考核最严峻的时刻出现在反转时刻，此时油道中承受着很高的电场强度。故对于换流变压器阀测绕组绝缘，最有效的考核方式是极性反转试验。 3.结论
通过计算不同类型电压作用下的电场分布，可以得到换流变压器阀侧绕组端部电场的分布特征，总结如下：
（1）交流电压作用下，电场强度分布与介质介电常数成反比关系，油道中电场强度高于纸板。且电场分布呈现明显的端部效应，绕组端部电场应力集中。故增大绕组端部屏蔽环曲率半径、改善油介质绝缘性能、细分油道是提高绕组端部绝缘强度的有效措施。
（2）直流电压作用下，电场强度分布与电导率成反比，纸板中电场强度远高于油道。单纯增大电极曲率半径并不能有效改善电场分布，而运用角环结构绝缘纸板可引导电场分布，从而改善电场分布。
（3）极性反转电压作用下，反转时刻电场分布呈现容性电场分布特征，相比交流电场，油道中电场强度升高。改善电极结构和纸板结构能有效改善电场分布，提高绝缘性能。反转时刻之后，电场逐渐过渡到恒定场分布。
（4）极性反转试验对油的绝缘考核有效性最好，其次为交流电压；直流电压对纸板的绝缘考核有效性最好。
参考文献：
[1]赵婉君.高压直流输电工程技术[M].北京：中国电力出版社，2004.宿志一，范建斌.葛洲坝和南桥换流站一次设备运行情况和健康水平评估[J].电力设备，2003，4（3）：1-9.
[2]金涛.葛洲坝和南桥换流站一次绕组类设备运行情况[J].电力设备，2003，4（3）：10-14.
[3]Mcdermid W， Glodjo A， Bromly JC. Analysis of converter transformer failures and application of periodic on-line partial discharge measurement[C]. The Proceedings of 2001 Electrical Insulation Conference and Electrical Manufacturing & Coil Winding Conference， 2001， Canada， pp： 577-582.
[4]王瑞珍，文闿成，罗维.葛洲坝换流变压器事故分析[J].变压器， 2000，37（6）：33-35.
[5]涂明，王瑞珍，文成.换流变压器的结构型式技术参数及绝缘试验[J].湖北电力，1998，22（4）：12-16.
[6]韩晓东，翟亚东.高压直流输电用换流变压器[J].高压电器，2002，38（3）：5-6.
[7]林正平.高压直流换流变压器引出線的绝缘结构[J].变压器，2003，40（7）：8-11.
[8]Hammer F， Kuchler A. Insulating systems for HVDC power apparatus[J]. IEEE Trans. on Electrical Insulation， 1992， 27（3）： 601-609.
[9]谢毓城.电力变压器手册[M].北京：机械出版社，2003.
[10]宓传龙.超高压换流变压器和平波电抗器绝缘结构简述[J].高压电器，2003，39（1）：14-15.
[11]尹克宁.变压器设计原理[M].北京：中国电力出版社，2003.
[12]严章，朱德恒. 高电压绝缘技术[M]. 北京：中国电力出版社，2007.
