賈　偉　牛萬宇　王幫田　黃曄礦　王金芳

（許繼集團(tuán)有限公司，河南 許昌 461000）

±1100kV直流閥廳金具電場(chǎng)仿真設(shè)計(jì)

賈偉牛萬宇王幫田黃曄礦王金芳

（許繼集團(tuán)有限公司，河南 許昌 461000）

閥廳金具作為直流輸電工程換流站閥廳設(shè)備電氣連接及固定用裝置，連接和組合換流站閥廳電力系統(tǒng)中各類裝置，以傳遞機(jī)械、電氣負(fù)荷及實(shí)現(xiàn)某種防護(hù)作用。其表面電暈直接影響著閥廳及其設(shè)備的表面電場(chǎng)分布，對(duì)其表面電場(chǎng)進(jìn)行仿真具有重要意義。本文基于Infolytica ElecNet電場(chǎng)仿真軟件對(duì)閥廳金具電場(chǎng)仿真影響因素空氣包大小、電極長(zhǎng)短進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：隨著空氣包的增大，其表面電場(chǎng)逐漸減少，直至趨于一穩(wěn)定值；金具表面電場(chǎng)與電極長(zhǎng)度無關(guān)，其影響可忽略不計(jì)。根據(jù)研究成果給出了±1100kV直流閥廳金具管母外接頭電場(chǎng)仿真結(jié)果，對(duì)±1100kV特高壓直流輸電工程閥廳金具的研制具有重要指導(dǎo)作用。

Infolytica；±1100kV；特高壓直流輸電；閥廳金具；管母外接頭；表面電場(chǎng)

換流站閥廳金具作為連接閥廳各類電氣設(shè)備之間的裝置，是直流輸電工程換流站中不可缺少的設(shè)備。承擔(dān)著各類電氣設(shè)備之間的電氣交換及支撐防護(hù)作用，其關(guān)鍵技術(shù)一直被國(guó)外廠家掌握，產(chǎn)品嚴(yán)重依賴進(jìn)口，特別是±800kV以上特高壓直流輸電工程閥廳金具的供應(yīng)一直被RIBE公司所壟斷，價(jià)格昂貴其難以服務(wù)到位，嚴(yán)重制約著換流變壓器研制的自主化、國(guó)產(chǎn)化，對(duì)其進(jìn)行國(guó)產(chǎn)化研制具有重大意義。

目前，國(guó)內(nèi)南京線路器材廠、四平線路器材廠已完成±800kV特高壓直流輸電工程閥廳金具的研究，但尚未工程業(yè)績(jī)，對(duì)于±1100kV閥廳金具國(guó)內(nèi)外均處于研究階段。

其制約因素主要為閥廳金具表面電場(chǎng)的確定。國(guó)外RIBE公司作為世界上最早從事金具研究和生產(chǎn)的公司之一，對(duì)直流閥廳金具研究較早，其生產(chǎn)的閥廳金具不僅在國(guó)外市場(chǎng)處于壟斷地位，在中國(guó)±800kV直流輸電工程也處于絕對(duì)壟斷地位。RIBE公司通過與杜伊斯堡-埃森大學(xué)合作，對(duì)±800kV直流輸電工程閥廳金具表面電場(chǎng)進(jìn)行了深入研究，并通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證［11-16］，其研發(fā)產(chǎn)品已在向上、錦屏、浙溪、糯扎渡等±800kV直流輸電工程進(jìn)行了廣泛應(yīng)用。但其公開發(fā)表的文獻(xiàn)較少，其可參考的文獻(xiàn)目前主要是試驗(yàn)報(bào)告。

