奚晶亮，劉成柱，王國(guó)金，張?jiān)氯A，張 猛，王銀嶺

(北京電力設(shè)備總廠有限公司，北京 102401)

1 概述

隨著電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展，直流輸電技術(shù)日趨成熟，可靠性日益提高?！?100 kV電壓等級(jí)的直流工程與現(xiàn)在已投運(yùn)的±800 kV直流工程相比，它的輸電容量提升50%，經(jīng)濟(jì) 輸 電 距 離 由 原 來(lái) 的2000 km提 升 到3000～5000 km，大幅提高了直流輸電效率和輸電走廊利用率，節(jié)約了土地資源。

平波電抗器作為直流輸電不可或缺的主設(shè)備之一，肩負(fù)著抑制換流器直流側(cè)電流和電壓脈動(dòng)等重要作用。隨著直流系統(tǒng)電壓等級(jí)提升至±1100 kV，平波電抗器表面電場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)一步升高，發(fā)生電暈放電的可能性增大。當(dāng)采用戶內(nèi)布置時(shí)，如果平波電抗器表面電場(chǎng)強(qiáng)度過(guò)高，會(huì)使得平波電抗器對(duì)閥廳的鋼結(jié)構(gòu)放電，會(huì)對(duì)閥廳內(nèi)所有設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生不利影響。為消除電暈放電影響，就需要擴(kuò)大閥廳的結(jié)構(gòu)高度和寬度，以增大平波電抗器對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的絕緣凈空間隙，這就會(huì)造成閥廳建設(shè)成本的增加。因此，合理設(shè)計(jì)和布置均壓屏蔽裝置對(duì)于控制戶內(nèi)布置的平波電抗器表面電場(chǎng)強(qiáng)度就顯得尤為重要。

本文結(jié)合對(duì)±800 kV平波電抗器均壓屏蔽裝置表面電場(chǎng)分布的研究成果，針對(duì)±1100 kV平波電抗器的均壓屏蔽裝置在均壓環(huán)管徑、安裝節(jié)徑、布置位置等方面進(jìn)行了研究和優(yōu)化。利用ANSYS MAXWELL有限元分析軟件，建立平波電抗器的整體三維計(jì)算模型，分析均壓屏蔽裝置中不同位置均壓環(huán)的表面電場(chǎng)強(qiáng)度分布規(guī)律，為±1100 kV平波電抗器均壓屏蔽裝置的設(shè)計(jì)提供參考。

2 平波電抗器均壓屏蔽裝置設(shè)計(jì)

2.1 電暈放電現(xiàn)象

當(dāng)在電極兩端加上較高但未達(dá)擊穿的電壓時(shí)，如果電極表面附近的局部電場(chǎng)很強(qiáng)，則電極附近的氣體介質(zhì)會(huì)被局部擊穿而產(chǎn)生電暈放電現(xiàn)象。當(dāng)電極的曲率半徑很小時(shí)，其附近的場(chǎng)強(qiáng)特別高，很容易發(fā)生電暈放電。

2.2 電暈產(chǎn)生的機(jī)理

電暈即局部放電，是指當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)某一臨界值時(shí)，在絕緣系統(tǒng)中氣體瞬時(shí)電離引起的一種局部放電現(xiàn)象。電暈產(chǎn)生有兩個(gè)主要的因素：一是空氣隙的存在；另一個(gè)是電場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)了空氣隙的擊穿電壓。在絕緣材料的內(nèi)部、電極之間都會(huì)存在一定的空氣隙，當(dāng)作用在這些空氣隙上的電壓應(yīng)力超過(guò)氣體的擊穿電壓時(shí)，氣體就會(huì)被擊穿，形成電暈。

2.3 電暈放電形成條件

電暈放電是極不均勻電場(chǎng)所特有的一種自持放電形式，是極不均勻電場(chǎng)的特征之一。它與其他形式的放電有本質(zhì)的區(qū)別，電暈放電時(shí)的電流強(qiáng)度并不取決于電路中的阻抗，而取決于電極外氣體空間的電導(dǎo)，這就取決于外加電壓、電極形狀、極間距離、氣體的性質(zhì)和密度等。通常以開(kāi)始出現(xiàn)電暈時(shí)的電壓稱為電暈起始電壓，它低于擊穿電壓，電場(chǎng)越不均勻，兩者的差值越大。

并不是所有的氣體放電都表現(xiàn)為電暈放電形式，只有在極不均勻電場(chǎng)中的氣體，當(dāng)場(chǎng)強(qiáng)足夠大時(shí)，才會(huì)形成電暈。也就是說(shuō)，只有當(dāng)極間距離對(duì)起暈電極表面最小曲率半徑的比值大于一定值時(shí)，電暈才有可能發(fā)生；若比值小于此值，氣隙將發(fā)生火花擊穿。

