胡傳良，周文青，劉剛，葉海，鄧紅雷，王慧泉，呂茵

(1.華南理工大學 電力學院，廣東 廣州 510641;2.中國南方電網(wǎng)有限責任公司超高壓輸電公司，廣東 廣州 510507)

目前我國特高壓直流輸電工程技術(shù)已處于世界領(lǐng)先地位，換流閥作為特高壓直流輸電工程的核心部分，保障其安全、穩(wěn)定運行具有重要意義。閥在運行過程中由于通態(tài)損耗、關(guān)斷損耗等會在閥塔內(nèi)部產(chǎn)生大量熱量，需要通過冷卻水回路將熱量運輸?shù)介y廳外面[1-5]，閥冷系統(tǒng)是保障換流閥運行的重要系統(tǒng)之一。從已有的換流站運行數(shù)據(jù)得知，閥塔內(nèi)冷水系統(tǒng)會發(fā)生漏水的故障，給換流閥安全運行帶來極大隱患。以±800 kV直流輸電工程中的穗東換流站為例，其冷卻系統(tǒng)設(shè)計冷卻散熱能力為 3 800 kW，冷卻介質(zhì)為去離子水[6-8]。然而在實際運行過程中發(fā)現(xiàn)，在閥內(nèi)冷系統(tǒng)中均壓電極附近的冷卻水管會出現(xiàn)損傷導致漏水事故的發(fā)生，滲水匯集到閥層水管后滴落至閥片板，導致該2個閥片出現(xiàn)無回檢信號，需要更換S型水管及閥片對應(yīng)的閥片卡，經(jīng)檢測合格后方能讓閥塔正式運行。本文針對換流站現(xiàn)有的換流閥冷卻水管損傷事故，通過仿真和實驗來確定事故的發(fā)生原因，為實際工程人員提供改造思路。

何瀟等人[9]對換流閥閥冷卻系統(tǒng)故障實例統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，閥內(nèi)冷水故障占閥冷卻系統(tǒng)故障總數(shù)的86%；文獻[10-12]基于電流場理論對閥塔內(nèi)水路進行分析，將水路電勢作為求解整個場域的邊界條件進行求解，在這個過程中解決了電流場和靜電場的耦合問題，最后得出在考慮水路的情況下閥塔表面最大電場強度以及出現(xiàn)位置均發(fā)生變化的結(jié)論；文獻[4]提及了2015年穗東換流站在S型閥冷卻水管處損傷漏水導致系統(tǒng)停運的故障，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)漏水位置與等電位線緊靠，水管出現(xiàn)明顯損傷凹痕。國內(nèi)外對于換流閥冷卻水管損傷原因研究較為罕見，對冷卻水管的研究主要集中在均壓電極結(jié)垢腐蝕原理方面[13-22]，針對該類損傷問題，結(jié)合具體的損傷位置所處的復雜電場環(huán)境，從電暈放電來對損傷原因進行分析。

本文以±800 kV穗東換流站S型冷卻水管損傷漏水故障為研究對象，提出了基于電暈放電的損傷機理，首先對S型冷卻水管及其局部結(jié)構(gòu)構(gòu)建了三維有限元仿真模型，運用COMSOL仿真軟件對故障部位局部結(jié)構(gòu)進行仿真；然后分析了等電位線和冷卻水管兩者間在不同距離下的電場強度變化關(guān)系；最后設(shè)計了相關(guān)高壓放電實驗對仿真結(jié)果進行驗證。

1 S型冷卻水管局部結(jié)構(gòu)

1.1 均壓電極及等電位線

為了避免換流閥內(nèi)冷水回路出現(xiàn)過大的電勢差，在水路出現(xiàn)較大的泄漏電流，水路系統(tǒng)會在不同位置安裝均壓電極，均壓電極通過等電位線(均壓電極線)連接到閥塔母線等位置以實現(xiàn)均壓效果[4-15]，等電位線是一根PVC絕緣層包被的線徑為2.24 mm的19股銅導線。由于水管損傷事故發(fā)生在S型冷卻水管位置，該處等電位連接的是連接2個閥臂的母線板，穗東換流站為12脈波換流，此處即為換流出線與換流變壓器連接的位置。圖1展示了均壓電極在冷卻回路的分布位置以及研究的故障點位置。由圖1可知閥塔水冷主回路均壓電極分為6對，對閥層間均壓電極進行了省略，換流站故障點位于閥塔第2與第3閥層間S型水管處。圖2展示了均壓電極連接的實物圖以及冷卻水管損傷結(jié)果，圖2中母線板、均壓電極線以及均壓電極距離較近，損傷故障處與均壓電極線距離較小，這對后面的研究故障原因提供了思路。

