姚 舒，婁彥濤，王江平，王文奇，梁曉文

(中國(guó)西電電氣股份有限公司 西電電力系統(tǒng)有限公司，西安 710075)

換流閥作為特高壓直流輸電的核心設(shè)備，是實(shí)現(xiàn)交直流電轉(zhuǎn)換的核心功能單元，具有技術(shù)難度高、集成度大、跨學(xué)科領(lǐng)域多、可靠性要求高等技術(shù)特點(diǎn)[1]。

隨著換流閥工程電壓等級(jí)和輸送容量的升高，換流閥損耗增大，冷卻容量也隨之增大，對(duì)換流閥漏水檢測(cè)的可靠性要求也越來越高[2]。漏水檢測(cè)裝置是檢測(cè)特高壓直流輸電換流閥冷卻回路管道是否漏水的重要設(shè)備，換流閥常用的漏水檢測(cè)包括兩種：浮子型漏水檢測(cè)和棱鏡式漏水檢測(cè)。相比棱鏡式漏水檢測(cè)，浮子型漏水檢測(cè)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全性高。隨著換流閥電壓等級(jí)的升高，漏水檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)會(huì)嚴(yán)重影響到換流閥的電場(chǎng)分布，而電場(chǎng)分布的均勻性會(huì)直接影響到換流閥的正常運(yùn)行[3]。本文主要研究浮子型漏水檢測(cè)結(jié)構(gòu)對(duì)換流閥電場(chǎng)分布的影響并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，利用ANSYS仿真軟件對(duì)其進(jìn)行仿真計(jì)算，優(yōu)化后的漏水檢測(cè)裝置已通過絕緣型式試驗(yàn)驗(yàn)證并應(yīng)用于工程。

1 電場(chǎng)計(jì)算原理

1.1 理論方程

在正常工況下，換流閥周圍的工頻電場(chǎng)是準(zhǔn)靜電場(chǎng)，可以近似作為靜電場(chǎng)處理，這些電場(chǎng)的所有場(chǎng)量都不隨時(shí)間變化，只是空間坐標(biāo)的函數(shù)[1]，因而麥克斯韋方程可簡(jiǎn)化為：

×E=0

(1)

×D=ρ

(2)

由方程(1)可知：E=-φ，且D=εE，代入式(2)，則為

·εφ=-ρ

在場(chǎng)域無點(diǎn)電荷分布時(shí)，ρ=0，此時(shí)靜電場(chǎng)的基本方程為：

×εφ=0

(3)

1.2 ANSYS有限元法

有限元分析(Finite Element Analysis，F(xiàn)EA)利用數(shù)學(xué)近似的方法對(duì)真實(shí)物理體系(幾何和載荷工況)進(jìn)行模擬，即將求解域看成是由許多稱為有限元的小的互連子域組成，對(duì)每一單元假定一個(gè)合適的(較簡(jiǎn)單的)近似解，然后推導(dǎo)求解這個(gè)域總的滿足條件(如結(jié)構(gòu)的平衡條件)，從而得到問題的解，用有限數(shù)量的未知量去逼近未知量的真實(shí)系統(tǒng)。

ANSYS軟件是ANSYS公司研制的一款通用有限元分析(FEA)軟件，能夠?qū)⒔Y(jié)構(gòu)、流體、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、聲場(chǎng)融合為一體，本文將采用ANSYS有限元分析軟件對(duì)換流閥底屏蔽電場(chǎng)進(jìn)行仿真計(jì)算。

2 換流閥底屏蔽模型

換流閥的屏蔽裝置主要由三部分組成：頂屏蔽、層屏蔽和底屏蔽。對(duì)于換流閥屏蔽所關(guān)心的是電場(chǎng)強(qiáng)度最大值的分布情況，增加漏水檢測(cè)裝置后僅對(duì)底屏蔽的電場(chǎng)分布產(chǎn)生影響，為了簡(jiǎn)化模型，減少計(jì)算量，故只對(duì)換流閥底屏蔽進(jìn)行建模。閥塔漏水檢測(cè)裝置位于換流閥底屏蔽的中心位置，如圖1所示，用以檢測(cè)換流閥塔管道是否漏水，當(dāng)?shù)灼帘畏e水達(dá)到一定程度，漏水檢測(cè)裝置就會(huì)啟動(dòng)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