【关键词】换流变压器；阀侧绕组；电场计算；有限元法
0.概述
作为直流输电系统的核心设备之一，换流变压器与换流阀一起实现交流与直流的互相变换[1]，其一旦发生故障，则整个直流输电系统将受到影响。然而，从实际统计事故来看，换流变压器故障类型多为绝缘故障，尤其是阀侧绕组端部是绝缘的薄弱环节[2-4]。这是因为，一方面，阀侧绕组端部为极不均匀电场分布结构，电场应力集中，从而容易导致绝缘破坏；另一方面，阀侧绕组上经常承受交/直流叠加电压、极性反转电压作用，电场分布比较复杂，传统的电场计算方法难以真实反映实际电场分布情况，使得按传统方法设计的绝缘结构难以有效舒缓电场分布，造成局部应力集中，从而破坏绝缘结构[5-8]。
本文针对换流变压器阀侧绕组端部结构特征，选择油、纸复合绝缘下的棒-板电极结构来模拟计算，运用Ansoft仿真软件模拟各种类型电压下的电场分布，从而得出换流变压器阀测绕组端部的电场分布特征。
1. 建立模型
通过变压器绕组绝缘结构的分析[9-11]，本文选取典型的极不均匀电场结构：棒-板电极结构形式作为计算模型，其中棒电极为高压极，板电极为接地极。极间为纸板分割油隙的结构形式，其中纸板厚度取2mm，油道宽度均为3mm。对于220kV以上的变压器，绕组端部到铁轭的距离H与端部屏蔽环曲率半径r的比值H/r一般在5～24之间，本文取中间值H/r=10，即H为13mm，r为1.3mm。模型结构尺寸如图1-1所示。图1中（a）为纸板交叠的形式，（b）为角环交叠的形式。模型A中，在纸板表面分别选取线段L1、L2和L3作为电场观测面，以跟踪油、纸分界面上的电场分布状况，在模型B中，以纸板交叠中心L4和纸板内表面L5作为电场观测面。
（a） 计算模型A
（b） 计算模型B
图1油、纸复合绝缘计算模型结构
2. 电场计算
2.1 参数选择
本文计算中，选取油、纸材料的相对介电常数分别选择为2.2、4.4，导电率比为100：1，如表1所示。
外施电压依据IEC公式，如式（1）～（3）所示。
交流试验电压水平（有效值）
（1）
直流试验电压水平（正极性）
（2）
极性反转试验电压水平
（3）
式中：
N—换流站每极中所串联的6脉动换流桥的个数；
Udm—6脉动换流桥的最大输出直流电压；
Uvm—阀侧绕组最大线电压（有效值）。
对于6脉动换流桥，若换流阀触发角为理想值0，并且不考虑线路及负载上的压降，则换流桥输出最大直流电压Udm与最大输入交流电压Uvm为式（2-4）所示的关系。
（4）
本文计算中，当外施交流电压有效值达到26kV时，油介质达到临界击穿，遂以Uac=26kV为基准值，依据式（1）～（4）可计算出直流及极性反转试验电压值，如表2所示。
2.2交流电场计算
模型棒电极上施加37kV交流峰值电压，板电极为0电位，则模型中的电场分布如图2所示。从模型电位分布图可以看出，电极端部效应明显，即靠近棒电极端部，电位线分布密集，远离电极端部区域，电位线分布疏松且比较平缓。而且可以看到，电位线在穿过油、纸界面时，电位线发生微小折射，这有利于降低油道中的电场强度，从而提高油道的绝缘性能。
（a） 模型A电位分布 （b） 模型B电位分布
图2 交流电压下模型电场分布
2.3直流电场计算
（a） 模型A电位分布 （b） 模型B电位分布
图3 直流电压下模型电场分布
直流电压下，模型中电场分布见图3所示。可以看出，纸板中电位线比较集中，油中电位线较疏松，且电位线在穿过油、纸界面时发生较大突变。而且可以看到，没有较明显的端部效应。这是因为，直流电压下，电场分布与介质导电率成反比关系，油与纸板电导率比值γo/γp为100/1，故纸板中电场强度远远高于油中电场强度。从模型A和B中电场分布对比来看，模型B棒电极附近油中电场强度低于模型A，這是由于角环对电场分布有改善作用，但角环拐角处电场强度较高。
2.5极性反转电场计算
（1）.t=0时刻
当极性反转电压为+27kV→-27kV时，计算得到反转时刻模型中的电场分布，如图4所示。可以看出，在纸板表面出现闭合的电位线，其次，油道中电位线密集，电场加强。相比直流电场分布，极性反转下纸板中的电场强度明显降低，这是由于反转电压与自由电荷所激励的电场在纸板中方向相反，使得电场强度削弱的缘故。
