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空心电抗器的电场分布与绝缘性能研究

汪洋  
【摘要】:近些年,我国的电力事业已取得了突飞猛进的发展,电力系统建设中对于电抗器的需求量也在与日俱增。空心电抗器凭借自身种种优势在电力系统中的地位扶摇直上,成为电网建设中不可或缺的设备之一。但在年深月久的运行过程中,因为各种原因导致干式空心电抗器发生烧毁事件层出不穷,不仅使电力系统的可靠平稳运行面临严峻考验,更是给企业和相关部门的正常运营造成恶劣影响,甚至给广大群众的日常生活造成困扰,使国家承受重大的经济损失。对实际投入使用的干式空心电抗器进行相关故障数据统计,发现导致其燃着损毁的两个重要原因是绝缘开裂和树枝状放电。干式空心电抗器不均匀的场强分布很可能引发局部放电,进一步对局部范围内的绝缘介质造成击穿,破坏电抗器的性能,甚至会引起空心电抗器燃着损毁等事故。空心电抗器各包封绕组在磁场环境下必将承受一定的电动力,包封在电动力的作用下将发生细微的位移形变,位移形变在设备长此以往的运行过程中持续积累,最终导致空心电抗器包封绝缘发生开裂。为了保证空心电抗器的可靠平稳运行,文中采用ANSYS Maxwell对系统运行电压35k V、额定容量20000kvar的空心并联电抗器进行有限元分析,针对稳定运行和投切过电压两种工况下的电场和电动力问题分别进行深入研究,为空心电抗器的设计制造及可靠平稳运行提供重要参考。本文主要研究内容如下:(1)根据空心电抗器在事故案例中的相关故障数据统计,结合空心电抗器的自身结构及生产工艺,分析引起空心电抗器的故障发生过程及主要原因。(2)根据三维电磁场计算原理以及场-路耦合有限元分析方法,利用ANSYS Maxwell建立与文中所选空心电抗器设计规格参数一致的三维有限元分析模型,主要针对空心电抗器全局、空心电抗器包封内部绕组层间关系和匝间关系三者进行有限元建模。(3)利用ANSYS Maxwell对剖分后的三维模型进行稳态运行下的电场仿真分析,得到空心电抗器相应的电场分布特性与场强大小。针对频繁投切过电压下空心电抗器包封绝缘受到的影响,从50组投切实验结果中随机抽取10组测试数据进行分析,与35k V空心并联电抗器绝缘水平可以承受的操作过电压的范围限值进行比较,并得出结论,频繁投切操作会加速空心并联电抗器绝缘遭受破坏。(4)计算了空心电抗器稳态运行下各个包封所受轴向、径向电动力的情况,并探究了空心电抗器投入暂态电流及电动力的计算过程,对比分析了空心电抗器稳定运行和投切暂态两种工况下的电动力矢量分布特性,根据仿真结果并结合空心电抗器包封的绕制工艺,得出结论空心电抗器运行中更容易受到径向电动力影响而遭受破坏。同时参照空心电抗器绝缘材料的力学性能,针对稳态运行和投切暂态两种工况下产生的电动力对包封绝缘的破坏性进行探究,核算了包封绝缘可对两种工况下产生电动力进行约束的最小绝缘厚度。本文的研究对象为系统运行电压35k V、额定容量20000kvar的空心并联电抗器。文中将得到的仿真结论联系具体实际情况进行对比分析,互为印证,该项研究所得结论具有一定的参考价值,为干式空心电抗器乃至整个电网的可靠平稳运行提供重要决策依据。


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