變壓器局部放電與套管連接部位電場(chǎng)的分析
1引言 
　　變壓器局部放電量是衡量變壓器設計、制造質(zhì)量的重要參數之一。當局部放電量較高時(shí)，可引起局部絕緣損傷并逐漸擴大而導致絕緣最終擊穿。因此，局部放電問(wèn)題愈來(lái)愈受到變壓器制造和運行部門(mén)的重視與關(guān)注。
　　針對一臺容量為75MVA、電壓為110/20kV變壓器，在局部放電試驗時(shí)低壓側視在放電量為3000pC，高壓側視在放電量為800pC的三相局部放電測量結果嚴重超標問(wèn)題，通過(guò)局部放電超聲定位測量，初步確認放電發(fā)生在低壓出線(xiàn)端附近。由于近距離監聽(tīng)到三相都有明顯的放電響聲，但沒(méi)有發(fā)現套管外表面有放電光暈，說(shuō)明放電不在外部而在內部。
　　經(jīng)過(guò)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。根據低壓套管放電部位的結構分析和檢查情況，作者初步認為由于低壓引線(xiàn)（高電位）與 頻譜分析儀| 電池測試儀| 相序表| 萬(wàn)用表| 功率計| 示波器| 電阻測試儀| 電阻計| 電表| 鉗表| 高斯計| 電磁場(chǎng)測試儀
　　圖1低壓套管結構簡(jiǎn)圖
　　油箱法蘭（接地體）之間的電場(chǎng)分布過(guò)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成的區域建立了簡(jiǎn)化模型并進(jìn)行了兩個(gè)方案電場(chǎng)的數值分析，為解決局部放電超標問(wèn)題提供了可靠數據和改進(jìn)措施。
　　2放電影響因素和簡(jiǎn)化模型
　　影響變壓器套管局部放電的因素除了與試驗時(shí)所施加的電壓和時(shí)間有關(guān)外，將主要取決于套管及其連接部位的油箱法蘭、壓腳等的設計結構和加工制造質(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構材料的性能質(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，加上設計、工藝或制造方面的質(zhì)量問(wèn)題，其內部易于產(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，并使套管絕緣結構中的電場(chǎng)分布不均勻，甚至在局部區域產(chǎn)生的電場(chǎng)過(guò)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(chǎng)強度及分布均勻程度等有關(guān)，因此，根據套管結構特點(diǎn)和局部放電影響因素，建立合理的數學(xué)物理模型十分重要。
　　變壓器低壓套管及其連接部位的結構如圖1所示。根據套管結構對稱(chēng)性和求解問(wèn)題的關(guān)心部位，在不考慮套管偏心影響時(shí)其簡(jiǎn)化軸對稱(chēng)物理模型如圖2所示。在圖2中，根據絕緣介質(zhì)的不同，分為四個(gè)子區域：即導電桿與瓷套構成的油隙區、瓷套區、瓷套與油箱及連接法蘭構成的油隙區、螺栓與法蘭、壓板、瓷套圍成的空氣隙區，四個(gè)子區域的相對介電常數分別取為2.2，6.0，2.2和1.0。其中，方案1為原設計（局部放電超標），方案2為改進(jìn)設計（套管外徑表面噴涂鋁導電層，并通過(guò)壓板、螺栓與油箱法蘭緊密連接而形成統一的接地體），兩個(gè)方案的左右邊界均為一類(lèi)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(lèi)齊次邊界條件，由此，可確定軸對稱(chēng)靜電場(chǎng)的有限元數學(xué)模型及邊值問(wèn)題。
　　3電場(chǎng)數值分析和處理對策
　　3．1數值分析結果
　　利用有限元方法，對變壓器套管下部外表面噴涂鋁導電層前后兩個(gè)方案的電場(chǎng)分別進(jìn)行了計算，法蘭盤(pán)內徑側忽略倒圓角時(shí)的等電位線(xiàn)分布如圖2的方案1和方案2；方案1的法蘭盤(pán)內徑側倒半徑為5mm圓角和10mm圓角時(shí)的等電位線(xiàn)分布如圖3，相應的最大電場(chǎng)強度值和發(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(chǎng)分布圖 
　　圖3變壓器套管及其下端連接部位的電場(chǎng)分布圖 
　　(方案1的法蘭盤(pán)內徑側倒圓角5mm) 

　　　　 表1 最大電場(chǎng)強度計算結果及發(fā)生部位
　　　　 電場(chǎng)強度方 案 最大電場(chǎng)強度（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)設計） 1.63 　　導電桿表面油隙 
　　從圖2和圖3中可看出，由于磁套區的介電常數遠大于變壓器油區的介電常數，因此，等電位線(xiàn)分布密集的地方為兩個(gè)油隙區。原設計（方案1）的電場(chǎng)分布在瓷套與油箱法蘭之間的油隙內較集中，其最大電場(chǎng)強度出現在油箱法蘭上部拐角處的油隙，約為3.37kV/mm，表1中計算結果表明，法蘭盤(pán)內徑側是否倒圓角將直接影響最大電場(chǎng)強度，并且，法蘭盤(pán)倒圓角的大小并不是越大越好；而套管下部表面噴涂鋁導電層后的改進(jìn)設計（方案2）的電場(chǎng)分布均勻程度明顯提高，使最大電場(chǎng)強度降低為1.63kV/mm，并出現在靠近套管導電桿表面的油隙中，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(chēng)或偏心，電場(chǎng)強度值將比上述分析結果大。
　　3．2原因分析及處理對策
　　從上述兩個(gè)方案的計算結果可知，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(chǎng)強度降低了2.07倍，另一方面，電場(chǎng)分布均勻程度得到了明顯提高，并使最大電場(chǎng)強度的發(fā)生部位從瓷套外油箱法蘭上部拐角處的油隙轉移到靠近套管導電桿表面的油隙中。由于導電桿表面鍍錫，其光潔度較高，而法蘭盤(pán)厚度為20mm，其孔徑加工較粗糙，上下邊緣倒弧角過(guò)小易形成裸金屬尖端或毛刺，使該處的電場(chǎng)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時(shí)的放電形態(tài)與響聲證明了這一分析結論。因此，在瓷套局部表面通過(guò)噴涂鋁導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)品設計采用了方案2，并對其它影響局部放電的因素如套管安裝時(shí)的同心度、油箱法蘭盤(pán)的內徑側弧度等進(jìn)行了嚴格控制，經(jīng)過(guò)采取這些處理措施，使變壓器局部放電量由原來(lái)的3000pC降低到100pC以下，成功地解決了由于電場(chǎng)集中造成的局部放電超標問(wèn)題。
　　4結論
　　通過(guò)對變壓器套管及其連接部位構成的局部放電區域建立合理的簡(jiǎn)化模型和兩個(gè)方案電場(chǎng)的有限元分析，使改進(jìn)后的套管最大電場(chǎng)強度和發(fā)生部位有利于避免尖端油隙放電，從而，確定和改進(jìn)了低壓套管設計，為解決局部電場(chǎng)集中造成的變壓器局部放電超標問(wèn)題提供了可靠數據和分析依據。