圖1 底屏蔽模型

圖2 浮子型漏水檢測(cè)裝置模型

浮子型漏水檢測(cè)裝置主要由三部分組成：浮子、集水裝置和蘑菇頭屏蔽，如圖2所示。蘑菇頭屏蔽用以改善由集水裝置引起的電場(chǎng)變化。

3 邊界條件設(shè)置

建立模型后，選擇ANSYS Maxwell中的靜電場(chǎng)進(jìn)行仿真計(jì)算；建立空氣罩作為邊界，空氣罩大小按照±800kV換流閥閥廳底屏蔽對(duì)地、對(duì)墻的距離進(jìn)行設(shè)置，即距地距離為8米，距離周圍墻壁7米；施加最大直流耐壓試驗(yàn)值為1306kV；利用自適應(yīng)網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格剖分結(jié)果如圖3所示。

圖3 網(wǎng)格剖分結(jié)果

4 換流閥底屏蔽絕緣型式試驗(yàn)下的電場(chǎng)仿真

4.1 電場(chǎng)計(jì)算分析

電場(chǎng)仿真過程中，換流閥屏蔽施加的邊界條件都是絕緣型式試驗(yàn)中的最大值[4]，目的是檢驗(yàn)在最苛刻的運(yùn)行條件下?lián)Q流閥屏蔽的電壓耐受能力，目前對(duì)于換流閥表面電場(chǎng)控制值沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。文獻(xiàn)[5]在設(shè)計(jì)1100kV交流線路復(fù)合絕緣子均壓環(huán)時(shí)，選取2.2MV/m作為表面電場(chǎng)的控制值；文獻(xiàn)[6]在800kV特高壓直流線路復(fù)合絕緣子均壓環(huán)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化研究中，選取2MV/m作為表面電場(chǎng)的控制值；文獻(xiàn)[7]在進(jìn)行高壓直流換流閥廳內(nèi)電場(chǎng)分布計(jì)算時(shí)，選取3.0MV/m作為表面電場(chǎng)的控制值。綜上所述，根據(jù)多年的工程經(jīng)驗(yàn)及參考文獻(xiàn)，本文選取2000kV/m作為換流閥屏蔽表面電場(chǎng)強(qiáng)度的控制值。

圖4 仿真計(jì)算精度

MVU直流耐壓試驗(yàn)中，高壓端底屏蔽承受最大電壓為1306kV，所以在仿真計(jì)算中底屏蔽施加電壓為1306kV。圖4為計(jì)算精度結(jié)果，系統(tǒng)默認(rèn)計(jì)算迭代數(shù)為10。從圖中可知，迭代計(jì)算6次后已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)定值，剖分網(wǎng)格數(shù)約為48.8萬，系統(tǒng)設(shè)置的Energy Error和Delta Energy目標(biāo)值為1%，迭代6次后該值達(dá)到0.38%、0.33%，遠(yuǎn)小于目標(biāo)值，說明計(jì)算結(jié)果的精度滿足要求。

圖5為不帶漏水檢測(cè)裝置的底屏蔽對(duì)地電場(chǎng)分布云圖，其最大電場(chǎng)強(qiáng)度值為1380kV/m；圖6為增加漏水檢測(cè)裝置后底屏蔽對(duì)地電場(chǎng)分布云圖，其最大電場(chǎng)強(qiáng)度值為1890kV/m，最大值出現(xiàn)在漏水檢測(cè)裝置蘑菇頭屏蔽上。很顯然，增加漏水檢測(cè)裝置底屏蔽的電場(chǎng)強(qiáng)度明顯增大，雖然降低了換流閥漏水概率，但是電場(chǎng)強(qiáng)度已接近控制值2000kV/m，增大了屏蔽出現(xiàn)電暈放電的風(fēng)險(xiǎn)，所以必須對(duì)漏水檢測(cè)裝置進(jìn)行改進(jìn)。

