110 kV变压器高压出线电场分析及结构优化.pdf
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1、第26卷 第4期2023年8月Vol.26 No.4Aug.2023山东电力高等专科学校学报Journal of Shandong Electric Power College110 kV变压器高压出线电场分析及结构优化熊臣东,朱明峰,周焕(常州东芝变压器有限公司,江苏常州213012)摘要:介绍了110 kV变压器高压出线结构的优化方案,对套管均压球部的电场进行了仿真,并对仿真结果进行了分析,验证了高压出线结构优化方案的可行性。出线结构优化后,又对变压器升高座的尺寸进行了优化,并基于压力容器的设计标准,对升高座强度进行了计算和分析,优化后的升高座尺寸可以满足结构强度的要求。最后对变压器外部结
2、构的变化进行了分析,并对结构优化的经济收益进行了总结。关键词:变压器;高压出线;电场仿真;结构优化中图分类号:TM403文献标志码:B文章编号:2096-9104(2023)04-0007-05Electric Field Analysis and Structure Optimization of High-VoltageOutlet of 110 kV TransformerXIONG Chendong,ZHU Mingfeng,ZHOU Huan(Changzhou Toshiba Transformer Co.,Ltd.,Changzhou 213012,China)Abstract:
3、The optimization scheme of high-voltage outlet structure of the 110 kV transformer is introduced,the electric field atthe shielding ball of the bushing is simulated,and the simulation results are analyzed,verifying the feasibility of the optimizationscheme of high-voltage outlet structure.After the
4、optimization of the outlet structure,the size of the turret of the transformer is optimized,the strength of the turret is calculated and analyzed based on the design standard of pressure vessels.The optimized sizeof the turret can meet the requirements of structural strength.Finally,the changes of e
5、xternal structure of the transformer are analyzed,and the economic benefits of structure optimization are summarized.Keywords:transformer;high-voltage outlet;electric field simulation;structure optimization0引言变压器高压出线作为变压器的重要组成部分,对绝缘的要求较高,关系到变压器的长期安全稳定运行。本文对110 kV变压器高压套管均压球电场进行仿真计算,并根据计算结果,对110 kV变压器
6、高压出线的结构进行优化,在保证绝缘裕度的前提下,提高结构的紧凑度,从而提高产品利润。1现有出线结构由于高压升高座内部的电场比较均匀,变压器高压套管均压球的绝缘要求比较容易得到满足,一般将高压套管均压球布置在升高座内。常规的110 kV变压器高压出线结构如图 1 所示,升高座内径为508 mm,均压球外径为120 mm。该结构成熟、可靠,但收稿日期:2023-05-13作者简介:熊臣东(1985),男,高级工程师,主要研究方向为变压器结构设计。编辑部收稿邮箱:图1常规的110 kV变压器高压出线结构7山东电力高等专科学校学报第26卷 第4期Vol.26 No.4存在升高座直径大、高度较高,经济性
7、不够好等问题。为使结构更加紧凑,可以采取的措施是减小升高座直径,降低升高座高度。例如将高压套管均压球置于油箱内部,如图2所示,则可以充分利用油箱内的空间,套管、升高座的高度都可显著降低,更有利于变压器外部结构的设计。图2改进后的110 kV变压器高压出线结构2绝缘结构的仿真计算2.1均压球绝缘结构当套管均压球置于油箱内部时,由于均压球周围结构的变化,均压球的电场会发生变化,必须考虑是否需要对均压球进行绝缘加强的问题。均压球绝缘常用的方法有两种:一种是在均压球外侧安装一层围屏,一种是在均压球表面包覆绝缘。为确定是否需要对均压球进行绝缘加强及具体的绝缘加强方式,需要进行电场仿真。2.2建立模型按图
8、2所示的结构建立三维模型,模型中包含均压球、套管导杆、下部引线、油箱壁、夹件等。按均压球表面没有绝缘、均压球外侧安装围屏、均压球表面包覆 3 mm 绝缘 3种情况,建立 3种模型,分别如图3图5所示。根据经验,一般均压球上、下端部圆角处的电场强度(以下简称“场强”)最大。本文主要校核的是均压球的绝缘,所以只建立套管导杆的模型,没有建立套管电容屏的模型,在没有套管电容屏的情况下解析结果能够满足实际应用的需求。2.3电场仿真使用Discovery AIM软件进行电场仿真。仿真时将均压球、套管导杆、下部引线、油箱壁、升高座、夹件设置为导体,将围屏、3 mm绝缘、引线绝缘设置为绝缘件,空间内的填充物设
9、置为变压器油。图3均压球表面无绝缘图4均压球外侧安装围屏图5均压球表面包覆3 mm绝缘根据试验结果,进行工频耐压试验时均压球的实际电压最大,最大电压值为200 kV。将均压球、套管导杆、下部引线的电位置为200 kV,将油箱壁、夹件的电位置为0 V。在网格划分后,对电场进行仿真,仿真结果如图 6图 8 所示。由图可见,均压球表面没有绝缘时,其最大场强为 7.26 kV/mm,均压球外侧安装围屏时,其最大场强为 7.12 kV/mm,均压球表面包覆83 mm绝缘时,其最大场强为4.7 kV/mm,且最大场强均位于均压球圆角处。图6均压球表面无绝缘时的电场分布图7均压球外侧安装围屏时的电场分布图8
10、均压球表面包覆3 mm绝缘时的电场分布根据油体积理论,油的击穿场强是高场强区域油的体积的函数,该函数是减函数,即体积越小,击穿场强越大,体积越大,击穿场强越小。由于统计高场强区域油的体积较为困难,在工程计算时只考虑90%场强发生值的油体积即可1。油体积越大,其相应的高场强区域的能量越大,越容易发生放电。平均击穿场强的计算公式如式(1)所示,该公式为经验公式。E=kV-1m(1)式中:E为平均击穿场强;k为比例系数;V为油体积;m为形状系数,取决于油的均匀程度。计算时k取12,m取10,根据90%场强发生值的油体积,可以求得平均击穿场强,击穿场强与局部放电发生场强之间的安全系数取1.6,即可求得
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