國(guó)內(nèi)武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院王棟、杜志葉等通過對(duì)換流站閥廳系統(tǒng)進(jìn)行建模，采用靜電場(chǎng)瞬時(shí)加載法，通過Matlab對(duì)閥廳內(nèi)部全模型進(jìn)行了電場(chǎng)仿真，通過仿真技術(shù)可以得到閥廳內(nèi)部電場(chǎng)分布云圖，并通過云圖查看閥廳內(nèi)部金具電場(chǎng)分布情況，對(duì)閥廳內(nèi)部金具總體布局控制具有一定的指導(dǎo)意義［18-20］，但對(duì)具體單個(gè)閥廳金具表面電場(chǎng)設(shè)計(jì)控制采用此方法不太合適。

Infolytica有限元分析軟件因其在磁場(chǎng)、電場(chǎng)、熱場(chǎng)等仿真方面的優(yōu)異表現(xiàn)，被ABB、H. Weidmann AG、AREVA T&D、中國(guó)西電集團(tuán)、中國(guó)電力科學(xué)院、西安交通大學(xué)等國(guó)內(nèi)外單位采用，并根據(jù)仿真研究發(fā)表了大量研究成果［6-10］，其對(duì)具體設(shè)備表面電場(chǎng)仿真具有一定優(yōu)勢(shì)。本文基于Infolytica ElecNet電場(chǎng)仿真軟件對(duì)單個(gè)具體閥廳金具電場(chǎng)仿真影響因素進(jìn)行了研究，并根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)公司2011年5月份頒布的《±1100千伏特高壓直流輸電工程設(shè)備研制技術(shù)規(guī)范-套管冊(cè)》技術(shù)規(guī)范，結(jié)合在高壓直流輸電工程方面的現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，給出了準(zhǔn)東-重慶±1100kV特高壓直流輸電工程閥廳管母外接頭電場(chǎng)仿真結(jié)果，以供換流站閥廳金具設(shè)計(jì)參考。

1　金具電場(chǎng)仿真影響因素

基于Infolytica ElecNet電場(chǎng)分析軟件特點(diǎn)［6］，根據(jù)特高壓直流閥廳結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及運(yùn)行方式［18-20，23，25，27］，其電場(chǎng)仿真影響因素主要有：

1）仿真電壓。為電場(chǎng)仿真所施加電壓，取決于金具本身設(shè)計(jì)電壓，仿真時(shí)為定值。

2）金具結(jié)構(gòu)及布置。為電場(chǎng)仿真所加載模型，取決于金具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，一般仿真前確定，仿真時(shí)為定值。

3）金具材料屬性。為電場(chǎng)仿真所加材料，靜電場(chǎng)仿真時(shí)主要與材料相對(duì)介電常數(shù)有關(guān)，由其材料本身屬性決定，仿真時(shí)為定值。

4）空氣包大小。為電場(chǎng)仿真時(shí)設(shè)備（金具）周圍空氣范圍，取決于閥廳設(shè)計(jì)（為保證人員安全，必須保證金具放電安全距離），仿真時(shí)空氣包接地。其大小取決于閥廳空間大小及金具對(duì)地（墻）距離，大小變化影響金具仿真結(jié)果，實(shí)際仿真時(shí)取金具對(duì)地（墻）最小距離。

5）電極長(zhǎng)短。為電場(chǎng)仿真電壓導(dǎo)體加載體，影響空氣包軸向長(zhǎng)度，與金具所連接設(shè)備之間所連接導(dǎo)體有關(guān)。

6）接地方式。為電場(chǎng)仿真零電位連接方式，其接地方式不同直接影響著仿真結(jié)果，仿真時(shí)以金具實(shí)際接地為準(zhǔn)，根據(jù)閥廳金具布置特點(diǎn)，本文重點(diǎn)研究空氣包接地方式對(duì)其影響，即空氣包接地。

由上可知，仿真電壓、金具結(jié)構(gòu)及布置、金具材料屬性由產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及材料決定，為產(chǎn)品本身屬性，仿真時(shí)直接給出，為定值，由設(shè)計(jì)決定，電場(chǎng)仿真時(shí)直接根據(jù)設(shè)計(jì)加載。空氣包大小、電極長(zhǎng)短、接地方式由電場(chǎng)仿真加載決定，其加載方式不一樣，仿真結(jié)果就會(huì)不一樣，為變量，由仿真加載方式?jīng)Q定，仿真時(shí)需要根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及布置，按照產(chǎn)品實(shí)際運(yùn)行情況選擇合適的加載方式進(jìn)行仿真。