圖1 換流閥均壓電極分布示意圖Fig.1 Distribution of equalizing electrodes in converter valve

圖2 均壓電極連接的實物及冷卻水管損傷結(jié)果圖Fig.2 Objects connected with equalizing electrode (left) and the damage result of cooling water pipe (right)

圖1閥塔第2與第3閥層均壓電極S形水管處在2015年發(fā)生了漏水事故，其中均壓電極、冷卻水管、均壓電極線的局部放大如圖3所示。實際安裝中，均壓電極和母線板之間的等電位連接導線的長度要合適，導線與閥層主水管之間的距離要大于25 mm，均壓電極電位連接導線在屏蔽罩內(nèi)安裝時，導線不能觸碰屏蔽罩邊緣，要保證約5 mm距離，防止屏蔽罩邊緣劃傷導線。

圖3 均壓電極、冷卻水管、均壓電極線的局部放大圖 Fig.3 Partial enlarged drawings of equalizing electrode, cooling water pipe and equalizing electrode wire

1.2 S型冷卻水管局部結(jié)構(gòu)仿真建模

為了分析計算冷卻水管故障點周圍復雜的三維電場環(huán)境，本文采取有限單元法來求解描述模型的偏微分方程，構(gòu)建了S型冷卻水管及其周圍的三維結(jié)構(gòu)，包括均壓電極、均壓罩和等電位線。受均壓電極位置分布的影響，冷卻水管截取為2個閥層之間的主管道，整個模型高為1 660 mm，寬為850 mm，具體模型尺寸參數(shù)見表1。

表1 有限元三維模型幾何參數(shù)Tab.1 Geometry Parameters of FEA Model

最后構(gòu)建的穗東換流站完整的閥塔冷卻回路及三維仿真模型如圖4所示。

圖4 閥塔冷卻回路及三維仿真模型Fig.4 Cooling circuit of valve tower and 3D simulation model

2 有限元建模及結(jié)果分析

2.1 邊界條件、材料參數(shù)設(shè)置

有限元研究過程中最關(guān)鍵的步驟便是確定模型的狄利克雷邊界條件(第一邊界條件)和紐曼邊界條件(第二邊界條件)，這樣偏微分方程通過變分轉(zhuǎn)換為代數(shù)方程組求解系數(shù)矩陣非奇異，可以得到一個滿足誤差要求的數(shù)值解。對特定的物理模型分析時，還需考慮不同物理量在材料中的本構(gòu)關(guān)系，本文研究物理模型為靜電場，在材料中存在的本構(gòu)關(guān)系為

D=εE.

(1)

式中：ε為材料的介電常數(shù)；D為電位移；E為電場強度。

2.1.1 模型邊界條件設(shè)置

穗東站每極高/低端閥塔布置有6座二重閥閥塔，高低端閥廳共同組成12脈波換流電路。根據(jù)換流理論，一座閥塔上下2個閥臂不能同時導通，否則會出現(xiàn)閥塔短路故障，各閥層在關(guān)斷時刻需要承受網(wǎng)側(cè)反向電壓。均壓電極通過等電位線連接到逆變引出側(cè)，為了確定模型中均壓電極和等電位線的第一邊界條件，我們分析圖5所示的換流變閥側(cè)采集的A、B、C三相電壓波形，統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表2。選擇最嚴厲條件設(shè)置，即1個橋臂(共4個閥段)承受正半波峰值電壓約180 kV，那么1個閥段將承受45 kV，此即為仿真中施加在等電位線及均壓電極上的第一邊界條件。由于換流的對稱性，接地端設(shè)置為模型冷卻水管兩端的其中一個水路端面。

