【正文】 1 引言（或緒論） 1． 1 課題背景及研究意義 我國(guó)的國(guó)民經(jīng)濟(jì)在不斷發(fā)展，人民的物質(zhì)文化水平也在不斷提升，當(dāng)然人們對(duì)電力系統(tǒng)的供電量和可靠性也就有了更高的要求。變壓器在電力系統(tǒng)中是一個(gè)重要的電氣設(shè)備，在電能傳輸?shù)慕?jīng)濟(jì)性、分配上的靈活性以及使用方面的安全性能上發(fā)揮著不可替代的作用。當(dāng)今變壓器的發(fā)展方向主要有兩個(gè)，一個(gè)是電壓等級(jí)從 220kV, 330kV和 500kV 向 750kV , 1000kV 和 1200kV 的特大型超高壓方面發(fā)展 。二是使變壓器有更高的阻抗、更低的噪音、更節(jié)能、更小巧。 1000MVA/1000kV 目前是我國(guó)高壓電力變壓器單臺(tái)的最大容量，為了迎合國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國(guó)正在進(jìn)行更高電壓等級(jí) (例如 1200kV)變壓器的研制工作 [1]。人們總是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)，工藝制造過(guò)程中不斷的探索，提出和改進(jìn)一系列的設(shè)計(jì)計(jì)算和分析方法，研制面向變壓器產(chǎn)品性能分析的軟件系統(tǒng)，不斷地用各種可能的手段予以驗(yàn)證，提高設(shè)計(jì)、制造水平，使變壓器在電力系統(tǒng)中安全可靠的運(yùn)行。 變壓器繞組外部連接繞組各引出端的導(dǎo)線稱為引線，通過(guò)引線將外 部電源電能輸入變壓器，也通過(guò)引線將傳輸進(jìn)來(lái)的電能從變壓器輸出到外部。引線一般分為繞組線段與套管連接的引出線、繞組端頭間的連接引線和繞組分接與開關(guān)相連的分接引線三種。引線設(shè)計(jì)時(shí)要顧及三個(gè)方面的要求 : (1)電氣性能，在盡可能減小器身尺寸的前提下，應(yīng)保證足夠的電氣強(qiáng)度。 (2)在承受運(yùn)輸中的顛簸、長(zhǎng)期運(yùn)行中的振動(dòng)和短路電動(dòng)力沖擊的情況下，要有足夠的機(jī)械強(qiáng)度。 (3)在變壓器長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)的溫升、短路時(shí)的溫升和大電流引線的局部溫升，均應(yīng)該限制在規(guī)定要求的范圍以內(nèi)。 引線的材料一般采用圓導(dǎo)線，母線和電纜線。引線既可以是 裸露的，也可以在裸露的導(dǎo)線外包扎絕緣或者套一層絕緣管。引線一般是通過(guò)木或者絕緣支架固定在鐵心的夾件上 [2]。 變壓器引線作為內(nèi)部繞組出線與外部接線的中間環(huán)接，其接頭是通過(guò)焊接而成河北工業(yè)大學(xué) 20xx 屆本科畢業(yè)論文 4 的，因此焊接質(zhì)量對(duì)變壓器引線的故障預(yù)防具有十分重要的作用。有變壓器引線接頭而引發(fā)的故障主要有 :引線短路、引線斷路、引線接觸不良。 引線斷路之后就應(yīng)該立即停止變壓器的繼續(xù)運(yùn)行，引線相間短路之后，如果不及時(shí)處理，便會(huì)持續(xù)惡化發(fā)展成為災(zāi)難性故障，這屬于致命性故障。引線對(duì)地短路、接觸不良將會(huì)產(chǎn)生局部高溫而導(dǎo)致引線被燒毀，從而使得變壓器停止運(yùn) 行，這屬于臨界性故障 [3]。 作為大型變壓器高壓引線絕緣層的核心部件，在質(zhì)量和性能方面上，高壓套管對(duì)變壓器用戶的可靠運(yùn)行具有十分重要的意義。高壓套管的作用是將變壓器的引線引到油箱的外部，高壓套管不僅對(duì)引線的對(duì)地絕緣起到不可或缺的作用，而且還可以固定引線 [4]。 變壓器的高壓套管本身價(jià)格并不昂貴，但它在外部的運(yùn)行條件比較苛刻，在殘酷的環(huán)境下同時(shí)承受很高的電、熱和機(jī)械應(yīng)力。