绝缘材料电气性能对换流变压器电场影响的仿真研究

换流器（Converter）是高压大容量整流器（Rectifier）和逆变器（Inverter）的统称，在输变电工程中，换流器一般用于将大负荷直流电和大负荷交流电相互转化[1-2]。其主要用途有两种：20～100 MⅤA的小容量换流器一般用于光伏发电厂的并网系统，将光伏发电厂产生的直流电电能变换为交流电输出，此时一般只用到换流器的逆变器功能；更大容量的换流器一般用于特高压直流输电场景，直流输电线路起始端布置整流器将三相交流电转化为直流电，在终止端布置逆变器将直流电转化为交流电[3-4]。

家用电器及小负荷设备中也会使用到换流器，其中多用半导体电路元件实现交直流转化，但大容量特高压换流器系统中，用到大量的高压线圈设备和高压电容器设备，其体积较大，内部使用绝缘油纸实现绝缘功能[5-6]。早期技术条件下多针对功能实现方向进行相关研究，设备体积较大，绝缘电气材料冗余度较高，难免发生内部微电弧击穿现象，所以导致设备工作温度高、绝缘油变性快、设备维护周期短、设备维护成本高等诸多问题[7]。且特高压直流输电相关设备的国内创新研究已经进入深水区，缺少国外的可借鉴经验[8]。

该研究针对上述问题，对特高压换流器中绝缘材料的电气性能进行仿真研究，寻求其技术革新方向。

1 电气绝缘材料在换流器中的应用技术特征

在特高压输电系统中，剖析某±500kⅤ特高压输电线路两侧换流器的内部结构，发现其每侧使用6台电抗器（用作交流滤波器、直流平波电抗器、直流滤波器等回路）、2台电容器（用作直流滤波回路）、2套换流晶闸阀组等构成换流器。即可认为，实际使用到油纸绝缘电气构件的换流器子系统，为变压器绕组、电抗器绕组以及高压电容器中，所以分析电气绝缘材料中的油纸绝缘电气性能，其技术本质为分析特高压输电设施中的绕组设备、电容器设备内的油纸绝缘材料电气性能。上述换流器设备电气逻辑结构如图1所示。

图1 换流器中的电气子设备布局图
Fig.1 Layout of electrical sub equipment in converter

图1 中，绕组型设备的实际做功过程为铁芯电场交变过程，而电容器也可能产生一定程度电场变化，但因为电容器安装在直流滤波回路中，其电场变化并不典型，所以受制于篇幅，本文中不展开论述。该研究针对换流器中变压器绕组的电场变化趋势进行展开分析[9]。

与传统变压器分为高中低电压等级的三线圈变压器不同，换流器中两台变压器分别按照Δ-Δ模式和Δ-Y模式进行接线，均为双线圈布局，分为网侧线圈连接交流网络换流母线、阀侧线圈连接换流闸阀组。该变压器的绝缘结构如图2所示。

图2 变压器绕组绝缘系统示意图
Fig.2 Schematic diagram of transformer winding insulation system

图2 中：1为网侧绕组；2为阀侧绕组；3为网侧绕组静电环；4为阀侧绕组静电环；5为线圈成型角环；6为多层绝缘油纸纸筒；其中，中心柱、铁芯等给定零电位时，属于强加一类边界条件，下边界点位对法向矢量的偏微分计算结果为0值，属于二类边界条件。根据《交流变压器电气工业标准》（GB/T 18494-2014）计算该变压器的极性翻转电压，得到公式（1）：

式（1）中： 为阀侧绕组的最大相间交流工作电压，单位为kⅤ； 为每个换流闸阀承载的最大直流电压，单位为kⅤ；N为从直流线路的中性点到变压器之间的整流桥数量；以下仿真计算从该电压级别基础上展开。

2 仿真计算与结果分析

相关文献表明，换流变压器中的交流电场分布特征与绝缘纸板+绝缘油形成的油纸绝缘机构的介电常数有关，直流稳态电场的分布特征与上述油纸绝缘机构的电导率有关，换流变压器受到交流电场和直流电场的同时作用，所以需要对其介电常数和电导率进行同步分析[10-11]。

该研究采用频域介电谱法（Frequency Domain Spectroscopy，FDS）进行仿真分析，仿真环境为电力仿真分析平台软件（Computer Aided Engineering，CAE）环境下加载Simulink有限元控件，在该有限元控件上搭建并运行FDS模型。其电网系统构成模式如前文图1所示，换流变压器油纸绝缘系统构成模式如前文图2所示。在FDS模型下，利用宽频介电阻抗仿真模块测定不同条件下的绝缘油纸系统的相关参数表现，环境温度设定在40～120 ℃。

