隋彬，曹建軍

(二灘水電開發(fā)有限責(zé)任公司，四川 成都 610031)

1 引言

我國的水力和煤炭資源主要分布在西部，電力負(fù)荷主要在東部。西電東送是我國電力系統(tǒng)的主要格局。輸電容量大、距離長使已有的500kV電壓等級難以支撐，必須發(fā)展更高電壓等級的特高壓輸變電系統(tǒng)。特高壓±800kV級直流輸電代表著當(dāng)今世界輸變電技術(shù)的最高水平，±800kV干式直流套管作為直流輸變電工程中大型電力設(shè)備換流變壓器、平波電抗器的重要組件，以及閥廳穿墻用套管，已成為制約我國特高壓直流輸電發(fā)展的瓶頸。在直流套管方面，代表世界最高技術(shù)水平的ABB公司、SIEMENS公司已具備生產(chǎn)±600kV換流變壓器套管、平波電抗器套管和穿墻套管的技術(shù)。其中ABB公司主要生產(chǎn)高壓直流油浸紙式套管;SIEMENS公司主要生產(chǎn)高壓直流環(huán)氧浸漬干式套管，但都技術(shù)壟斷。

高壓和特高壓換流變壓器設(shè)計(jì)制造的難點(diǎn)在絕緣技術(shù)，而絕緣的關(guān)鍵部位在閥側(cè)出線裝置。閥側(cè)出線裝置指閥繞組引出線與套管連接處的絕緣結(jié)構(gòu)，包括均壓電極和多層紙板圍屏，它與套管密切配合，組成一個(gè)復(fù)雜的油紙絕緣系統(tǒng)，承受著該處嚴(yán)酷的電場應(yīng)力，保障閥繞組端部出線安全引出。

換流變壓器閥側(cè)絕緣在運(yùn)行中要長期承受高幅值的直流和交流工作電壓以及各種過電壓，還要承受啟動、停運(yùn)和極性反轉(zhuǎn)等動態(tài)直流電壓。當(dāng)換流變壓器負(fù)荷和溫度變化引起電阻率變化時(shí)，也會在絕緣中引起動態(tài)直流電氣應(yīng)力。在1976年和1984年的CIGRE文件中都提出:為了考核絕緣的承受能力，換流變壓器出廠時(shí)除進(jìn)行沖擊試驗(yàn)外，還要進(jìn)行長時(shí)直流電壓試驗(yàn)和極性反轉(zhuǎn)試驗(yàn)。前一試驗(yàn)主要代表長期直流工作電壓的作用，后一試驗(yàn)主要代表動態(tài)直流電壓的作用。兩項(xiàng)試驗(yàn)的試驗(yàn)電壓都涉及了交流電壓分量。2000年IEC提出的換流變壓器標(biāo)準(zhǔn)中增加了1h交流電壓試驗(yàn)，以彌補(bǔ)前兩項(xiàng)試驗(yàn)對油隙考核的不足［1］。因此，套管絕緣設(shè)計(jì)的首要目標(biāo)是順利通過這3項(xiàng)試驗(yàn)。

2 套管結(jié)構(gòu)

套管有兩種結(jié)構(gòu):

圖1是HSP公司生產(chǎn)的±800kV GSETF/t的結(jié)構(gòu)圖。

圖1 HSP公司生產(chǎn)的±800kV GSETF/t的結(jié)構(gòu)圖

套管內(nèi)絕緣設(shè)計(jì):(7)為絕緣主體是由特殊皺紋紙?jiān)谡婵障陆n環(huán)氧樹脂，同時(shí)由鋁箔逐步分層，促使主絕緣體電壓分布均勻。

換流變和套管的連接處，由于其復(fù)雜的絕緣結(jié)構(gòu)使得該處的電場和熱場容易不均勻而導(dǎo)致產(chǎn)生局部放電或是擊穿。

本文重點(diǎn)對套管連接處電場和熱場做出分析和研究。

圖2 為ABB公司GGF套管

3 電場分布

通過ANSYS仿真得到電場分布。通過對ANSYS的二次開發(fā)［2］，對套管電場分布得到較為精確的分布。文獻(xiàn)［3－5］對高壓直流套管做了有限元的仿真都是簡單的考慮固定的常數(shù)或是在不同的電阻率比值下的仿真。

直流電場:根據(jù)文獻(xiàn)［6］，得出在直流電壓下電場分布如圖3和4，電場分布主要取決于材料的電阻率，即為阻性分布。

圖3 環(huán)氧樹脂和油的電阻率比為100的時(shí)候的電場分布圖

圖3是套管在選取環(huán)氧樹脂和油的電阻率比為100的時(shí)候的電場分布圖。

圖4是套管在選取環(huán)氧樹脂和油的電阻率比為10的時(shí)候的電場分布圖。

極性反轉(zhuǎn)電場:根據(jù)文獻(xiàn)［3］，得出在極性反轉(zhuǎn)下電場分布如圖5。極性反轉(zhuǎn)開始在120s內(nèi)從－Upr線性反轉(zhuǎn)到+Upr并穩(wěn)定一段時(shí)間。對比仿真計(jì)算結(jié)果可以看出在極性反轉(zhuǎn)試驗(yàn)電壓反轉(zhuǎn)過程中，套管尾部的電場分布規(guī)律比較相似，電容芯子內(nèi)導(dǎo)電桿附近的電場較高，電容芯子導(dǎo)電桿附近極板下端部電場比較集中，套管尾部均壓球附近的電場分布比較集中。其電場強(qiáng)度極大值點(diǎn)出現(xiàn)在均壓球包覆層上下弧面外側(cè)。

