絕緣材料電氣性能對換流變壓器電場影響的仿真研究

劉貫華

（深圳鵬城技師學(xué)院，廣東深圳 518000）

換流器（Converter）是高壓大容量整流器（Rectifier）和逆變器（Inverter）的統(tǒng)稱，在輸變電工程中，換流器一般用于將大負(fù)荷直流電和大負(fù)荷交流電相互轉(zhuǎn)化[1-2]。其主要用途有兩種：20～100 MⅤA的小容量換流器一般用于光伏發(fā)電廠的并網(wǎng)系統(tǒng)，將光伏發(fā)電廠產(chǎn)生的直流電電能變換為交流電輸出，此時一般只用到換流器的逆變器功能；更大容量的換流器一般用于特高壓直流輸電場景，直流輸電線路起始端布置整流器將三相交流電轉(zhuǎn)化為直流電，在終止端布置逆變器將直流電轉(zhuǎn)化為交流電[3-4]。

家用電器及小負(fù)荷設(shè)備中也會使用到換流器，其中多用半導(dǎo)體電路元件實現(xiàn)交直流轉(zhuǎn)化，但大容量特高壓換流器系統(tǒng)中，用到大量的高壓線圈設(shè)備和高壓電容器設(shè)備，其體積較大，內(nèi)部使用絕緣油紙實現(xiàn)絕緣功能[5-6]。早期技術(shù)條件下多針對功能實現(xiàn)方向進(jìn)行相關(guān)研究，設(shè)備體積較大，絕緣電氣材料冗余度較高，難免發(fā)生內(nèi)部微電弧擊穿現(xiàn)象，所以導(dǎo)致設(shè)備工作溫度高、絕緣油變性快、設(shè)備維護(hù)周期短、設(shè)備維護(hù)成本高等諸多問題[7]。且特高壓直流輸電相關(guān)設(shè)備的國內(nèi)創(chuàng)新研究已經(jīng)進(jìn)入深水區(qū)，缺少國外的可借鑒經(jīng)驗[8]。

該研究針對上述問題，對特高壓換流器中絕緣材料的電氣性能進(jìn)行仿真研究，尋求其技術(shù)革新方向。

1 電氣絕緣材料在換流器中的應(yīng)用技術(shù)特征

在特高壓輸電系統(tǒng)中，剖析某±500kⅤ特高壓輸電線路兩側(cè)換流器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)其每側(cè)使用6臺電抗器（用作交流濾波器、直流平波電抗器、直流濾波器等回路）、2臺電容器（用作直流濾波回路）、2套換流晶閘閥組等構(gòu)成換流器。即可認(rèn)為，實際使用到油紙絕緣電氣構(gòu)件的換流器子系統(tǒng)，為變壓器繞組、電抗器繞組以及高壓電容器中，所以分析電氣絕緣材料中的油紙絕緣電氣性能，其技術(shù)本質(zhì)為分析特高壓輸電設(shè)施中的繞組設(shè)備、電容器設(shè)備內(nèi)的油紙絕緣材料電氣性能。上述換流器設(shè)備電氣邏輯結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 換流器中的電氣子設(shè)備布局圖Fig.1 Layout of electrical sub equipment in converter

圖1 中，繞組型設(shè)備的實際做功過程為鐵芯電場交變過程，而電容器也可能產(chǎn)生一定程度電場變化，但因為電容器安裝在直流濾波回路中，其電場變化并不典型，所以受制于篇幅，本文中不展開論述。該研究針對換流器中變壓器繞組的電場變化趨勢進(jìn)行展開分析[9]。

與傳統(tǒng)變壓器分為高中低電壓等級的三線圈變壓器不同，換流器中兩臺變壓器分別按照Δ-Δ模式和Δ-Y模式進(jìn)行接線，均為雙線圈布局，分為網(wǎng)側(cè)線圈連接交流網(wǎng)絡(luò)換流母線、閥側(cè)線圈連接換流閘閥組。該變壓器的絕緣結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 變壓器繞組絕緣系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of transformer winding insulation system