2.4 平波電抗器均壓屏蔽裝置設(shè)計(jì)

為防止平波電抗器尖端電暈放電現(xiàn)象的發(fā)生，在平波電抗器各關(guān)鍵部位設(shè)置了多根大曲率的均壓環(huán)。結(jié)合平波電抗器的線圈結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，均壓屏蔽裝置由七層均壓環(huán)組成，為便于分析，將其依次標(biāo)記為1號(hào)到7號(hào)，見(jiàn)圖1，每層均有12根均壓環(huán)圍成一個(gè)圓形。其中，線圈本體有四層均壓環(huán)，絕緣支撐體系有三層均壓環(huán)，第二圈絕緣子均壓環(huán)對(duì)絕緣子下法蘭零電位點(diǎn)的垂直距離≥13 m。

圖1 均壓屏蔽裝置布置方案(極母線側(cè))

2.5 平波電抗器電氣參數(shù)

平波電抗器的電氣參數(shù)，主要包括電壓參數(shù)和絕緣水平參數(shù)，詳見(jiàn)表1和表2。

表1 電壓參數(shù)

表2 絕緣水平參數(shù)

3 平波電抗器電場(chǎng)計(jì)算等效模型

3.1 理論模型

平波電抗器的電場(chǎng)分布特性是基于麥克斯韋方程組中的高斯電通定律，即滿足：

平波電抗器周?chē)諝饪山茷楦飨蛲缘木鶆蚪橘|(zhì)，即滿足媒質(zhì)方程：

由于靜態(tài)電場(chǎng)屬于無(wú)旋場(chǎng)，因此滿足方程：

對(duì)公式(3)等式兩邊取散度即可得：

將公式(4)帶入到公式(1)中可得靜電場(chǎng)的泊松方程：

式(1)～(5)中：ρ為電荷體密度；D為電通密度；E為電場(chǎng)強(qiáng)度；ε為空氣的介電常數(shù)；φ為標(biāo)量電位。

3.2 等效模型的建立

在±1100 kV換流站高端閥廳中，共使用四臺(tái)平波電抗器。其中每?jī)膳_(tái)串聯(lián)在一起接入直流系統(tǒng)中。結(jié)合閥廳內(nèi)實(shí)際布局情況，建立±1100 kV平波電抗器等效模型見(jiàn)圖2。

圖2 ±1100 kV平波電抗器模型(極母線側(cè))

3.3 均壓環(huán)結(jié)構(gòu)參數(shù)

各層均壓環(huán)的結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 均壓環(huán)結(jié)構(gòu)參數(shù)

3.4 模型的前處理

電抗線圈及其均壓環(huán)工作在同一電位，考慮到電場(chǎng)分布主要是由線圈本體和均壓環(huán)決定的，相關(guān)支撐零部件對(duì)其影響很小，故線圈模型只保留線圈本體和均壓環(huán)，刪去其他不必要的結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖3)。

圖3 線圈模型的前處理

同時(shí)，對(duì)仿真計(jì)算結(jié)果影響較小的支撐體系拉筋和支柱絕緣子的傘裙也進(jìn)行了忽略簡(jiǎn)化。

3 電場(chǎng)仿真結(jié)果

基于ANSYS MAXWELL有限元分析軟件對(duì)平波電抗器電場(chǎng)分布進(jìn)行了三維仿真計(jì)算。計(jì)算時(shí)，平波電抗器高壓側(cè)施加電壓為1227 kV，整體電位和電場(chǎng)分布計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖4和圖5。

圖4 ±1100 kV平波電抗器整體電位分布云圖

圖5 ±1100 kV平波電抗器整體電場(chǎng)分布云圖

通過(guò)對(duì)±1100 kV戶內(nèi)布置平波電抗器電位和電場(chǎng)分布仿真計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，可以看出±1100 kV戶內(nèi)布置平波電抗器電位分布較為均勻，電場(chǎng)強(qiáng)度較低，均壓屏蔽裝置設(shè)計(jì)合理，各層均壓環(huán)電場(chǎng)分布見(jiàn)圖6～圖9。

圖6 第一層和第二層均壓環(huán)電場(chǎng)分布云圖

圖7 第三層和第四層均壓環(huán)電場(chǎng)分布云圖

圖8 第五層和第六層均壓環(huán)電場(chǎng)分布云圖

圖9 第七層均壓環(huán)電場(chǎng)分布云圖

根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果，表面最大場(chǎng)強(qiáng)值位于頂部第一層均壓環(huán)半球形端部位置，表面最大場(chǎng)強(qiáng)值見(jiàn)表4。