圖5 不帶漏水檢測(cè)裝置底屏蔽電場(chǎng)分布云圖

圖6 帶漏水檢測(cè)裝置底屏蔽電場(chǎng)分布云圖

為了改善底屏蔽電場(chǎng)分布，保證換流閥的絕緣性能和安全運(yùn)行，對(duì)浮子型漏水檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。由仿真計(jì)算結(jié)果可知，電場(chǎng)強(qiáng)度最大值出現(xiàn)在漏水檢測(cè)裝置蘑菇頭屏蔽上，為了研究蘑菇頭屏蔽的曲率半徑對(duì)電場(chǎng)分布的影響，分別計(jì)算了漏水檢測(cè)裝置的蘑菇頭屏蔽曲率半徑為25mm、30mm、35mm、40mm時(shí)該處的電場(chǎng)分布情況，如表1所示。

表1 不同曲率半徑下的蘑菇頭屏蔽表面電場(chǎng)強(qiáng)度值

由表1可知，隨著曲率半徑的增大，蘑菇頭屏蔽的電場(chǎng)強(qiáng)度值隨之減小。由此可知，電場(chǎng)強(qiáng)度值與曲率半徑大小成反比，曲率半徑越大，電場(chǎng)強(qiáng)度越小。因此為了改善蘑菇頭屏蔽的電場(chǎng)分布，本文將該處的曲率半徑設(shè)計(jì)為40mm。

圖7 優(yōu)化后帶漏水檢測(cè)裝置底屏蔽電場(chǎng)分布云圖

圖7為優(yōu)化后該處的電場(chǎng)分布云圖。由表1、圖7可知，優(yōu)化后的電場(chǎng)強(qiáng)度值為1670kV/m，即當(dāng)曲率半徑由25mm增加到40mm時(shí)，漏水檢測(cè)裝置的電場(chǎng)強(qiáng)度從1890kV/m減小到1670kV/m，比原模型減小11.6%，在提高漏水檢測(cè)裝置可靠性的同時(shí)，減少電場(chǎng)強(qiáng)度。確保換流閥工程設(shè)備的安全運(yùn)行。

4.2 實(shí)際應(yīng)用

采用優(yōu)化后的浮子型漏水檢測(cè)裝置的換流閥已在國(guó)家高壓電器質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心順利通過絕緣型式試驗(yàn)，并投入實(shí)際工程應(yīng)用(見圖8、圖9)。

圖8 絕緣型式試驗(yàn)圖

圖9 應(yīng)用于工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物圖

5 結(jié)語

由仿真計(jì)算結(jié)果可以得出，增加漏水檢測(cè)裝置后對(duì)底屏蔽的電場(chǎng)分布影響比較大，原漏水檢測(cè)裝置電場(chǎng)強(qiáng)度最大值為1890kV/m，當(dāng)蘑菇頭屏蔽的曲率半徑由原來的25mm增大到40mm時(shí)，漏水檢測(cè)裝置電場(chǎng)強(qiáng)度最大值降為1670kV/m，比原模型減少11.6%。

通過對(duì)比不同曲率半徑下的仿真計(jì)算結(jié)果可以得出：浮子型漏水檢測(cè)裝置蘑菇頭屏蔽的曲率半徑大小直接影響電場(chǎng)強(qiáng)度的大小，曲率半徑越大，電場(chǎng)強(qiáng)度越小。

改進(jìn)后的漏水檢測(cè)裝置降低了換流閥漏水概率，提高了換流閥可靠性，從而保證工程的安全運(yùn)行。

[1] 顏楠楠,傅正財(cái).直流輸電換流閥屏蔽系統(tǒng)的電場(chǎng)分布分析[C]//中國(guó)電工技術(shù)學(xué)會(huì).2010電工測(cè)試技術(shù)學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集.武漢,2010:128-133.

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