祝賀,姜宰東

(東北電力大學 建筑工程學院，吉林 吉林132012)

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±800 kV換流變壓器閥側(cè)電容式直流套管電場分析

祝賀,姜宰東

(東北電力大學 建筑工程學院，吉林 吉林132012)

為研究特高壓直流套管的絕緣性能，建立了±800 kV復合電容式套管有限元模型，用ANSOFT分析軟件對內(nèi)采用絕緣環(huán)氧樹脂絕緣紙和外絕緣采用高溫硫化硅橡膠外套制造的復合電容式套管進行二維電場分析，獲得特高壓直流套管內(nèi)部精確場強分布和電位分布。該結(jié)果表明：套管內(nèi)部環(huán)氧樹脂中的屏障強迫了電位分布，使法蘭附近的電場分布均勻，卻造成法蘭頂端等位線發(fā)生劇烈變化，徑向電位梯度大；法蘭部分與高溫硫化硅橡膠傘裙的接連處電場強度最大，最大值達3.44 MV/m，在特高壓直流運行時最易產(chǎn)生閃絡(luò),是必須注意的問題。

直流套管；有限元分析；電場強度；電容芯子；電位分布

高壓直流套管是直流輸電設(shè)備的重要高端設(shè)備，其安全可靠性對于直流系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行有著重要的意義[1-2]。近年來，隨著高壓直流輸電在全國電網(wǎng)中比例的增加，高壓直流設(shè)備在電力系統(tǒng)中的重要性越來越明顯。在高電壓作用下,絕緣介質(zhì)形成很高的場強，常被電擊穿[3]，電氣設(shè)備絕緣性能破壞[4-6]，導致特高壓直流工程中采用的特高壓直流套管仍然需要國外進口。由此可見，計算絕緣結(jié)構(gòu)中可能出現(xiàn)的最高場強、分析發(fā)生絕緣破壞的根本原因，對特高壓直流套管的制造與設(shè)計具有重要意義[7-9]。

特高壓直流套管不但承受直流、交流電以及套管本身芯子內(nèi)部均壓極板外，還要承受極板外側(cè)絕緣層的影響[10-14]。由于電導率隨溫度變化而變化，特高壓直流套管的電場分布更加復雜[15-16]，容易產(chǎn)生絕緣破壞等問題。為了解決特高壓直流套管絕緣問題，有必要對套管進行電場分布分析[17]。為此，基于麥克斯韋電磁場理論以及麥克斯韋方程組，建立復合式高壓絕緣套管電場的數(shù)學分析模型，考慮電導率和介電常數(shù)對電場分布的影響，并運用ANSOFT軟件對套管內(nèi)部及電容芯子的電場分布進行詳細的數(shù)據(jù)分析，以此來提高絕緣套管的可靠性及可行性。

1 直流套管電場分析理論基礎(chǔ)

1.1 電場分析數(shù)學模型

特高壓套管為嚴格的軸對稱結(jié)構(gòu)，其模型求解可歸結(jié)為二維軸對稱靜電場邊值問題，利用麥克斯韋方程組的微分形式來描述準靜態(tài)場中的電場方程,即

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：ε為相對介電常數(shù)，F(xiàn)/m；γ為電導率，S/m。當介質(zhì)電導率γ和相對介電常數(shù)ε都是常數(shù)時，介質(zhì)為線性介質(zhì)。

由式(1)至(5)可以看出，介質(zhì)存在自由電荷引起的傳導電流和位移電流，電場分布由介電常數(shù)和電阻率同時決定。

由電磁場基本理論可知，電介質(zhì)在交流電壓激勵下，介質(zhì)中的傳導電流很小，與位移電流相比可以忽略不計，所以交流電壓激勵下介質(zhì)內(nèi)部的場強可以認為只與介電常數(shù)有關(guān)，材料的電阻率對電場分布的影響可以忽略不計。在直流電壓作用下，套管場域為電流傳導場，介質(zhì)內(nèi)部場強分布只與電阻率有關(guān)。

靜電場域中電位與電場的關(guān)系為

(6)

式中φ為整個場域中的電網(wǎng)函數(shù)。

由式(1)至(6)得到電準靜態(tài)場中的電位方程描述為

(7)

傳導電流、電介質(zhì)對場域中電位分布的影響可用于求解任何場源激勵下電介質(zhì)中的線性電場電位分布。

1.2 電場計算的邊界條件及電場特點

1.2.1 電場計算的邊界條件

電磁場理論中，電場具有三類邊界條件[18]，本文采用第一類狄利克萊(Dirichlet)邊界條件，即已知邊界條件上的電位值為

(8)

第二類邊界條件在有限元計算時會自動滿足變分條件；第三類為混合邊界條件，即第一類邊界和第二類邊界的線性組合，在高壓電器分析中不存在第三類邊界條件，所以實際計算時，只需要定義第一類邊界條件。

