張軍，吳金龍，梁云丹，陳小軍，姚為正

(1.西安許繼電力電子技術(shù)有限公司，西安市710075;2.國(guó)家電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)監(jiān)測(cè)(控)中心，北京市100031;3.國(guó)家電網(wǎng)公司運(yùn)行分公司，北京市100052)

0 引言

隨著光伏發(fā)電、風(fēng)能發(fā)電等可再生能源利用規(guī)模的不斷擴(kuò)大，其固有的分散性、小型性、遠(yuǎn)離負(fù)荷中心等特點(diǎn)，使得采用交流輸電技術(shù)或傳統(tǒng)的直流輸電技術(shù)聯(lián)網(wǎng)很不經(jīng)濟(jì)［1］。隨著電力電子器件和控制技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)生了一種新型的直流輸電技術(shù)，稱之為柔性直流輸電系統(tǒng)或輕型直流輸電系統(tǒng)，這是一種基于電壓源型換流器的直流(voltage-sourced converter highvoltage direct current，VSC-HVDC)輸電技術(shù)，與基于自然換相技術(shù)的電流源型換流器的傳統(tǒng)直流輸電不同，VSC-HVDC輸電技術(shù)采用了可控關(guān)斷器件和以脈寬調(diào)制(PWM 技術(shù))為基礎(chǔ)［2-6］。

換流閥作為核心部件一直是研究的重點(diǎn)，也是換流站設(shè)計(jì)中最重要的任務(wù)。VSC-HVDC換流閥的設(shè)計(jì)應(yīng)用了電力電子技術(shù)、光控轉(zhuǎn)換技術(shù)、高電壓技術(shù)、控制技術(shù)、均壓技術(shù)、冷卻技術(shù)和高壓用絕緣材料等最新技術(shù)和研究成果［7-8］。

在柔性直流輸電系統(tǒng)中，MMC作為核心設(shè)備在運(yùn)行中處于高電壓大電流的工作狀態(tài)。高電壓絕緣技術(shù)是換流閥中比較突出的問題，從本質(zhì)上來說絕緣結(jié)構(gòu)的絕緣強(qiáng)度就是其承擔(dān)電場(chǎng)強(qiáng)度的能力［9-10］。

作為一個(gè)高電壓大功率的電氣設(shè)備，換流閥的絕緣結(jié)構(gòu)對(duì)于設(shè)備的安全運(yùn)行非常重要。在換流閥的絕緣結(jié)構(gòu)中分別采用了固體絕緣和空氣絕緣，由于空氣的絕緣強(qiáng)度遠(yuǎn)小于固體絕緣介質(zhì)，實(shí)際運(yùn)行或試驗(yàn)中電暈、擊穿放電、爬電等絕緣故障都是由于其局部的電場(chǎng)超過空氣的擊穿場(chǎng)強(qiáng)的臨界值引起的［11-14］，因此換流閥的電場(chǎng)分析對(duì)于絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是非常必要的。由于空氣間隙結(jié)構(gòu)和帶電體的形狀比較復(fù)雜，采用估算方法可能導(dǎo)致較大的誤差，采用有限元法可以得到比較準(zhǔn)確的電場(chǎng)計(jì)算結(jié)果。

本文以±320 kV模塊化多電平電壓源換流閥作為研究對(duì)象，采用有限元分析方法來計(jì)算換流閥的電場(chǎng)分布。對(duì)換流閥內(nèi)部層間、閥塔對(duì)地等位置空氣間隙的電場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，分析換流閥內(nèi)部空氣間隙的絕緣強(qiáng)度;對(duì)換流閥外表面的電場(chǎng)分布進(jìn)行計(jì)算，以研究換流閥外側(cè)是否會(huì)發(fā)生絕緣故障以及通過計(jì)算研究屏蔽罩的性能;通過對(duì)換流閥之間空氣絕緣強(qiáng)度的分析，研究模塊化多電平換流站閥廳的布局。

1 換流閥電場(chǎng)計(jì)算模型分析

MMC作為柔性直流輸電的核心設(shè)備，運(yùn)行于高電壓、大電流條件下。對(duì)應(yīng)的是該設(shè)備處于強(qiáng)電場(chǎng)和強(qiáng)磁場(chǎng)的運(yùn)行環(huán)境中，其高壓絕緣問題是最突出的問題之一。在換流閥的實(shí)際應(yīng)用中采用空間絕緣和固體介質(zhì)絕緣。從本質(zhì)上講，通過電場(chǎng)強(qiáng)度、電場(chǎng)分布均勻程度等可以分析和判斷其絕緣結(jié)構(gòu)的絕緣性能。