根據(jù)上述分析，本文將驗(yàn)證空氣包大小、電極長(zhǎng)短、接地方式對(duì)閥廳金具仿真時(shí)的影響。

2　仿真模型

換流站閥廳金具作為連接閥廳各類電氣設(shè)備之間的裝置。常見主要有外接頭、內(nèi)接頭、管母連接金具、球防護(hù)連接金具、均壓環(huán)防護(hù)連接金具，以及其他軟連接金具等，其主要起連接、支撐和防護(hù)作用，連接時(shí)又要兼顧防護(hù)［21-27］。本文主要研究基于Infolytica ElecNet電場(chǎng)分析軟件的金具電場(chǎng)仿真影響因素，為清晰的表現(xiàn)其影響情況，本文采用常見的管母與管母連接金具進(jìn)行研究分析說明［17-26］。

本文按照糯扎渡工程江門換流站428金具點(diǎn)位，并參照文獻(xiàn)［12］RIBE公司《Corona Tests on 800kV Busbar Connectors （DC Test）》關(guān)于管母線外接頭試驗(yàn)布置圖1、圖2進(jìn)行模型設(shè)置。

圖1　外接頭試驗(yàn)全景圖

圖2　試驗(yàn)布置圖

具體為，本文以閥廳帶環(huán)428金具為例進(jìn)行分析，結(jié)構(gòu)如圖3所示，管母外徑為φ 450mm，均壓環(huán)外徑為φ 2000mm，管母長(zhǎng)度由加載條件決定。

圖3　428金具仿真模型

3　電極長(zhǎng)短對(duì)電場(chǎng)仿真的影響

1）加載條件

（1）仿真電壓：直流1500kV。

（2）金具布置情況：如圖4所示。

（3）金具材料屬性：見表1。

（4）空氣包大?。嚎諝獍霃饺?3m。

（5）電極長(zhǎng)短：見表2（軸向長(zhǎng)度）。

（6）接地方式：空氣包接地。

表1　仿真模型零件材料

圖4　仿真加載圖

加載條件說明：除電極長(zhǎng)短為變量外，其他參數(shù)均為定值；仿真電壓參照文獻(xiàn)［28-30］要求，對(duì)1100kV閥廳金具取直流電壓1500kV，為消除空氣包大小對(duì)電場(chǎng)仿真結(jié)果的影響，依據(jù)下文空氣包大小對(duì)電場(chǎng)仿真結(jié)果的影響結(jié)論，本文空氣包大小取18m。

特別說明：由本類金具結(jié)構(gòu)可知，電極長(zhǎng)短即管母長(zhǎng)短，為便于論述，如無特殊說明，下文管母長(zhǎng)度即代表電極長(zhǎng)度。

2）仿真結(jié)果

仿真結(jié)果如表2及圖5、圖6所示。

表2　仿真模型表面最大電場(chǎng)值

圖5　仿真電位圖

圖6　仿真結(jié)果

根據(jù)對(duì)圖5、圖6及表2分析可知：

（1）由圖5知，直流電壓下，最高電位集中于均壓環(huán)外表面，隨著距離外表面距離的增加，電位逐漸減少，直至降為零，最高電壓與所加電壓一致，下文同理，不再論述。

（2）由圖6可知，最大電場(chǎng)位于均壓環(huán)外表面，同時(shí)隨著距離均壓環(huán)外表面的距離增加，電場(chǎng)逐漸減少，與圖5電位分布一致。

（3）由圖6及表2可知，隨著管母長(zhǎng)度的增加，其均壓環(huán)表面最大電場(chǎng)變化很小，基本上位置在20kV/cm，考慮到仿真誤差，可認(rèn)為電場(chǎng)沒有變化，即在誤差范圍內(nèi)，可認(rèn)為管母長(zhǎng)短對(duì)其電場(chǎng)分布沒有影響。

