Zusammenfassung: Basierend auf den Eigenschaften der Hochspannungsleitungsisolierung eines 1200-kV-Transformators wurden Modelle des elektrischen Feldes an der Biegung der Hochspannungsleitung, des elektrischen Feldes der Schirmleitung nahe der Hochspannungswicklung und des elektrischen Feldes der Ausgleichskugel der Hochspannungsdurchführung erstellt. Mithilfe der Finite-Elemente-Methode wurde eine numerische Analyse der zweidimensionalen ebenen und rotationssymmetrischen Felder durchgeführt. Diese liefert theoretische Daten für die rationale Auslegung und Bestimmung der Hochspannungsleitungsisolierung des 1200-kV-Transformators. Schlüsselwörter: Transformator, Hochspannungsleitung, Elektrisches Feld, Numerische Analyse. Einleitung: Mit der Entwicklung der Energiewirtschaft im In- und Ausland steigt die Kapazität von Kraftwerken und Erzeugungsanlagen stetig. Für eine wirtschaftliche und effiziente Energienutzung ist die Übertragung von Energie über große Entfernungen unerlässlich. International entwickeln Länder wie die USA, Italien und Russland seit fast dreißig Jahren Megavolt-Hochspannungstransformatoren und haben bereits Produktionskapazitäten erreicht und Megavolt-Hochspannungsleitungen errichtet. Experten prognostizieren, dass China in diesem Jahrhundert Megavolt-Hochspannungsleitungen realisieren wird. Daher ist die Entwicklung und Forschung von Megavolt-Transformatoren unerlässlich. Ausgehend von den Testanforderungen der Parallelreaktoren der Tianwei Group und den zukünftigen technologischen Entwicklungen initiierte das Unternehmen 1999 die Forschung und Entwicklung eines Megavolt-Hochspannungstransformators. Die Bestimmung der Isolationsstruktur und die Analyse des Isolationsfeldes der 1200-kV-Hochspannungsleitung waren zentrale Aspekte der Forschung. Für ein Hochspannungsleitungssystem mit komplexer Geometrie und dreidimensionaler Verbundisolationsstruktur ist es daher entscheidend, ein ingenieurtechnisch lösbares Modell zu erstellen und numerische Analysen des Isolationsfeldes sowie eine Strukturoptimierung auf Basis der Analyse und sinnvollen Vereinfachung der Hochspannungsleitungsstruktur durchzuführen. 1. Modellerstellung: Die Hochspannungsseite des Transformators wird mit einer Wechselstromfrequenz von 1390 kV versorgt. Die Hochspannungsleitung kann entweder als abnehmbare oder als direkte Leitung ausgeführt sein. Diese Arbeit stellt ein Modell und eine Analyse für das erstgenannte Problem vor. Abbildung 1 zeigt ein typisches Strukturdiagramm einer abnehmbaren Zuleitung. Wie aus dem schematischen Diagramm der Hochspannungs-Zuleitungsstruktur in Abbildung 1 ersichtlich, stellt die Analyse der Isolationsstruktur der Hochspannungszuleitung ein dreidimensionales elektrisches Feldproblem mit mehreren Medien und komplexen geometrischen Formen dar, darunter Öl, Papierisolierung und Metallelektroden. Um jedoch die Anforderungen an die bautechnische Auslegung zu erfüllen und den Rechenaufwand sowie die Berechnungszeit zu verkürzen, ist eine angemessene Vereinfachung der elektrischen Feldanalyse der Hochspannungszuleitungsisolationsstruktur erforderlich. Aus diesem Grund wurden die folgenden drei lösbaren Modelle entwickelt: (1) Planares elektrisches Feldmodell der Hochspannungszuleitungsbiegung (im Folgenden als Modell 1 bezeichnet, im Bereich APBCDEFGQHA von Abbildung 1); Erste Art von Randbedingungen: ① Rand PB, BC, CD, DE, FG, GQ mit einem Potenzial von 0,0 kV; ② Hochspannungszuleitungselektrode und Ausgleichskugel der Durchführung mit einem Potenzial von 1390 kV; die übrigen Randbedingungen entsprechen der zweiten Art. (2) Achsensymmetrisches elektrisches Feldmodell der abgeschirmten Zuleitung in der Nähe der Hochspannungswicklung (im Folgenden als Modell 2 bezeichnet, im Bereich APBCNMIA in Abbildung 1); Randbedingungen erster Art: ① Rand PB, BC, CN, Potenzial 0,0 kV; ② Hochspannungszuleitungselektrode, Potenzial 1390 kV; die übrigen Randbedingungen entsprechen der zweiten Art. (3) Achsensymmetrisches elektrisches Feldmodell der Ausgleichskugel der Hochspannungsdurchführung (im Folgenden als Modell 3 bezeichnet, Bereich KLGOK in Abbildung 1); Randbedingungen erster Art: ① Rand LG, Potenzial 0,0 kV; ② Hochspannungszuleitungselektrode und Ausgleichskugel der Durchführung, Potenzial 1390 kV, das Potenzial der Porzellandurchführungsoberfläche wird als linear verteilt angenommen; die übrigen Randbedingungen entsprechen der zweiten Art. 2 Numerische Analyse. Mithilfe der Finite-Elemente-Methode wurde die elektrische Feldverteilung an der Biegung der Hochspannungsleitung, der Schirmleitung nahe der Hochspannungswicklung und der Ausgleichskugel der Hochspannungsdurchführung berechnet. Gemäß Modell 1 lässt sich die Gesamtfeldverteilung der Hochspannungsleitung sowie die Position der Feldkonzentration näherungsweise bestimmen. Anhand der Ergebnisse der numerischen Analysen von Modell 1, 2 und 3 können detailliertere Ergebnisse der lokalen Feldkonzentrationen ermittelt werden. 2.1 Numerische Analyse des planaren elektrischen Feldmodells an der Biegung der Hochspannungsleitung. Abbildung 2 zeigt die Verteilung der Äquipotenziallinien des elektrischen Feldes an der Biegung der Hochspannungsleitung (einschließlich der Schirmleitung nahe der Hochspannungswicklung). Die Berechnungsergebnisse in Abbildung 2 zeigen, dass die Feldverteilung relativ stark an der Schirmleitung nahe der Hochspannungswicklung und an der Ausgleichskugel der Hochspannungsdurchführung konzentriert ist. Die Positionen der lokalen maximalen elektrischen Feldstärke befinden sich an den oberen und unteren Ecken der Schirmleitung nahe der Hochspannungsleitung sowie an den abgerundeten Ecken der Äquipotentialkugel der Durchführung mit maximalen Feldstärken von 8,42 kV/mm bzw. 3,62 kV/mm. 2.2 Numerische Analyse des achsensymmetrischen elektrischen Feldmodells der Schirmleitung nahe der Hochspannungswicklung. Wie in Abbildung 1 dargestellt, weist die Isolationsstruktur der Schirmleitung nahe der Hochspannungswicklung Achsensymmetrie auf. Daher kann Modell 2 die tatsächliche elektrische Feldverteilung genauer abbilden als Modell 1. Um den quantitativen Zusammenhang zwischen den Berechnungsergebnissen der elektrischen Feldstärke beider Modelle weiter zu bestätigen, zeigt Tabelle 1 einen Vergleich der Berechnungsergebnisse von Modell 1 und Modell 2 am selben Ort unter gleichen Berechnungsbedingungen. Die Daten in der Tabelle zeigen, dass die maximalen elektrischen Feldstärken von Modell 1 und Modell 2 an den Punkten 1 bis 4 zwar ähnlich sind, die Ergebnisse des ebenen Feldmodells 1 jedoch nicht mit der Annahme übereinstimmen, dass die elektrische Feldstärke des Koaxialzylinders mit zunehmendem Radius abnimmt. Daher liefert Modell 1 keine genauere Beschreibung der elektrischen Feldverteilung für die abgeschirmte Zuleitung in der Nähe der Hochspannungswicklung. Tabelle 1: Vergleich der Ergebnisse der elektrischen Feldstärke von Modell 1 und Modell 2 (kV/mm) Position: Nahe der Zuleitungselektrode, Nahe der abgeschirmten Elektrode, Punkt 1, Punkt 2, Punkt 3, Punkt 4. Modell 1: Wert der elektrischen Feldstärke: 5,0, 5,0, 8,45, 7,69. Modell 2: Wert der elektrischen Feldstärke: 8,62, 8,43, 5,65, 4,73. Unter Anwendung der Theorie dünner Papierröhren und kleiner Ölspalte, durch Anordnung mehrerer Lagen isolierender Pappe um die Zuleitungselektrode zur Unterteilung des Ölspalts und zur gezielten Kontrolle des Isolationsabstands zwischen der abgeschirmten Erdungselektrode und der Zuleitungselektrode sowie durch numerische Analyse des Isolationsfeldes mit Modell 2, lässt sich die in Abbildung 3 dargestellte Äquipotenziallinienverteilung des elektrischen Feldes der abgeschirmten Zuleitung ermitteln. Die maximale elektrische Feldstärke tritt im ersten Ölspalt nahe der Zuleitungselektrode mit einem Wert von 8,62 kV/mm auf. Abbildung 3 zeigt die Äquipotenziallinienverteilung des elektrischen Feldes der Abschirmzuleitung nahe der Hochspannungswicklung. 