在實(shí)際的三維空間中，電場(chǎng)的定解條件為

式(1)中:β為0時(shí)，為第一類邊界條件;γ為0時(shí)，為第二類邊界條件;β和γ都不為0時(shí)，為第三類邊界條件。具體邊界條件設(shè)置要根據(jù)計(jì)算模型的實(shí)際情況來進(jìn)行分析和判斷。

由式(2)可以判斷出:電場(chǎng)是電位梯度，在電位變化比較劇烈的位置電場(chǎng)值很大。在換流閥中，金屬部件都是高電位，因此其附近的空氣間隙中電場(chǎng)分布會(huì)比較集中。

實(shí)際中子模塊都是封裝好的，同時(shí)模塊的外殼都是鐵質(zhì)材料，模塊內(nèi)部的電磁特性不會(huì)影響到外部。因此在建立模型時(shí)，將子模塊等效為一個(gè)整體。閥塔的總寬為3 200 mm，長(zhǎng)為4 500 mm，閥塔距地面高為3 700 mm。

根據(jù)電場(chǎng)計(jì)算的方法建立換流閥的有限元模型，如圖1所示。

圖1 模塊化多電平柔性直流輸電換流閥有限元模型Fig.1 Finite element model of MMC

根據(jù)實(shí)際中閥廳尺寸建立換流閥的求解域，其中閥塔底部的對(duì)地支撐絕緣子連接地面與閥塔。閥塔的求解域如圖2所示。

圖2 閥塔的求解域Fig.2 Solving region of MMC

閥廳的頂部、地面以及四周墻壁都接地，都屬于0電位。根據(jù)公式(1)可知:在計(jì)算電場(chǎng)時(shí)邊界條件為第一類邊界條件。

2 換流閥內(nèi)部空氣絕緣強(qiáng)度分析

按照實(shí)際工況中最極端的情況進(jìn)行閥塔絕緣結(jié)構(gòu)分析，子模塊的最大電壓為2.6 kV，實(shí)際閥塔運(yùn)行中如果超過該值，子模塊將進(jìn)行保護(hù)動(dòng)作。

為了研究閥塔內(nèi)部空氣間隙的絕緣強(qiáng)度，對(duì)閥塔中局部位置的電場(chǎng)進(jìn)行分析。經(jīng)過計(jì)算，得到閥塔頂部，空氣間隙中最大電場(chǎng)的位置如圖3所示。

圖3 換流閥頂部空氣間隙中最大電場(chǎng)位置Fig.3 Maximum electric field strength in the top air gap of MMC

組件端部金屬橫梁相連的電流銅排和均壓環(huán)之間的電壓差最大，最高可為12個(gè)子模塊兩端的電壓值之和，即31.2 kV;而銅排和均壓環(huán)之間的最小空氣間隙距離為199.5 mm。最大電場(chǎng)強(qiáng)度出現(xiàn)在出線端電流母排的頂部位置，由于頂部均壓環(huán)的屏蔽作用以及母排自身也采取了圓角的設(shè)計(jì)，因此在該點(diǎn)處最大電場(chǎng)也只有1.13 kV/mm，該值小于空氣的臨界場(chǎng)強(qiáng)。

閥塔頂部均壓環(huán)和頂部子模塊之間的空氣間隙中，電場(chǎng)強(qiáng)度較大。經(jīng)過計(jì)算得到閥塔頂部子模塊和均壓環(huán)之間的電場(chǎng)分布如圖4所示。

圖4 閥塔頂部和均壓環(huán)之間空氣間隙中的電場(chǎng)分布Fig.4 Electric field distribution in air gap between valve top and grading ring

由圖4可以看出:由于均壓環(huán)的作用，電場(chǎng)比較大的區(qū)域集中到了閥塔外側(cè)，最大電場(chǎng)為0.25 kV/mm;在閥塔和均壓環(huán)內(nèi)部的電場(chǎng)是非常均勻的，最大電場(chǎng)值為0.08 kV/mm，最小電場(chǎng)值為0.016 kV/mm。在閥塔頂部電場(chǎng)強(qiáng)度比較小，而且電場(chǎng)分布也均勻，因此該位置處的空氣絕緣性能較好，可以保證進(jìn)線端和均壓環(huán)之間的空氣不會(huì)發(fā)生放電現(xiàn)象。子模塊和控制單元等都會(huì)處于比較穩(wěn)定的電場(chǎng)環(huán)境中。