（a） 模型A电位分布 （b） 模型B电位分布
图4 极性反转时刻模型中电场分布
（2） t>0时刻
图5 极性反转下油、纸介质中最大电场强度暂态过程
对于本文的计算模型，可计算得到电场暂态过程的时间常数τ为106。若在观侧面L4上分别选取油中和纸板中的最大电场强度点作为电场跟踪点，则可计算得到这两个点在极性反转后的电场变化曲线，如图5所示。从图中可以看到，对于油介质，最大电场强度出现在反转时刻，而对于纸介质，最大电场强度出现在电场恒定时刻。大约在极性反转后500s，此时介质中才能重新建立起恒定场分布。
虽然过渡到恒定场之后纸板中的电场强度高于油道，但纸板的耐受电场强度远高于油道，故对于极性反转工况，对绝缘考核最严峻的时刻出现在反转时刻，此时油道中承受着很高的电场强度。故对于换流变压器阀测绕组绝缘，最有效的考核方式是极性反转试验。 3.结论
通过计算不同类型电压作用下的电场分布，可以得到换流变压器阀侧绕组端部电场的分布特征，总结如下：
（1）交流电压作用下，电场强度分布与介质介电常数成反比关系，油道中电场强度高于纸板。且电场分布呈现明显的端部效应，绕组端部电场应力集中。故增大绕组端部屏蔽环曲率半径、改善油介质绝缘性能、细分油道是提高绕组端部绝缘强度的有效措施。
（2）直流电压作用下，电场强度分布与电导率成反比，纸板中电场强度远高于油道。单纯增大电极曲率半径并不能有效改善电场分布，而运用角环结构绝缘纸板可引导电场分布，从而改善电场分布。
（3）极性反转电压作用下，反转时刻电场分布呈现容性电场分布特征，相比交流电场，油道中电场强度升高。改善电极结构和纸板结构能有效改善电场分布，提高绝缘性能。反转时刻之后，电场逐渐过渡到恒定场分布。
（4）极性反转试验对油的绝缘考核有效性最好，其次为交流电压；直流电压对纸板的绝缘考核有效性最好。
参考文献：
[1]赵婉君.高压直流输电工程技术[M].北京：中国电力出版社，2004.宿志一，范建斌.葛洲坝和南桥换流站一次设备运行情况和健康水平评估[J].电力设备，2003，4（3）：1-9.
[2]金涛.葛洲坝和南桥换流站一次绕组类设备运行情况[J].电力设备，2003，4（3）：10-14.
[3]Mcdermid W， Glodjo A， Bromly JC. Analysis of converter transformer failures and application of periodic on-line partial discharge measurement[C]. The Proceedings of 2001 Electrical Insulation Conference and Electrical Manufacturing & Coil Winding Conference， 2001， Canada， pp： 577-582.
[4]王瑞珍，文闿成，罗维.葛洲坝换流变压器事故分析[J].变压器， 2000，37（6）：33-35.
[5]涂明，王瑞珍，文成.换流变压器的结构型式技术参数及绝缘试验[J].湖北电力，1998，22（4）：12-16.
[6]韩晓东，翟亚东.高压直流输电用换流变压器[J].高压电器，2002，38（3）：5-6.
[7]林正平.高压直流换流变压器引出線的绝缘结构[J].变压器，2003，40（7）：8-11.
[8]Hammer F， Kuchler A. Insulating systems for HVDC power apparatus[J]. IEEE Trans. on Electrical Insulation， 1992， 27（3）： 601-609.
[9]谢毓城.电力变压器手册[M].北京：机械出版社，2003.
[10]宓传龙.超高压换流变压器和平波电抗器绝缘结构简述[J].高压电器，2003，39（1）：14-15.
[11]尹克宁.变压器设计原理[M].北京：中国电力出版社，2003.
[12]严章，朱德恒. 高电压绝缘技术[M]. 北京：中国电力出版社，2007.