2.3 Numerische Analyse des achsensymmetrischen elektrischen Feldmodells der Hochspannungs-Ausgleichskugel. Um die optimale Isolationsstruktur und elektrische Isolationsfestigkeit der Ausgleichskugel zu bestimmen, wurde Modell 3 verwendet, um die elektrische Feldverteilung und die Strukturabmessungen der Hochspannungs-Ausgleichskugel detailliert zu berechnen. Dabei wurde unter anderem der Einfluss des Bogenradius der Ausgleichskugel und des Innendurchmessers des Steigrohrs auf die maximale elektrische Feldstärke untersucht und eine optimale Isolationsstruktur für die Ausgleichskugel ermittelt. Abbildung 4 zeigt die Verteilung der Äquipotentiallinien des elektrischen Feldes der Hochspannungs-Ausgleichskugel. Die Berechnungsergebnisse zeigen, dass die maximale elektrische Feldstärke im äußeren Bogenbereich der Elektrode der Ausgleichskugel auftritt und deren maximaler Wert von der Änderung des Bogenradius abhängt (siehe Abbildung 5). Gemäß der Theorie zur Auslegung von Transformator-Öl-Papier-Isolationsstrukturen ist das Öl das schwächste Glied in der Isolation. Die Bestimmung der zulässigen elektrischen Feldstärke hängt von Faktoren wie der Ölspaltlänge, der Isolationsdicke der Elektrodenoberfläche und der Lage des Ölspalts ab. Daher ist bei der Auslegung der Ausgleichskugel die zulässige elektrische Feldstärke im bogenförmigen Bereich der Elektrode größer als im geraden Bereich; das Verhältnis beträgt etwa 1,5. Abbildung 4 zeigt die Verteilung der Äquipotentiallinien des elektrischen Feldes der Ausgleichskugel in der Hochspannungsdurchführung. Abbildung 5 zeigt die Abhängigkeit der maximalen elektrischen Feldstärke im bogenförmigen Bereich der Ausgleichskugel vom Bogenradius. Da die elektrische Feldstärke im geraden Bereich der Elektrode direkt vom Innendurchmesser des Steigrohrs abhängt, zeigt Abbildung 6 den Verlauf der maximalen elektrischen Feldstärke in diesem Bereich als Funktion des Innendurchmessers. Die maximale elektrische Feldstärke im bogenförmigen Bereich wird durch die Änderung des Innendurchmessers des Steigrohrs weniger beeinflusst und wird daher hier nicht dargestellt. Basierend auf den Berechnungsergebnissen und den entsprechenden zulässigen Feldstärkewerten in Abbildung 5 und 6 sowie nach vergleichender Analyse wurde schließlich das Schema mit einer Abszisse von 1,0 in Abbildung 4 und 5 (als Referenzwert für die Abszisse in Abbildung 4 und 5) ausgewählt. Die maximale Feldstärke im Bogenabschnitt beträgt 3,999 kV/mm, die maximale Feldstärke im geraden Abschnitt 2,696 kV/mm. Abbildung 6 zeigt die Variation der maximalen Feldstärke im geraden Abschnitt der Ausgleichskugel in Abhängigkeit vom Innendurchmesser des Steigrohrs. 3. Schlussfolgerung: Es wurden vereinfachte Modelle verschiedener Teile der Hochspannungszuleitung des 1200-kV-Transformators erstellt und der Einfluss des Modells selbst sowie der Strukturabmessungen auf die Berechnungsergebnisse analysiert und verglichen. Durch numerische Analyse des Isolationsfeldes wurden der Wert der maximalen Feldstärke und deren Position ermittelt und die Abmessungen der Isolationsstruktur der 1200-kV-Hochspannungszuleitung vorläufig festgelegt.