3）結(jié)論

由上述分析可知，最大電場(chǎng)分布與電位分布有關(guān)，與電極長(zhǎng)短無關(guān)，最高電位與所加電壓一致，即在同一仿真條件下，電壓不變，最大電場(chǎng)分布與電極長(zhǎng)短無關(guān)?？紤]到仿真效率及實(shí)際情況，建議仿真時(shí)，管母長(zhǎng)短按照模型實(shí)際長(zhǎng)短進(jìn)行選取，當(dāng)管母長(zhǎng)度大于10m時(shí)，建議管母長(zhǎng)度取10m。

4　空氣包大小對(duì)電場(chǎng)仿真的影響

1）加載條件

（1）仿真電壓：直流1500kV。

（2）金具布置情況：如圖7所示。

（3）金具材料屬性：見表1。

（4）空氣包大?。阂姳?。

（5）電極長(zhǎng)短：10m。

（6）接地方式：空氣包接地。

特別說明：由圖1和圖2可知，實(shí)際中空氣包是立方體，為方便建模，本文以圓柱體代替，其中圓柱直徑取矩形對(duì)地最小邊長(zhǎng)度。

圖7　仿真加載圖

2）仿真結(jié)果

仿真結(jié)果如表3及圖8、圖9所示。

圖8　仿真結(jié)果

圖9　直流電壓下最大電場(chǎng)特性曲線

表3　仿真模型表面最大電場(chǎng)值

根據(jù)圖8、圖9及表3分析可知：

（1）由圖8可知，最大電場(chǎng)位于均壓環(huán)外表面，同時(shí)隨著距離均壓環(huán)外表面的距離增加，電場(chǎng)逐漸減少。

（2）由圖8、圖9及表3可知，空氣包大小不同，最大電場(chǎng)不同，隨著空氣包外徑的增加，其均壓環(huán)表面最大電場(chǎng)變化越來越小。由此可知，電場(chǎng)與空氣包大小有關(guān)，并隨著空氣包逐漸增加，最終電場(chǎng)趨于一穩(wěn)定值。

（3）由圖8（f）、（g）、（h）及圖9可知，當(dāng)空氣包外徑在16m、18m、20m時(shí)，均壓環(huán)外表面電場(chǎng)變化很小，考慮到仿真誤差，可認(rèn)為，最大電場(chǎng)在空氣包外徑為18m時(shí)達(dá)到穩(wěn)定值，不再變化。

3）結(jié)論

由上述分析可知，電場(chǎng)分布與空氣包大小有關(guān)，當(dāng)空氣包大小增大到18m時(shí)，均壓環(huán)表面電場(chǎng)最大值不再變化。建議仿真時(shí)，當(dāng)金具所處空間小于18m時(shí)，需考慮空氣包大小，仿真時(shí)按照實(shí)際大小進(jìn)行空氣包建模；當(dāng)所處空間大于18m時(shí)，空氣包外徑大小取18m。

5　準(zhǔn)東-重慶±1100kV特高壓直流輸電工程閥廳管母線外接頭電場(chǎng)仿真設(shè)計(jì)

基于上述分析及結(jié)論，結(jié)合準(zhǔn)東-重慶±1100kV特高壓直流輸電工程特點(diǎn)，就準(zhǔn)東-重慶±1100kV特高壓直流輸電工程閥廳管母線外接頭加載條件，給出以下建議，供閥廳金具設(shè)計(jì)參考。

1）仿真電壓

按照文獻(xiàn)［28］技術(shù)規(guī)范規(guī)定，準(zhǔn)東-重慶最高連續(xù)直流電壓Umax為1122kV。按照文獻(xiàn)［30］電暈試驗(yàn)要求，試驗(yàn)電壓為金具最大運(yùn)行電壓的125%，則電暈試驗(yàn)電壓Ud為1402.5kV，考慮到安全裕度，本文取設(shè)計(jì)電壓為1500kV。