1.2.2 高長徑比場域

套管為細長結(jié)構(gòu)，特高壓套管長徑比更大，對該結(jié)構(gòu)所建立的電場分析區(qū)域稱之為高長徑比場域。

1.2.3 邊界等效處理

電場分析的區(qū)域為無限空間，用ANSOFT遠場邊界來近似等效無限遠空間，邊界等效的處理對精確的電場分析起到關(guān)鍵作用。

2 特高壓直流套管電場分析

2.1 特高壓套管電場分析仿真模型建立

本文研究的±800kV換流變壓器套管用于直流系統(tǒng)中環(huán)流變壓器閥側(cè)出線及其絕緣，套管內(nèi)部采用環(huán)氧樹脂內(nèi)絕緣的同時充入一定壓力的SF6氣體，外絕緣采用高溫硫化硅橡膠傘裙作為保護。由于套管頂部出線裝置結(jié)構(gòu)復雜，設(shè)計了均壓罩保護，在套管內(nèi)部SF6氣體中設(shè)計均壓罩避免氣體放電，為防止電場局部集中，在環(huán)氧樹脂中設(shè)置鋁箔內(nèi)屏蔽，環(huán)氧樹脂內(nèi)屏與導桿相連，末屏連接法蘭。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 特高壓直流套管2D電場計算模型

±800 kV復合電容式特高壓直流套管由環(huán)氧樹脂內(nèi)絕緣、高溫硫化硅橡膠傘裙外絕緣、內(nèi)部充入氣體、中心導桿以及金屬連接構(gòu)件所組成，所用材料的計算參數(shù)見表1。

表1 材料的計算參數(shù)

材料名稱相對介電常數(shù)電導率/(S·m-1)銅20001.75×108環(huán)氧樹脂3.93.9×10-12硫化硅橡膠4.51×10-12變壓器油2.22×10-13SF61.0021×1020

2.2 特高壓直流套管網(wǎng)格劃分

變壓器套管為細長結(jié)構(gòu)，絕緣結(jié)構(gòu)復雜，雖然對模型做了適當簡化，但是小尺寸結(jié)構(gòu)部位依然很多，經(jīng)過大量修改，運用單元尺寸與線段網(wǎng)格控制等多種網(wǎng)格控制手段，并對網(wǎng)格局部細化，得到全部模型網(wǎng)格剖分總個數(shù)47 562，最大和最小尺寸相差近15倍，局部網(wǎng)格細節(jié)如圖2所示。

圖2 頂部屏蔽罩網(wǎng)格劃分

圖3 變壓器油網(wǎng)格劃分

根據(jù)GB/T 22674—2008《直流系統(tǒng)用套管》規(guī)定，換流變壓器套管需要進行直流耐壓試驗，激勵電壓值

(9)

式中： Udc為直流耐受試驗電壓值；N為連接從直流導線中性點與換流變套管整流橋的一系列六脈動橋數(shù)；Udc,m為每個閥橋的最高直流電壓；Uac,m為安裝套管的換流變壓器閥繞組的最大交流運行線電壓。直流套管的試驗電壓幅值是與其相連換流變壓器試驗數(shù)值的1.15倍，根據(jù)文獻《特高壓直流電氣設(shè)備》中的試驗電壓數(shù)值，得到Udc=960kV。

3 直流套管電場分析結(jié)果

3.1 電位分布

中心導桿施加的直流耐壓試驗值為960kV，接地法蘭施加電壓為0kV,環(huán)氧樹脂內(nèi)屏與導桿相連為高電位，末屏與法蘭相連為零電位，根據(jù)施加的邊界條件，計算的電位分布如4圖所示。

圖4 特高壓直流套管電位分布

由圖4可知，由于環(huán)氧樹脂中的屏障強迫了電位分布，法蘭附近的電場分布均勻，但是法蘭兩部頂端等位線發(fā)生劇烈變化，徑向電位梯度大。變壓器油、頂部均壓罩、套管內(nèi)部均壓裝置和SF6氣體保護了套管內(nèi)部結(jié)構(gòu)，外側(cè)等位線較密集。

由于介質(zhì)電氣特性不同，在介質(zhì)交界面會造成交界面兩側(cè)電場強度不同。由電位分布局部圖可以看出，特高壓直流套管的絕緣芯子起到了很好的降低電壓的作用，從中心導桿到法蘭，特高壓直流套管電位在0.425 m的距離內(nèi)從高電位降至零電位，法蘭附近的環(huán)氧樹脂電場強度較大，電場分布不均勻，特高壓直流套管頂部電位分布與電容芯子處的電分布如圖5、圖6所示。

圖5 特高壓直流套管頂部電位分布

圖6 特高壓直流套管電容芯子電位分布

由電位分布的細節(jié)圖5、圖6可以觀察到，等位線在套管內(nèi)部的交界面處易發(fā)生變化，在直流電場分析中，為兩種介質(zhì)電導率的反比。設(shè)特高壓直流套管中各層極板為懸浮電位，計算得到特高壓直流套管各層極板上的電位如圖7所示。