高壓套管的尺寸小，結(jié)構(gòu)緊湊，同時(shí)高壓套管本身的結(jié)構(gòu)是由氣體、液體、固體、有機(jī)和無(wú)機(jī)材料組成的，隨著變壓器的運(yùn)行，高壓套管伴隨著導(dǎo)體發(fā)熱、介質(zhì) 損耗和熱擊穿等問(wèn)題。發(fā)生事故后，由于套管尾部的炸裂，將會(huì)導(dǎo)致變壓器主體損壞，并起火燃燒。高壓套管對(duì)變壓器的安全運(yùn)行起著尤為重要的作用，因此對(duì)高壓套管溫度場(chǎng)的研究意義也是十分重要的 [5]。 隨著更高等級(jí)變壓器的出現(xiàn)，變壓器引線將會(huì)出現(xiàn)一系列局部溫度過(guò)熱的問(wèn)題，變壓器引線過(guò)熱在安全運(yùn)行和使用壽命等方面給變壓器帶來(lái)嚴(yán)重成脅，分析、判斷和預(yù)防變壓器過(guò)熱故障等問(wèn)題，已經(jīng)越來(lái)越受到運(yùn)行，檢修和試驗(yàn)部門的廣泛關(guān)注。因此，計(jì)算與分析變壓器引線及其絕緣層的溫度場(chǎng)分布對(duì)變壓器的安全運(yùn)行具有重要意義。 1． 2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 在超高壓、特高壓變壓器的研制上，世界許多著名變壓器制造廠商已經(jīng)開發(fā)投入了很大的精力。例如德國(guó)的西門子公司， 60 年代、 70 年代、 80 年代分別研制出了 500kV變壓器、 750kV 變壓器以及 1200kV 的特高壓變壓器?，F(xiàn)如今變壓器的單臺(tái)最大容量也已達(dá)到 1200MVA 的水平。大約十幾年前，前蘇聯(lián)和口本的變壓器制造廠商也相繼成功研制了 1000kV 特高壓變壓器。并且這兩個(gè)國(guó)家都建設(shè)了 1000kV 特高壓工業(yè)性試驗(yàn)線路。由此可見，經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，電力變壓器技術(shù)在西方主要發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)達(dá)到了很高的水平 [6]。 河北工業(yè)大學(xué) 20xx 屆本科畢業(yè)論文 5 對(duì)于超 高壓電力變壓器，我國(guó)的變壓器制造企業(yè)在八十年代初才開始研制和投入生產(chǎn)，到目前為止我國(guó)已經(jīng)具備能力生產(chǎn)的變壓器包括 330kV, 500kV, 750kV 和1000kV，還特地研發(fā)了試驗(yàn)用單相 1700kV 變壓器。我國(guó)的電力變壓器從制造水平上來(lái)講還處于國(guó)際 20 世紀(jì) 90 年代初的水平，少量的仍然處于國(guó)際 20 世紀(jì) 90 年代末的水平，相比于其它國(guó)外先進(jìn)國(guó)家，還存在一定的差距。 高壓引線絕緣結(jié)構(gòu)的確定和絕緣電場(chǎng)分析在百萬(wàn)伏級(jí)超高壓變壓器的研制工作中起到尤為關(guān)鍵的作用，而高壓引線周圍的電場(chǎng)直接影響引線的溫度分布。下面 結(jié)合國(guó)內(nèi)外期刊，介紹超高壓電力變壓器高壓引線分析的主要研究現(xiàn)狀。 (1) 錢秀英等 1984 年在電機(jī)工程學(xué)報(bào)上發(fā)表文章，文中應(yīng)用等參元有限元法，分析了超高壓變壓器引線的二維電場(chǎng)分布，為引線的結(jié)構(gòu)與工藝設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)，并且為引線周圍的溫度場(chǎng)分布提供了重要的參考價(jià)值。文中還有對(duì)二維場(chǎng)域的自動(dòng)剖分，多層絕緣結(jié)構(gòu)的等值計(jì)算模型以及提高計(jì)算程序的效率等方面的問(wèn)題提出了相應(yīng)的處理方法 [7]。 (2) 張金堂等 1985 年在中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)上發(fā)表了文章，他們?cè)谟?jì)算變壓器引線的二維電場(chǎng)的問(wèn)題中采用了優(yōu)化模擬 電荷法，并研究了將優(yōu)化模擬電荷法在復(fù)雜電場(chǎng)計(jì)算中的應(yīng)用的困難，而且對(duì)此問(wèn)題提出了相應(yīng)的解決辦法。在計(jì)算目標(biāo)函數(shù)的梯度矢量中采用了微商法，而且導(dǎo)出了相應(yīng)公式，以克服用差商計(jì)算帶來(lái)的誤差，從而提高了設(shè)計(jì)變量數(shù)及模擬電荷數(shù) [8]。 (3)路長(zhǎng)柏 1989 年在電機(jī)與控制學(xué)報(bào)上發(fā)表了文章，文中采用有限元件法對(duì)超高壓電力變壓器的引線電場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算。根據(jù)計(jì)算結(jié)果和電氣絕緣理論，提出了超高壓電力變壓器引線成型絕緣件的設(shè)計(jì)原則，進(jìn)而對(duì)超高壓電力變壓器引線成型絕緣件結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，并提出改進(jìn)意見。這對(duì)超高壓電力變壓器引線 成型絕緣件的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)具有實(shí)際指導(dǎo)意義 [9]。 (4)王澤忠 1990 年在華北電力大學(xué)學(xué)報(bào)上發(fā)表了文章，他利用蒙特卡羅法計(jì)算了變壓器均壓球及附近的電位，采用導(dǎo)體表面電場(chǎng)強(qiáng)度的插值公式計(jì)算了均壓球表面的電場(chǎng)強(qiáng)度。他所采用的方法具有精度高，計(jì)算簡(jiǎn)便等特點(diǎn) [10]。 (5) 1999 年， Tadasu Takurma, Tadashi Kawamoto 等應(yīng)用電場(chǎng)分析法對(duì)引線部分的油隙進(jìn)行分析，提出絕緣厚度及油中距離對(duì)引線間耐壓值的影響 [11]。 (6) 王建民等 20xx 年在全國(guó)電工理論與新 技術(shù)學(xué)術(shù)年會(huì)作報(bào)告，根據(jù) 1200kV 變壓器高壓引線絕緣結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，分別建立了高壓引線拐彎部位電場(chǎng)、靠近高壓繞組的河北工業(yè)大學(xué) 20xx 屆本科畢業(yè)論文 6 屏蔽引線電場(chǎng)和高壓套管均壓球電場(chǎng)的模型，并利用有限元方法進(jìn)行了二維平面和軸對(duì)稱場(chǎng)的數(shù)值分析，為合理設(shè)計(jì)和確定 1200kV 變壓器高壓引線絕緣結(jié)構(gòu)提供了理論數(shù)據(jù) [12]。 (7) 20xx 年， Elzbieta Lesniewska 對(duì)電力變壓器引線絕緣結(jié)構(gòu)進(jìn)行了二維電場(chǎng)的分析和討論，提出了一種較好的裝置結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)通過(guò)反復(fù)計(jì)算和修改，得出保證裝置的電場(chǎng)強(qiáng)度不超過(guò)絕緣系統(tǒng)中任何部分的場(chǎng)強(qiáng) [13]。 (8) 梁建紅等 20xx 年在變壓器雜志上發(fā)表文章，介紹了變壓器引線電氣屏蔽在變壓器制造中的重要性、引線電氣屏蔽的方法及防止由十引線電氣屏蔽不良引起產(chǎn)品放電的措施 [14]。 (9) 劉建軍等 20xx 年在變壓器雜志上發(fā)表文章，他們利用邊界元電磁場(chǎng)計(jì)算軟件，分析了超高壓電力變壓器套管引線電場(chǎng)，并得到了相應(yīng)部位的電場(chǎng)強(qiáng)度分布，為邊界元方法在超高壓電力變壓器絕緣設(shè)計(jì)中的應(yīng)用提供了分析結(jié)論 [15]。 (10)1998 年， Joze Pihler 和 Igor Ticar 采用有限元法分別計(jì)算了 126kV SF6 套管在 有無(wú)接地內(nèi)屏蔽時(shí)瓷套內(nèi)部和外部的場(chǎng)強(qiáng)分布和電位分布。分析了接地內(nèi)屏蔽的位置和尺寸與電場(chǎng)分布的影響，并對(duì)接地內(nèi)屏蔽的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，為 126kV SF6套管接地內(nèi)屏蔽的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù) [16]。 (11) 20xx 年，岳明鏡對(duì)新型油紙電容式套管絕緣可靠性進(jìn)行了研究，將 20 多年來(lái)對(duì)高壓套管的研究進(jìn)行小結(jié)，提出優(yōu)化絕緣結(jié)構(gòu)，提高性能，特別是優(yōu)化結(jié)構(gòu)來(lái)保證產(chǎn)品高性能的穩(wěn)定性和長(zhǎng)期運(yùn)行的可靠性 [17]。 (12) 20xx 年，西安交大的江汛等應(yīng)用 ANSYS 軟件對(duì)選用環(huán)氧樹脂和高溫硫化硅橡膠制造的復(fù)合套管進(jìn)行了 2D 電場(chǎng)分析，得出選用 1: 4 場(chǎng)域的長(zhǎng)徑比例較為合適，計(jì)算表明，套管與法蘭連接處涂刷半導(dǎo)體漆可使最高場(chǎng)強(qiáng)降低 [18]。 (13) 20xx 年，劉曉亮等在電磁避雷器上發(fā)表文章，介紹了特高壓交流試驗(yàn)基地1000kV 主變壓器高壓引線端用油紙電容式變壓器套管的技術(shù)參數(shù)、主要尺寸、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、油中電場(chǎng)計(jì)算、研究的關(guān)鍵技術(shù)及型式試驗(yàn)項(xiàng)目 [19]。 (14) 20xx 年，河南平高電氣公司的鐘建英等對(duì)特高壓復(fù)合套管進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算和分析，結(jié)果表明套管內(nèi)絕緣能承受峰值 2400kV 雷電沖擊電壓，外絕緣滿足 20xxm的海 拔，套管和絕緣件內(nèi)外表面場(chǎng)強(qiáng)小十其沿面臨界放電場(chǎng)強(qiáng)，絕緣件內(nèi)部的電場(chǎng)強(qiáng)度滿足長(zhǎng)期運(yùn)行的要求，其余部位也有相當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)裕度 [20]。 (15) 20xx 年，中國(guó)電力科學(xué)研究院的狄謙采用有限元分析法軟件計(jì)算了 145kV河北工業(yè)大學(xué) 20xx 屆本科畢業(yè)論文 7 套管傘套內(nèi)部和外部的場(chǎng)強(qiáng)分布和電位分布。分析了接地內(nèi)屏蔽筒的高度、外徑、翻邊即環(huán)的曲率半徑等對(duì)電場(chǎng)強(qiáng)度分布的影響，并對(duì)接地屏蔽的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)[21]。 (16) 20xx 年，董淑建等也在電瓷避雷器上發(fā)表文章，文中介紹了最新的 1100kV交流特高壓變壓器套管的研制過(guò)程，并與國(guó)外同 類產(chǎn)品對(duì)比結(jié)果表明，高壓套管技術(shù)性能可靠，能夠滿足我國(guó)特高壓輸變電工程線路的使用 [22]。 1． 3