表4 各層均壓環(huán)表面最大場(chǎng)強(qiáng)值

結(jié)合以上仿真計(jì)算結(jié)果，±1100 kV戶內(nèi)布置平波電抗器整體電位分布均勻，電場(chǎng)強(qiáng)度主要分布在均壓環(huán)表面。分析數(shù)據(jù)可以看出，頂部第一層均壓環(huán)表面電場(chǎng)強(qiáng)度最高，達(dá)到了1151.95 V/mm，與±800 kV平波電抗器均壓環(huán)表面最大電場(chǎng)強(qiáng)度值1300 V/mm相比，前者數(shù)值更小。因此，可以得出：±1100 kV戶內(nèi)布置平波電抗器均壓屏蔽裝置設(shè)計(jì)合理，電場(chǎng)強(qiáng)度值較低，滿足工程設(shè)計(jì)要求。

4 操作沖擊試驗(yàn)驗(yàn)證

為進(jìn)一步驗(yàn)證±1100 kV戶內(nèi)布置平波電抗器均壓屏蔽裝置的屏蔽效果，在國(guó)網(wǎng)公司特高壓直流試驗(yàn)基地(昌平)試驗(yàn)大廳開(kāi)展了±1100 kV戶內(nèi)布置平波電抗器端對(duì)地操作沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)布置見(jiàn)圖10。

圖10 ±1100 kV戶內(nèi)布置平波電抗器端對(duì)地操作沖擊試驗(yàn)

±1100 kV戶內(nèi)布置平波電抗器端對(duì)地操作沖擊試驗(yàn)在標(biāo)準(zhǔn)波形參數(shù)250 μs/2 500 μs條件下進(jìn)行，先進(jìn)行正極性60%電壓沖擊1次，再進(jìn)行正極性全電壓沖擊7次，最后進(jìn)行負(fù)極性全電壓沖擊8次，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 操作沖擊試驗(yàn)施加電壓值

其中，正、負(fù)極性端對(duì)地操作沖擊最大值分別出現(xiàn)在第3次試驗(yàn)和第12次試驗(yàn)，波形圖如圖11和試驗(yàn)結(jié)果滿足技術(shù)規(guī)范書(shū)中端對(duì)地的絕緣水平要求。

圖11 正極性操作沖擊最大值

圖12 負(fù)極性操作沖擊最大值

6 結(jié)語(yǔ)

本文開(kāi)展了±1100 kV戶內(nèi)布置平波電抗器的電場(chǎng)仿真計(jì)算，并進(jìn)行了干態(tài)下的操作沖擊試驗(yàn)，根據(jù)計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果得到以下結(jié)論：

(1)±1100 kV戶內(nèi)布置平波電抗器均壓屏蔽裝置設(shè)計(jì)合理，其電位分布較為均勻，其電場(chǎng)強(qiáng)度較±800 kV的更低，可滿足工程設(shè)計(jì)要求。

(2)±1100 kV戶內(nèi)布置平波電抗器頂部第一層均壓環(huán)為350 mm，其安裝節(jié)徑小于其他層均壓環(huán)的安裝節(jié)徑，該布置方式起到了很好的屏蔽效果。

(3)±1100 kV戶內(nèi)布置平波電抗器端對(duì)地操作沖擊耐受電壓滿足2100 kV的限值要求，該平波電抗器的設(shè)計(jì)能夠滿足實(shí)際工程需要。

參考文獻(xiàn):

[1] 趙婉君，等．高壓直流輸電技術(shù)[M]．北京：中國(guó)電力出版社，2004．

[2] 劉振亞．特高壓輸電網(wǎng)[M]．北京：中國(guó)經(jīng)濟(jì)出版社，2005．

[3] 張燕秉，鄭勁．±800 kV干式平波電抗器的戶內(nèi)、外布置[J]．高電壓技術(shù)，2006，32(9)．

[4] GB/T 25092－2010，高壓直流輸電用干式空心平波電抗器[S]．

[5] IEC 60076－6－2007．Power transformers—Part 6：Reactors[S]．

[6] 王清璞，等．±800 kV干式平波電抗器計(jì)算和場(chǎng)域分析[J]．變壓器，2007，44(5)．

[7] 彭宗仁，等．±800 kV斜撐式干式平波電抗器電場(chǎng)分布及均壓結(jié)構(gòu)研究[J]．南方電網(wǎng)技術(shù)，2010，4(6)．

[8] 王建民，等．特高壓干式平波電抗器電流分布和漏磁場(chǎng)特性的數(shù)值分析[J]．變壓器，2010，47(8)．

[9] 張猛，等．±1100 kV特高壓干式平波電抗器絕緣設(shè)計(jì)與試驗(yàn)分析[J]．高電壓技術(shù)，2015，41(5)．