圖2 中：1為網(wǎng)側(cè)繞組；2為閥側(cè)繞組；3為網(wǎng)側(cè)繞組靜電環(huán)；4為閥側(cè)繞組靜電環(huán)；5為線圈成型角環(huán)；6為多層絕緣油紙紙筒；其中，中心柱、鐵芯等給定零電位時，屬于強加一類邊界條件，下邊界點位對法向矢量的偏微分計算結(jié)果為0值，屬于二類邊界條件。根據(jù)《交流變壓器電氣工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 18494-2014）計算該變壓器的極性翻轉(zhuǎn)電壓，得到公式（1）：

式（1）中： 為閥側(cè)繞組的最大相間交流工作電壓，單位為kⅤ； 為每個換流閘閥承載的最大直流電壓，單位為kⅤ；N為從直流線路的中性點到變壓器之間的整流橋數(shù)量；以下仿真計算從該電壓級別基礎(chǔ)上展開。

2 仿真計算與結(jié)果分析

相關(guān)文獻(xiàn)表明，換流變壓器中的交流電場分布特征與絕緣紙板+絕緣油形成的油紙絕緣機構(gòu)的介電常數(shù)有關(guān)，直流穩(wěn)態(tài)電場的分布特征與上述油紙絕緣機構(gòu)的電導(dǎo)率有關(guān)，換流變壓器受到交流電場和直流電場的同時作用，所以需要對其介電常數(shù)和電導(dǎo)率進(jìn)行同步分析[10-11]。

該研究采用頻域介電譜法（Frequency Domain Spectroscopy，F(xiàn)DS）進(jìn)行仿真分析，仿真環(huán)境為電力仿真分析平臺軟件（Computer Aided Engineering，CAE）環(huán)境下加載Simulink有限元控件，在該有限元控件上搭建并運行FDS模型。其電網(wǎng)系統(tǒng)構(gòu)成模式如前文圖1所示，換流變壓器油紙絕緣系統(tǒng)構(gòu)成模式如前文圖2所示。在FDS模型下，利用寬頻介電阻抗仿真模塊測定不同條件下的絕緣油紙系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)表現(xiàn)，環(huán)境溫度設(shè)定在40～120 ℃。

仿真結(jié)果中，不同溫度-頻率條件下的絕緣紙電導(dǎo)率變化情況見表1。

表1 不同溫度-頻率條件下的絕緣紙電導(dǎo)率變化仿真結(jié)果（單位：S/m）Table 1 Simulation results of conductivity change of insulating paper under diff erent temperature frequency conditions (unit: S/m)

表1 中，油紙絕緣構(gòu)件中絕緣紙電導(dǎo)率在相同頻率條件下，隨著溫度升高，其電導(dǎo)率顯著升高，80℃溫差條件下，電導(dǎo)率變化率約為40～50倍關(guān)系，而在相同溫度條件下，隨著頻率降低，其電導(dǎo)率顯著降低，頻率差距約為5個數(shù)量級的條件下，電導(dǎo)率變化約為4～5個數(shù)量級。實際運行在50Hz工況條件下，當(dāng)結(jié)構(gòu)溫度為40℃時，其電導(dǎo)率約為1.19×10-10S/m，當(dāng)結(jié)構(gòu)溫度在120℃時，其電導(dǎo)率約為1.97×10-9S/m。

仿真結(jié)果中，不同溫度-頻率條件下的絕緣油電導(dǎo)率變化情況見表2。

表2 不同溫度-頻率條件下的絕緣油電導(dǎo)率變化仿真結(jié)果（單位：S/m）Table 2 simulation results of insulation oil conductivity change under different temperature frequency conditions (unit: S/m)