在閥塔中層間絕緣子起著支撐上下組件的作用，除了對(duì)機(jī)械強(qiáng)度有一定要求外，電氣性能也很重要。層間絕緣子的高度就是換流閥層間空氣間隙的高度。本文中上下組件之間的距離為850 mm，絕緣子兩端最大電位差是12個(gè)子模塊的電壓，最大可以達(dá)到31.2 kV。層間空氣間隙和絕緣子附近空氣間隙中的電場(chǎng)分布如圖5所示。

圖5 閥層間空氣間隙和層間絕緣子附近的電場(chǎng)分布Fig.5 Electric field distribution in air gap or around insulator

屏蔽罩和金屬橫梁是等電位，上下屏蔽罩之間的最小距離為685 mm，最大電場(chǎng)出現(xiàn)在屏蔽罩的頂點(diǎn)處，最大電場(chǎng)值也只有0.2 kV/mm，遠(yuǎn)小于空氣中電場(chǎng)的擊穿場(chǎng)強(qiáng)。由于屏蔽罩對(duì)電場(chǎng)分布具有改善作用，因此金屬橫梁尖角處的電場(chǎng)分布比較均勻。

通過電場(chǎng)計(jì)算可以得出:閥塔層間空氣間隙的絕緣強(qiáng)度可以滿足工程需求。

3 換流閥外部空氣絕緣強(qiáng)度分析

MMC采用了支撐式結(jié)構(gòu)，如圖1所示，本文中閥塔和地面的之間的距離為3 700 mm。閥塔與地面之間空氣絕緣強(qiáng)度的分析是非常重要的。在MMC的絕緣型式試驗(yàn)中，對(duì)支撐結(jié)構(gòu)的耐壓試驗(yàn)是進(jìn)行閥塔支撐絕緣子設(shè)計(jì)的關(guān)鍵步驟。在分析換流閥外部對(duì)地空氣絕緣強(qiáng)度時(shí)，按照絕緣型式試驗(yàn)的條件進(jìn)行計(jì)算。試驗(yàn)中采用的是標(biāo)準(zhǔn)雷電波形1.2/50 μs，電壓峰值為1 175 kV。

雷電沖擊試驗(yàn)條件下，換流閥對(duì)地的最大電場(chǎng)分布如圖6所示。

由圖6可知:在雷電沖擊電壓作用下，換流閥和地面之間最大的電場(chǎng)為1.8 kV/mm，該值已經(jīng)非常接近空氣擊穿場(chǎng)強(qiáng)的臨界值，最大電場(chǎng)的值在屏蔽罩下端位置處。金屬橫梁上的對(duì)地電壓為1 175 kV，金屬橫梁上尖角處是電場(chǎng)比較集中的位置，容易發(fā)生尖端放電或者爬電等現(xiàn)象，屏蔽罩的結(jié)構(gòu)改善了金屬橫梁附近的電場(chǎng)分布。

圖6 雷電沖擊電壓作用下支撐絕緣子附件空氣間隙的電場(chǎng)分布Fig.6 Electric field distribution in air gap around support insulator under lighting impulse voltage

在2個(gè)支撐絕緣子連接處有一定的空氣間隙，在雷電沖擊下，這些很細(xì)微的空氣間隙中有可能承擔(dān)比較大的電場(chǎng)強(qiáng)度，采用均壓罩的設(shè)計(jì)后，電場(chǎng)強(qiáng)度就集中到了均壓罩的外側(cè)，如圖6所示。

由上述結(jié)果可以判斷在換流閥試驗(yàn)和運(yùn)行的過程中，閥塔和地面之間的空氣間隙中不會(huì)發(fā)生放電等絕緣故障。

換流閥運(yùn)行時(shí)，閥塔表面的空氣中存在強(qiáng)電場(chǎng)?？諝獾膿舸┨匦允艿诫妶?chǎng)分布影響，在均勻電場(chǎng)和極不均勻電場(chǎng)中空氣起始放電電壓差距很大。