圖5 換流變閥側(cè)未濾波電壓波形Fig.5 Unfiltered voltage waveform at the converter valve side

表2 閥側(cè)記錄電壓波形統(tǒng)計數(shù)據(jù)Tab.2 Statistics of unfiltered voltage waveform

2.1.2 模型材料參數(shù)設(shè)置

仿真模型涉及到的材料有PVC絕緣層、PVDF水管、去離子水(40 ℃)、金屬罩、金屬均壓電極、金屬均壓電極線以及模型外部包被的半徑為3 000 mm空氣求解域。查找美國實驗材料協(xié)會數(shù)據(jù)，有限元仿真設(shè)置參數(shù)值參見表3。

表3 仿真材料參數(shù)Tab.3 Parameters of simulation materials

需要注意的是金屬均壓罩沒有施加邊界條件，其充當一個懸浮導體作用，相對介電常數(shù)取值為104[15-16]，而均壓電極和等電位線直接施加第一邊界條件，該值對仿真結(jié)果沒有影響。表3中給出的PVC及PVDF相對介電常數(shù)是一個范圍值，具體仿真時分別取5.00和8.24。

2.2 電場仿真結(jié)果及分析

2.2.1 電場仿真結(jié)果

根據(jù)前面分析的均壓電極局部電場條件以及材料參數(shù)，通過仿真得到圖6所示均壓電極局部電場結(jié)果。由于等電位線與水管表面形成類似極不均勻的棒-板電極結(jié)構(gòu)，考慮此情況下空氣擊穿場強比勻強電場條件下低(峰值約5.23 kV/cm[23])，同時為了便于場強結(jié)構(gòu)可視化，圖6結(jié)果已經(jīng)濾除了場強值低于5 kV/cm部分的顯示內(nèi)容。

圖6 電場仿真結(jié)果Fig.6 Simulation results of electric field strength

由圖6仿真結(jié)果可知：在等電位線和均壓電極施加45 kV電壓時，最大場強值為62.8 kV/cm，并位于去離子水中的均壓電極針尖處，而去離子水的擊穿場強值在650～700 kV/cm之間[24]，所以不會在去離子水中發(fā)生電暈。而在導線與水管表面切平面平行且距離最近處(最近距離為1.0 mm，下文中距離均指該距離)，仿真結(jié)果顯示該處場強值在36 kV/cm左右。事故發(fā)生后檢查發(fā)現(xiàn)等電位線靠近水管損傷漏水位置，因此可以初步判斷長期電暈放電是造成水管損傷的原因。為了繼續(xù)探究不同等電位線與水管表面距離對電場強度的影響，本文分別建立了不同距離下的模型并進行了仿真。

2.2.2 不同距離影響

針對等電位線與水管表面距離諸影響因素，本文在前面基礎(chǔ)上構(gòu)建了距離為1.0～8.0 mm的共8組三維仿真模型，并按照之前的設(shè)置重新進行仿真，得到導線與水管表面最近距離處的場強值結(jié)果見表4。

表4 等電位線與水管表面不同距離下的仿真場強Tab.4 Simulated field strength at different distances from equipotential line to water pipe surface

由表4可以看出，隨著等電位線與冷卻水管表面距離的增加其仿真場強值趨近于平穩(wěn)，對該仿真結(jié)果按式(2)進行擬合,即

(2)

式中：x為等電位線與水管表面距離；a、b、c均為擬合系數(shù)。根據(jù)圖5所示結(jié)果，采用擬合精度R2為0.987 1，擬合結(jié)果如圖7所示。等電位線和水管表面距離在1～5 mm時，隨著兩者距離增大，場強仿真值變化較明顯，當兩者距離達到5 mm及以上時，場強值趨于一致，已無明顯變化。

根據(jù)擬合式計算，當間隔10 mm時場強已經(jīng)低至1.9 kV/cm，可以保證等電位線與水管表面足夠安全距離。

3 高壓電暈實驗及分析

3.1 高壓電暈實驗

為了驗證仿真模型，根據(jù)換流閥實際使用的等電位線以及冷卻水管設(shè)計了在等電位線和水管表面不同距離下的實驗組進行驗證，所用實驗系統(tǒng)是如圖8所示的ZJC-100 KV計算機控制材料介電強度試驗機。此系統(tǒng)可以獲得交流100 kV、直流150 kV的電壓試驗條件，試驗原理圖如圖9所示。