圖4 環(huán)氧樹脂和油的電阻率比為10的時(shí)候的電場分布圖

圖5 極性反轉(zhuǎn)下電場分布

4 熱場分布

熱場的分布可以同過有限元的仿真和熱電類比的方法來計(jì)算。對于熱場的有限元仿真還沒有查到相關(guān)的文獻(xiàn)，這里主要介紹熱電類比的方法。

其基本原理如下，若描述2個(gè)物理量的微分方程形式相同，且?guī)缀涡螤詈瓦吔鐥l件相似，則兩者方程的解析解和實(shí)驗(yàn)解可以通用［7］。熱路和電路的物理量滿足上述3個(gè)條件，因此可以參照電路的物理量形式來描述熱路的物理量［8，9］，即熱電類比法。熱路和電路的對照關(guān)系如表1所示。

表1 熱路和電路物理量對照表

根據(jù)熱電類比原理，由U=IR可得θH=qHRH，由I=CdU/dt可得 qH=CHdθH/dt。

基爾霍夫電壓定律和基爾霍夫電流定律同樣可類比到熱路:在任何時(shí)刻，對任一閉合回路對任一結(jié)點(diǎn)，其中，m為閉合回路的結(jié)點(diǎn)數(shù)，z為與結(jié)點(diǎn)相連接的支路數(shù)，θHk和qHj分別為閉合回路結(jié)點(diǎn)k處的溫度和與結(jié)點(diǎn)相連的第j支路的熱流量。

圖6 熱電類比方法模型圖

圖7 套管暫態(tài)的熱分布

根據(jù)以上基本原理可以建立如圖6的熱電類比方法，通過仿真可以得出暫態(tài)的熱分布，結(jié)果如圖7。但是其中的時(shí)間常數(shù)難準(zhǔn)確的得到。文獻(xiàn)［10］提出了穩(wěn)態(tài)的套管熱分布的計(jì)算方法，給出了熱阻的計(jì)算方法，文獻(xiàn)［11］提出了套管瞬態(tài)的熱分布情況，加入了熱容的概念，沒有提出參數(shù)的具體算法，仿真出了瞬態(tài)的熱分布情況。

5 熱電耦合

由于套管芯子在電場的作用下發(fā)熱致使套管熱場發(fā)生變化，電介質(zhì)的電阻率又和溫度有關(guān)系致使電阻改變，電阻的改變致使電場改變，導(dǎo)致一系列的變化。

為了得到溫度對電場的影響，有許多文獻(xiàn)是在不同的溫度下計(jì)算出電阻率再進(jìn)行電場分布的計(jì)算或是仿真，沒有點(diǎn)對點(diǎn)的對整個(gè)流程就行分析。

文獻(xiàn)［10］提出了電熱耦合的解析解，其主要方程為:

得出溫度的大致分布如圖8。

圖8 某時(shí)間點(diǎn)的溫度分布

圖8得到的溫度分布只是某個(gè)時(shí)間點(diǎn)的溫度分布情況，沒有在一個(gè)時(shí)間段里對其分布做出分析。

文獻(xiàn)［2］提出通過對ANSYS的二次開發(fā)，根據(jù)電場、溫度和電導(dǎo)率的關(guān)系對各個(gè)單元的電場進(jìn)行賦值這樣可以比較準(zhǔn)確的得到套管的電場數(shù)值解。但目前還沒有相關(guān)的對熱場的分布的仿真。為此可以對套管的瞬態(tài)熱場分布進(jìn)行仿真，并與文獻(xiàn)［11］得到的結(jié)論進(jìn)行對比。

6 結(jié)論

本文對閥側(cè)套管的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡單的介紹，分別給出了HSP和ABB公司生產(chǎn)的適用于±800kV換流變的閥側(cè)套管結(jié)構(gòu)圖。對直流電壓和極性反轉(zhuǎn)下電場的分布做了分析。最后簡述了國內(nèi)外對套管熱場分布的研究情況，確立可以在ANSYS的基礎(chǔ)上對套管進(jìn)行有限元電熱耦合分析，并分析電熱場最后提供使得套管的絕緣配合到達(dá)最佳的效果的理論依據(jù)。

［1］IEC 61378－2 Converter Transformers－2:Transformers for HVDC applications［S］，2001.

［2］羅隆福.高壓直流穿墻套管非線性電場的求解［J］.高電壓技術(shù)，2002(5):3－5.

［3］劉鵬.極性反轉(zhuǎn)試驗(yàn)中，±800kV換流變壓器套管尾部的電場分布研究［J］.電瓷避雷器，2009(3):1－8.

［4］張瑞峰，劉云鵬，邵士雯.+800kV特高壓直流復(fù)合絕緣子電場有限元分析［J］.華東電力，2011(7):1116－1119.

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［6］Peng Liu，Electric Field Calculation and Structural Optimization of ±800kV Converting Transformer Bushing Outlet Terminal［C］.8th International Conference on Properties and applications of Dielectric Materials，2006:840－843.

［7］劉鑒民.傳熱傳質(zhì)原理及其在電力科技中的應(yīng)用分析［M］.北京:中國電力出版社，2006.

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［9］SWIFT G W，MOLINSKI T S，BRAY R，et al.A Fundamental Approach to Transformer Thermal Modeling-Part II:Field Verification［J］.IEEE Transactions on Power Delivery，2001，16(2):176－180.

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