仿真结果中，不同温度-频率条件下的绝缘纸电导率变化情况见表1。

表1 不同温度-频率条件下的绝缘纸电导率变化仿真结果（单位：S/m）
Table 1 Simulation results of conductivity change of insulating paper under diff erent temperature frequency conditions (unit: S/m)

表1 中，油纸绝缘构件中绝缘纸电导率在相同频率条件下，随着温度升高，其电导率显著升高，80℃温差条件下，电导率变化率约为40～50倍关系，而在相同温度条件下，随着频率降低，其电导率显著降低，频率差距约为5个数量级的条件下，电导率变化约为4～5个数量级。实际运行在50Hz工况条件下，当结构温度为40℃时，其电导率约为1.19×10-10S/m，当结构温度在120℃时，其电导率约为1.97×10-9S/m。

仿真结果中，不同温度-频率条件下的绝缘油电导率变化情况见表2。

表2 不同温度-频率条件下的绝缘油电导率变化仿真结果（单位：S/m）
Table 2 simulation results of insulation oil conductivity change under different temperature frequency conditions (unit: S/m)

表2 中，油纸绝缘构件中绝缘油电导率在相同频率条件下，随着温度升高，其电导率显著升高，80℃温差条件下，电导率变化率约为40～50倍关系，而在相同温度条件下，随着频率降低，其电导率显著降低，频率差距约为5个数量级的条件下，电导率变化约为5～6个数量级。可见绝缘油电导率变化趋势，在频率恒定条件下的不同温度中变化幅度与绝缘纸相当，但在恒定温度条件下的不同频率下，其变化幅度大于绝缘纸。

同等仿真条件下，对绝缘纸的介电常数进行仿真测试，结果如表3，对绝缘油的介电常数进行仿真测试，结果见表4。

表3 不同温度-频率条件下的绝缘纸介电常数变化仿真结果
Table 3 Simulation results of dielectric constant change of insulating paper under diff erent temperature frequency conditions

表3 中，不同温度-频率条件下绝缘纸介电常数基本稳定不变，均值与标准差约为4.41±0.06，可以认定绝缘纸介电常数稳定在4.4。

表4 不同温度-频率条件下的绝缘油介电常数变化仿真结果
Table 4 Simulation results of dielectric constant change of insulating oil under different temperature frequency conditions

表4 中，不同温度-频率条件下绝缘油介电常数基本稳定不变，均值与标准差约为2.29±0.04，可以认定绝缘纸介电常数稳定在2.3。

相关文献论研究表明，极性翻转条件下油纸绝缘构件中的电场强度达到极限，因为该过程面临的电磁学条件较为复杂，所以必须采用有限元分析工具对其各点电场强度进行分析。在与上述分析环境相同的配置条件下得到换流变压器中的实测电场强度变化值，见表5。

表 5 不同温度-频率条件下的电场强度变化仿真结果(单位：kV/mm)
Table 5 Simulation results of electric f ield intensity change under
diff erent temperature frequency conditions (unit: kV / mm)

表5 中，随着频率和温度的增加，换流变压器中的电场强度随之增加，且频率与温度数值越高，其增加幅度越快。当频率超过105Hz或温度超过120℃时，其频率增加幅度显著提升。

与此同时，因为前文分析中，随着电流频率与温度上升，其电导率快速上升，介电常数虽然趋于稳定，也有一定的缓慢上升趋势，所以，随着频率和温度增加带来的设备内电场强度增加，其绝缘性能也快速下降，此时容易发生击穿系数。所以，实际运行控制中，利用综合保护设施防止高频杂波同时严控设备运行时的结构温度，是确保换流变压器安全运行的重要目标。以此类推，对其他高压电抗器绕组设备和高压电容器的绝缘性能控制中，也应该控制器运行时的结构温度，防止产生高频杂波。

3 总结

以换流器中结构较复杂的换流变压器为仿真对象，研究换流器中油纸绝缘构件的绝缘能力，发现换流器中高频电压杂波和设备运行结构高温会同时带来设备绝缘能力下降和内部电场强度增加的电磁学效应。所以认为在特高压换流器运行过程中，应充分控制设备的高频杂波并严格控制设备运行时的结构升温过程。该研究对提升特高压换流器运行控制和安全控制有积极意义。