2）電極長(zhǎng)短

建議根據(jù)管母實(shí)際長(zhǎng)度進(jìn)行選取，本文仿真時(shí)取10m。

3）空氣包大小

由文獻(xiàn)［23］可知，±1100kV特高壓直流輸電工程操作沖擊電壓為2100kV，按照文獻(xiàn)［29］，考慮到安全裕度1.5，計(jì)算得±1100kV高端閥廳金具對(duì)地距離不小于20m，按照本文第4節(jié)分析結(jié)論，考慮到電場(chǎng)仿真時(shí)，空氣包外徑達(dá)到18m時(shí)，電場(chǎng)已無變化，本文取空氣包大小為18m。

4）仿真模型

管母外徑450mm，外接頭外徑530mm。

5）金具布置

金具布置如圖10所示。

圖10　仿真加載圖

6）其他加載條件

其他加載條件同本文第4節(jié)加載條件。

7）仿真結(jié)果

仿真結(jié)果如圖11所示。

圖11　仿真結(jié)果

由圖11可知，在直流1500kV電壓下，450mm的管母，在管母外接頭外徑為530mm情況下，最大電場(chǎng)位于抱箍邊界處，其值約為19.1kV/cm，小于20kV/cm，供閥廳金具管母外接頭設(shè)計(jì)參考。

6　結(jié)論

1）本文對(duì)閥廳金具電場(chǎng)仿真影響因素進(jìn)行了研究分析，結(jié)果表明，基于Infolytica ElecNet電場(chǎng)分析軟件對(duì)閥廳金具進(jìn)行電場(chǎng)仿真時(shí)需考慮電極長(zhǎng)短、空氣包大小對(duì)電場(chǎng)仿真的影響。

2）最大電場(chǎng)分布與電位分布有關(guān)，與電極長(zhǎng)短無關(guān)，最高電位與所加電壓一致，即在同一仿真條件下，電壓不變，最大電場(chǎng)分布與電極長(zhǎng)短無關(guān)。

3）隨著空氣包逐漸增大，金具表面電場(chǎng)逐漸減少，直至趨于一穩(wěn)定值。

4）根據(jù)研究結(jié)果，結(jié)合±1100kV特高壓直流輸電工程實(shí)際情況，給出了準(zhǔn)東-重慶±1100kV特高壓直流輸電工程閥廳金具外接頭仿真結(jié)果，供± 1100kV特高壓直流輸電工程閥廳金具電場(chǎng)設(shè)計(jì)時(shí)參考。

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Electric Field Simulation for ±1100kV DC Valve Hall Fittings

Jia Wei Niu Wanyu Wang Bangtian Huang Yekuang Wang Jinfang
（XJ Group Corporation， Xuchang， He'nan 461000）

The valve hall fittings as HVDC converter stations valve hall equipment electrical connections and fixing devices ， connections and combinations converter station valve hall all types of power system devices to transfer mechanical， electrical load and achieve some kind of protection. It is important to study distribution simulation of its surface electric field on account of a direct impact on its surface corona valve hall and its equipment surface electric field. Based on Infolytica ElecNet electric field simulation software， we investigated air packet size， electrode length. The results show that： with the increase of the air bag， the surface electric field decreases， until tends to a constant value； it has nothing to do with the length of the electrode. According to the research results，we provide electric field simulation results of ±1100kV DC valve hall fittings busbar coupler， the results have an important role in guiding to develop ±1100kV UHV DC transmission project valve hall fittings.

infolytica； ±1100kV； UHV DC； valve hall fittings； busbar coupler； surface field

賈 偉（1965-），男，碩士，高級(jí)工程師，主要從事高、低壓成套開關(guān)設(shè)備以及特高壓直流輸電直流場(chǎng)設(shè)備的研發(fā)主持工作。