通過閥塔外表面上的電場(chǎng)分布來分析閥塔外表面空氣絕緣強(qiáng)度。

閥塔x方向外表面和y方向外表面電場(chǎng)分布如圖7所示。

圖7 閥塔外表面電場(chǎng)分布Fig.7 Electric field distribution on valve surface

由圖7可知:在閥塔x方向上的外表面電場(chǎng)分布比較均勻，最大電場(chǎng)和最小電場(chǎng)相差不到4倍，最大電場(chǎng)的位置在閥塔頂部均壓環(huán)外側(cè)，其中最大電場(chǎng)值為0.74 kV/mm。在y方向一側(cè)表面上的電場(chǎng)分布也非常均勻，電場(chǎng)較大的位置主要在端部屏蔽罩的拐角處，其中最大電場(chǎng)值為0.4 kV/mm。由于屏蔽罩的應(yīng)用，改善了金屬部件尖角處的電場(chǎng)，同時(shí)閥塔外側(cè)電場(chǎng)分布均勻，電場(chǎng)強(qiáng)度比較小。

4 閥塔之間空氣絕緣強(qiáng)度分析

閥廳中相鄰的閥塔之間也存在著比較大的電位差，閥塔之間空氣間隙的電場(chǎng)強(qiáng)度是由2個(gè)閥塔共同決定。相鄰閥塔存在2種情況:同一橋臂的閥塔和相鄰橋臂的閥塔。

閥廳中的布局如圖8所示。

圖8 閥廳中閥塔的位置示意圖Fig.8 Location of valve tower in hall

針對(duì)上述2種情況，分別通過電壓的變化分析閥塔之間空氣間隙的絕緣強(qiáng)度。

A+和B+進(jìn)線端1號(hào)閥塔之間中心連線上的電場(chǎng)強(qiáng)度變化如圖9所示。

圖9 A+和B+進(jìn)線端1號(hào)閥塔之間的電場(chǎng)變化趨勢(shì)Fig.9 Change trend of electric field strength between A+and B+terminals in No.1 valve tower

A+和B+相鄰橋臂中1號(hào)閥塔之間的空氣間隙承擔(dān)的電壓可以近似等效為閥側(cè)線電壓值即344 kV，而這 2個(gè)閥塔之間的空氣凈距離為3 700 mm。圖9中:1.5～5.2 m的距離為閥塔之間的空氣間隙，閥塔之間的電場(chǎng)強(qiáng)度在距離A+閥塔中心2 m左右的地方達(dá)到最大電場(chǎng)強(qiáng)度，即0.105 kV/mm。橋臂間電壓最大時(shí)A+和B+閥塔對(duì)地電位符號(hào)相反，因此在空氣間隙中電場(chǎng)互相加強(qiáng)，閥塔之間的電場(chǎng)值均在0.06 kV/mm以上。

A+進(jìn)線端1號(hào)閥塔和2號(hào)閥塔之間中心連線上的電場(chǎng)強(qiáng)度變化如圖10所示。

圖10 A+進(jìn)線端1號(hào)和2號(hào)閥塔之間電場(chǎng)變化趨勢(shì)Fig.10 Change trend of electric field strength between No.1 and No.2 valve towers with A+terminal

在圖10中，1號(hào)和2號(hào)閥塔外側(cè)的空氣凈距離為2 000 mm，空氣間隙中承擔(dān)的電壓差最大約為78 kV。在1號(hào)閥塔屏蔽罩外表面位置即圖10中2.2 m位置附近，達(dá)到最大電場(chǎng)強(qiáng)度，即0.107 kV/mm。2.2～4.2 m的距離為閥塔之間的空氣間隙，同一橋臂的電壓相位相同，因此在空氣間隙中電場(chǎng)具有相互減弱下降的趨勢(shì)。

5 結(jié)論

在本文分析的模塊化多電平柔性直流輸電換流閥的絕緣強(qiáng)度中，層間空氣絕緣、閥塔對(duì)地空氣絕緣、換流閥外表面的空氣介質(zhì)中承擔(dān)的電場(chǎng)強(qiáng)度都能滿足換流閥安全運(yùn)行的要求。由于采用了屏蔽結(jié)構(gòu)，換流閥外表面的電場(chǎng)分布比較均勻。

換流閥層間空氣間隙的絕緣強(qiáng)度決定于子模塊運(yùn)行中的最大電壓值，采用子模塊過壓保護(hù)電壓最大值來進(jìn)行絕緣性能評(píng)估和絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。由于采用了支撐結(jié)構(gòu)，換流閥對(duì)地空氣間隙中的絕緣強(qiáng)度比較關(guān)鍵。極端情況下電場(chǎng)可以比較合理地分析閥塔對(duì)地空氣間隙的絕緣強(qiáng)度，并在此基礎(chǔ)上指導(dǎo)閥塔支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。通過閥塔之間空氣間隙中電場(chǎng)計(jì)算，為閥廳的布局提供了參考。

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