圖7 距離與場強關(guān)系擬合結(jié)果Fig.7 Fiiting results of relationship between distance and electric field strength

圖8 ZJC-100 KV計算機控制材料介電強度試驗機Fig.8 ZJC-100 kV computer control material dielectric strength testing machine

T-調(diào)壓器；B-變壓器；R-保護電阻；F-分壓器；L-均壓電極線；P-水管；D-絕緣凳。

圖9 高壓實驗原理
Fig.9 Scheme diagram of high voltage experiment

實驗過程中會調(diào)節(jié)L與P之間的距離。根據(jù)前面確定的邊界條件，給均壓電極線施加45 kV交流電壓，通過調(diào)整均壓電極線和冷卻水管的間距來觀察放電的變化情況，在實驗過程中分別將兩者距離調(diào)整為1 mm、3 mm、5 mm和7 mm，并使用CoreCAM6紫外成像儀記錄了起暈電壓和放電強度，觀測距離為2.5 m，指標參數(shù)選擇紫外設(shè)備儀器自帶的光子統(tǒng)計數(shù)，積分參數(shù)為8，實驗記錄結(jié)果顯示如圖10所示。

圖10 實驗記錄結(jié)果Fig.10 Experiment results

圖10展示了等電位線與冷卻水管表面在4個不同距離下的放電紫外光子記錄結(jié)果及其關(guān)系圖，其放電光子數(shù)量分別為28 825(1 mm距離)、27 015(3 mm距離)、24 980(5 mm距離)和24 440(7 mm距離)，結(jié)果表明小距離條件下放電強度比大距離情況下大，原因是均壓電極線與聚偏氟乙烯(PVDF)水管構(gòu)成類似棒-板結(jié)果電極。由電容定義可知電容量和電容極面距離成反比，因此可判斷其儲能也大，放電越強。該實驗結(jié)果亦驗證了仿真模型的正確性。

3.2 損傷分析

本文仿真和實驗均為最嚴厲條件下進行的，實際中可能并沒有如此嚴重，因為通常情況下等電位線與冷卻水管表面會間隔足夠距離；但由于安裝工藝差別、閥塔震動等原因?qū)е聦Ь€與水管距離太近，從而在長時間電暈影響下造成水管損傷。圖11為PVDF材質(zhì)水管在均壓電極附近損傷的實物圖。

圖11 PVDF水管損傷實物圖Fig.11 PVDF water pipe damage image

由圖11可以看出，損傷位置有炭黑狀物質(zhì)，損傷形狀為局部聚攏型。由于受損材料為PVDF，根據(jù)高分子材料理論，無定型聚合物溫度達到一定時，整個高分子聚合物分子鏈在外力(如重力、機械力等)作用下會發(fā)生互相滑動的宏觀表現(xiàn)，這就是無定型高聚物的黏流態(tài)，當外力消失，發(fā)生的形變不能自發(fā)恢復。從圖2和圖11損傷結(jié)果來看，損傷部位由于某短時放電強度增大和局部放電特性，使PVDF材料局部呈現(xiàn)黏流態(tài)，在外力作用下造成不可逆形變效果。

4 結(jié)論

本文針對穗東換流站S型冷卻水管損傷故障問題，構(gòu)建了局部結(jié)構(gòu)的三維有限元分析模型，同時設(shè)計了驗證實驗，仿真和實驗均表明：

a)等電位線與PVDF材質(zhì)冷卻水管在不合理布置時，其局部場強會增大，最大場強分布在等電位線與水管表面切平面距離最短處，隨著距離增大其場強減小。

b)短時劇烈電暈放電會使等電位線靠近冷卻水管部位達到黏流態(tài)，受外力影響產(chǎn)生不可逆形變，甚至造成管壁厚度無法承受冷卻水回路內(nèi)部徑向壓力而出現(xiàn)滲水漏水事故。

本文研究結(jié)果從仿真和實驗2個方面較詳細地分析了穗東站冷卻水管故障原因，對其他換流站類似事故提供了參考依據(jù)，但對于PVDF從常態(tài)到黏流態(tài)再恢復到常態(tài)這一詳細過程還需做進一步研究。