從圖7可知，在直流電壓作用下，層極板與導桿相連，電位最高為960 kV,最外層極板與法蘭相連電位為0 kV，由于內(nèi)絕緣環(huán)氧樹脂的電導率低，所以直流電壓作用下的大部分電壓主要作用在各層級板上。

3.2 電場強度分布

計算特高壓直流套管中電場強度后，到了特高壓套管接地法蘭附近的最大場強分布如圖8所示。

從圖8可看到，法蘭表面電場強度云圖層次分明,法蘭與套管傘裙的交接處電場強度最大 ,最大場強為3.44 MV/m，并且沿傘群方向逐漸降低，電場分布不均，此處最容易發(fā)生絕緣問題。

如圖9所示，當法蘭與傘裙連接后，表面場強迅速下降，距離法蘭1 m處電場強度下降0.46 MV/m。在直流電壓作用下，在絕緣介質(zhì)交界面處容易發(fā)生電場強度的畸變，此處是薄弱環(huán)節(jié)，最易發(fā)生閃絡(luò)，在設(shè)計制造時應(yīng)注意絕緣問題發(fā)生。

圖9 法蘭處電場強度分布曲線

頂部均壓罩下端與絕緣外套相接處電場強度如圖10所示，套管場強最大值位于頂部均壓罩與傘裙相接處，最大值為0.4 MV/m,且沿著傘裙方向場強逐漸減小。

圖10 均壓罩下端場強分布

圖11 均壓罩下端場強分布曲線

從計算結(jié)果可知，在高壓套管頂部均壓罩與絕緣外套相接處電場強度易發(fā)生突變，但此處的電場強度值最大值為0.40 MV/m，遠小于空氣的擊穿場強，套管絕緣外套表面場強最大值發(fā)生在傘裙與法蘭相接處，該處電場值最高可達到3.44 MV/m,是套管表面場強的薄弱點，在此處易發(fā)生閃絡(luò)等絕緣破壞，所以在設(shè)計和制造時應(yīng)注意此類問題的發(fā)生。

4 結(jié)束語

a) 本文采用±800 kV復合電容式直流套管作為研究對象，內(nèi)絕緣采用環(huán)氧樹脂的同時充入SF6氣體作為保護，在考慮多種絕緣材料的電導率情況下對特高壓直流套管進行電場分析，在直流場中，介質(zhì)交界面兩側(cè)場強與材料電導率為反比關(guān)系。

b) 復合電容式特高壓直流套管中的法蘭部分與高溫硫化硅橡膠傘裙的接連處電場強度最大，此處最容易發(fā)生閃絡(luò)，最大場強值可達到 3.44 MV/m， 在設(shè)計制造時應(yīng)注意此類絕緣問題的發(fā)生。

c) 特高壓直流套管頂部電場分布不均勻，易發(fā)生電場突變，特高壓套管頂部的均壓罩可有效降低出線端最大場強，增大了套管發(fā)生絕緣破壞的安全裕度。

d) 復合電容式套管內(nèi)部環(huán)氧樹脂中的屏障強迫了電位分布，使電容芯子內(nèi)部電場分布均勻，但是屏障兩端的等位線變化幅度較高，電容芯子徑向電位梯度較大。

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(編輯 王夏慧)

Electric Field of Capacitive DC Bushing at ±800 kV Converter Transformer Valve Side

ZHU He, JIANG Zaidong

(Institute of Civil Engineering, Northeast Dianli University, Jilin, Jilin 132012, China)

In order to study insulation performance of ultra-high voltage DC bushing, this paper establishes a finite element model for ±800 kV composite capacitor bushing and uses ANSOFT analysis software for 2D electric field analysis on the composite capacitor bushing which uses epoxy resin insulation paper for internal insulation and high-temperature vulcanizing silicone rubber coat for external insulation. It obtains precise electric field strength distribution and potential distribution inside the ultra-high voltage DC bushing. Results indicate the epoxy resin barrier inside the bushing forces potential distribution that not only causes homogeneous distribution of electric field near the flange but also make equipotential lines on the top of flange change greatly and gradient of radial potential large. It also discovers electric field at the joint of flange and high-temperature vulcanizing silicone rubber umbrella skirt is the most intensive and the maximum value is 3.44 MV/m. In addition, it points out to pay attention to one problem of flashover at the moment of ultra-high voltage DC operation.

DC bushing; finite element analysis; electric field strength; capacitor core; potential distribution

2016-06-26

吉林省教育廳“十二五”科學技術(shù)研究項目(2015252).吉林市科技創(chuàng)新發(fā)展計劃項目(201464058)

10.3969/j.issn.1007-290X.2016.10.017

TM85

A

1007-290X(2016)10-0097-05

祝賀(1978)，男，黑龍江訥河人。教授，碩士生導師，工學博士，研究方向為電網(wǎng)運行設(shè)備檢測及故障修復新技術(shù)。

姜宰東(1991)，男，吉林德惠人。在讀碩士研究生，研究方向為輸電工程特高壓絕緣。