变压器局部放电与套管连接部位电场的分析

一、引言

变压器局部放电量是衡量变压器设计、制造质量的重要参数之一。当局部放电量较高时，可引起局部绝缘损伤并逐渐扩大而导致绝缘最终击穿。因此，局部放电问题愈来愈受到变压器制造和运行部门的重视与关注。

针对一台容量为 75MVA 、电压为 110/20kV 变压器，在局部放电试验时低压侧视在放电量为 3000pC ，高压侧视在放电量为 800pC 的三相局部放电测量结果严重超标问题，通过局部放电超声定位测量，初步确认放电发生在低压出线端附近。由于近距离监听到三相都有明显的放电响声，但没有发现套管外表面有放电光晕，说明放电不在外部而在内部。

经过对低压套管及其连接部位的油箱法兰、压脚等金属部件（图 1 所示）的检查，未发现连接不良和金属杂质等异常情况，因此排除了悬浮放电的可能。根据低压套管放电部位的结构分析和检查情况，作者初步认为由于低压引线（高电位）与油箱法兰（接地体）之间的电场分布过分集中造成油中法兰拐角处尖端放电。为此，本文对低压套管及其连接部件构成的区域建立了简化模型并进行了两个方案电场的数值分析，为解决局部放电超标问题提供了可靠数据和改进措施。

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图 1 低压套管结构简图

二、放电影响因素和简化模型

影响变压器套管局部放电的因素除了与试验时所施加的电压和时间有关外，将主要取决于套管及其连接部位的油箱法兰、压脚等的设计结构和加工制造质量，因此，引起套管局部放电的原因可以是变压器套管绝缘结构材料的性能质量包括变压器油、瓷套和裸金属电极，由于这些材料的绝缘性能不同，加上设计、工艺或制造方面的质量问题，其内部易于产生局部缺陷，如油中的气泡或杂质、金属表面加工的粗糙度或尖角毛刺、连接不良、焊缝及附在其上的焊渣等，并使套管绝缘结构中的电场分布不均匀，甚至在局部区域产生的电场过于集中，从而，发生局部放电。局部放电的产生与放电部位的电场强度及分布均匀程度等有关，因此，根据套管结构特点和局部放电影响因素，建立合理的数学物理模型十分重要。

变压器低压套管及其连接部位的结构如图 1 所示。根据套管结构对称性和求解问题的关心部位，在不考虑套管偏心影响时其简化轴对称物理模型如图 2 所示。在图 2 中，根据绝缘介质的不同，分为四个子区域：即导电杆与瓷套构成的油隙区、瓷套区、瓷套与油箱及连接法兰构成的油隙区、螺栓与法兰、压板、瓷套围成的空气隙区，四个子区域的相对介电常数分别取为 2.2， 6.0，2.2 和 1.0。其中，方案 1 为原设计（局部放电超标），方案 2 为改进设计（套管外径表面喷涂铝导电层，并通过压板、螺栓与油箱法兰紧密连接而形成统一的接地体），两个方案的左右边界均为一类边界条件（左边界为高电位，右边界为地电位），上下边界取二类齐次边界条件，由此，可确定轴对称静电场的有限元数学模型及边值问题。

三、电场数值分析和处理对策

1 ．数值分析结果

利用有限元方法，对变压器套管下部外表面喷涂铝导电层前后两个方案的电场分别进行了计算，法兰盘内径侧忽略倒圆角时的等电位线分布如图 2 的方案 1 和方案 2 ；方案 1 的法兰盘内径侧倒半径为 5mm 圆角和 10mm 圆角时的等电位线分布如图 3 ，相应的最大电场强度值和发生部位列于表 1 。

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图 2 变压器套管及其下端连接部位的电场分布图

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图 3 变压器套管及其下端连接部位的电场分布图

（方案 1 的法兰盘内径侧倒圆角 5mm ）

表 1 最大电场强度计算结果及发生部位

电场强度方案

最大电场强度（ kV/mm）

发生部位

方案 1 法兰不倒角

3.37

法兰上角处的油隙

方案 1 法兰倒 5mm 圆角

2.18

法兰上角处的油楔

方案 1 法兰倒 10mm 圆角 2.61

2.61

法兰上角处的油楔

方案 2 （改进设计）

1.63

导电杆表面油隙

从图 2 和图 3 中可看出，由于磁套区的介电常数远大于变压器油区的介电常数，因此，等电位线分布密集的地方为两个油隙区。原设计（方案1）的电场分布在瓷套与油箱法兰之间的油隙内较集中，其最大电场强度出现在油箱法兰上部拐角处的油隙，约为 3.37kV/mm ，表 1 中计算结果表明，法兰盘内径侧是否倒圆角将直接影响最大电场强度，并且，法兰盘倒圆角的大小并不是越大越好；而套管下部表面喷涂铝导电层后的改进设计（方案2）的电场分布均匀程度明显提高，使最大电场强度降低为 1.63kV/mm ，并出现在靠近套管导电杆表面的油隙中，这主要是由于变压器套管的下部外表面喷涂铝导电层及接地后对瓷套与法兰孔间的油隙起到了电屏蔽作用。此外，若套管安装不对称或偏心，电场强度值将比上述分析结果大。

2 ．原因分析及处理对策

从上述两个方案的计算结果可知，方案 2 明显优于方案 1 ，一方面，套管改进前后的最大电场强度降低了 2.07 倍，另一方面，电场分布均匀程度得到了明显提高，并使最大电场强度的发生部位从瓷套外油箱法兰上部拐角处的油隙转移到靠近套管导电杆表面的油隙中。由于导电杆表面镀锡，其光洁度较高，而法兰盘厚度为 20mm ，其孔径加工较粗糙，上下边缘倒弧角过小易形成裸金属尖端或毛刺，使该处的电场发生畸变，从而，造成放电起始电压降低，形成油中尖端放电，实际变压器局部放电试验时的放电形态与响声证明了这一分析结论。因此，在瓷套局部表面通过喷涂铝导电层并使其接地的方案 2 大大提高了局部放电耐受能力，最后的产品设计采用了方案 2 ，并对其它影响局部放电的因素如套管安装时的同心度、油箱法兰盘的内径侧弧度等进行了严格控制，经过采取这些处理措施，使变压器局部放电量由原来的 3000pC 降低到 100pC 以下，成功地解决了由于电场集中造成的局部放电超标问题。

四、结论

通过对变压器套管及其连接部位构成的局部放电区域建立合理的简化模型和两个方案电场的有限元分析，使改进后的套管最大电场强度和发生部位有利于避免尖端油隙放电，从而，确定和改进了低压套管设计，为解决局部电场集中造成的变压器局部放电超标问题提供了可靠数据和分析依据。