表2 中，油紙絕緣構(gòu)件中絕緣油電導(dǎo)率在相同頻率條件下，隨著溫度升高，其電導(dǎo)率顯著升高，80℃溫差條件下，電導(dǎo)率變化率約為40～50倍關(guān)系，而在相同溫度條件下，隨著頻率降低，其電導(dǎo)率顯著降低，頻率差距約為5個數(shù)量級的條件下，電導(dǎo)率變化約為5～6個數(shù)量級。可見絕緣油電導(dǎo)率變化趨勢，在頻率恒定條件下的不同溫度中變化幅度與絕緣紙相當(dāng)，但在恒定溫度條件下的不同頻率下，其變化幅度大于絕緣紙。

同等仿真條件下，對絕緣紙的介電常數(shù)進(jìn)行仿真測試，結(jié)果如表3，對絕緣油的介電常數(shù)進(jìn)行仿真測試，結(jié)果見表4。

表3 不同溫度-頻率條件下的絕緣紙介電常數(shù)變化仿真結(jié)果Table 3 Simulation results of dielectric constant change of insulating paper under diff erent temperature frequency conditions

表3 中，不同溫度-頻率條件下絕緣紙介電常數(shù)基本穩(wěn)定不變，均值與標(biāo)準(zhǔn)差約為4.41±0.06，可以認(rèn)定絕緣紙介電常數(shù)穩(wěn)定在4.4。

表4 不同溫度-頻率條件下的絕緣油介電常數(shù)變化仿真結(jié)果Table 4 Simulation results of dielectric constant change of insulating oil under different temperature frequency conditions

表4 中，不同溫度-頻率條件下絕緣油介電常數(shù)基本穩(wěn)定不變，均值與標(biāo)準(zhǔn)差約為2.29±0.04，可以認(rèn)定絕緣紙介電常數(shù)穩(wěn)定在2.3。

相關(guān)文獻(xiàn)論研究表明，極性翻轉(zhuǎn)條件下油紙絕緣構(gòu)件中的電場強度達(dá)到極限，因為該過程面臨的電磁學(xué)條件較為復(fù)雜，所以必須采用有限元分析工具對其各點電場強度進(jìn)行分析。在與上述分析環(huán)境相同的配置條件下得到換流變壓器中的實測電場強度變化值，見表5。

表 5 不同溫度-頻率條件下的電場強度變化仿真結(jié)果(單位：kV/mm)Table 5 Simulation results of electric f ield intensity change underdiff erent temperature frequency conditions (unit: kV / mm)

表5 中，隨著頻率和溫度的增加，換流變壓器中的電場強度隨之增加，且頻率與溫度數(shù)值越高，其增加幅度越快。當(dāng)頻率超過105Hz或溫度超過120℃時，其頻率增加幅度顯著提升。

與此同時，因為前文分析中，隨著電流頻率與溫度上升，其電導(dǎo)率快速上升，介電常數(shù)雖然趨于穩(wěn)定，也有一定的緩慢上升趨勢，所以，隨著頻率和溫度增加帶來的設(shè)備內(nèi)電場強度增加，其絕緣性能也快速下降，此時容易發(fā)生擊穿系數(shù)。所以，實際運行控制中，利用綜合保護(hù)設(shè)施防止高頻雜波同時嚴(yán)控設(shè)備運行時的結(jié)構(gòu)溫度，是確保換流變壓器安全運行的重要目標(biāo)。以此類推，對其他高壓電抗器繞組設(shè)備和高壓電容器的絕緣性能控制中，也應(yīng)該控制器運行時的結(jié)構(gòu)溫度，防止產(chǎn)生高頻雜波。

3 總結(jié)

以換流器中結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的換流變壓器為仿真對象，研究換流器中油紙絕緣構(gòu)件的絕緣能力，發(fā)現(xiàn)換流器中高頻電壓雜波和設(shè)備運行結(jié)構(gòu)高溫會同時帶來設(shè)備絕緣能力下降和內(nèi)部電場強度增加的電磁學(xué)效應(yīng)。所以認(rèn)為在特高壓換流器運行過程中，應(yīng)充分控制設(shè)備的高頻雜波并嚴(yán)格控制設(shè)備運行時的結(jié)構(gòu)升溫過程。該研究對提升特高壓換流器運行控制和安全控制有積極意義。