李歆蔚 黃楊玨 譚令其

支柱絕緣子對(duì)交流濾波器斷路器電場分布的影響研究

李歆蔚 黃楊玨 譚令其

（廣東省電力裝備可靠性企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院），廣州 510080）

交流濾波器斷路器是特高壓直流輸電系統(tǒng)交流濾波器場的重要組成部分，是系統(tǒng)無功功率變化時(shí)保證交流濾波器可靠頻繁投切的重要電氣設(shè)備。近年來，±800kV換流站內(nèi)屢次出現(xiàn)交流濾波器斷路器在投切過程中發(fā)生擊穿及爆裂的現(xiàn)象，嚴(yán)重威脅著直流輸電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。為分析其原因，本文基于PSCAD/EMTDC搭建某±800kV直流輸電系統(tǒng)及交流濾波器斷路器電磁暫態(tài)仿真模型，結(jié)合在運(yùn)交流濾波器斷路器的外絕緣分布特征，仿真分析交流濾波器斷路器雙斷口電壓特征；根據(jù)交流濾波器斷路器滅弧室的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和參數(shù)，搭建了Ansys有限元仿真模型，仿真計(jì)算了滅弧室內(nèi)電場強(qiáng)度分布。

換流站；交流濾波器斷路器；絕緣支柱；PSCAD/EMTDC；有限元

0 引言

近年來，隨著特高壓直流輸電工程的興起和發(fā)展，國內(nèi)逐步完成了高壓遠(yuǎn)距離電能輸送的任務(wù)，實(shí)現(xiàn)了“西電東送”的跨區(qū)域合理分配，帶來了巨大的國民經(jīng)濟(jì)效益[1-2]。交流濾波器（AC filter, ACF）斷路器的主要功能在于投切交流濾波器，滿足系統(tǒng)無功需求。由于其一端連接交流母線，另一端連接交流濾波器，切斷容性負(fù)載后承受交直流混合疊加電壓[3]，且開斷頻繁，因此常常出現(xiàn)內(nèi)外絕緣擊穿事故[4-7]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，某些換流站內(nèi)屢次出現(xiàn)了交流濾波器斷路器閃絡(luò)擊穿引起爆炸的事故，嚴(yán)重威脅著換流站的安全穩(wěn)定運(yùn)行[8]。分析其原因，除了可能由于滅弧室內(nèi)絕緣裕度較低，或電弧灼燒后的金屬微粒引起電場強(qiáng)度畸變，斷路器外絕緣污穢分布不均導(dǎo)致雙斷口不均勻分壓也是一項(xiàng)重要原因，因此有必要針對(duì)外絕緣染污分布不均對(duì)內(nèi)絕緣電場強(qiáng)度分布的影響展開深入分析。

國內(nèi)已有一些學(xué)者對(duì)斷路器的絕緣性能做出了研究。文獻(xiàn)[9]仿真計(jì)算了交流母線單相或三相故障后交流濾波器斷路器投切產(chǎn)生的最大容性恢復(fù)電壓，計(jì)算了暫態(tài)恢復(fù)電壓和容性開斷電流值，總結(jié)出了恢復(fù)電壓的估值公式。文獻(xiàn)[10]根據(jù)事故詳細(xì)報(bào)告全面總結(jié)歸納出了四類典型內(nèi)外絕緣故障原因，并對(duì)瓷柱式斷路器提出了絕緣改進(jìn)方向。文獻(xiàn)[11]分析了一起濾波器故障的錄波和保護(hù)動(dòng)作，找出了交流濾波器斷路器的外瓷套閃絡(luò)原因?yàn)闃O端天氣和染污。文獻(xiàn)[12]在直流系統(tǒng)簡化為理想電壓源的基礎(chǔ)上搭建了交流濾波器仿真模型，計(jì)算分析了交流濾波器斷路器兩個(gè)斷口并聯(lián)電阻取值相等和不相等情況對(duì)暫態(tài)恢復(fù)電壓的影響，但沒有考慮支柱絕緣子等效電阻對(duì)電壓分布的影響。綜上，目前國內(nèi)對(duì)交流濾波器斷路器的研究主要集中在開斷后幾微秒至幾毫秒的恢復(fù)電壓研究上，缺乏對(duì)交流濾波器斷路器外瓷套染污不均引起的擊穿問題的內(nèi)外絕緣綜合研究。由于斷路器滅弧室擊穿事故多發(fā)生在電流過零點(diǎn)后的幾毫秒內(nèi)，需要分析該時(shí)段內(nèi)滅弧室的電壓與電場強(qiáng)度情況。

基于上述分析，本文根據(jù)實(shí)際參數(shù)利用PSCAD/ EMTDC仿真軟件搭建±800kV直流系統(tǒng)模型及完整交流濾波器電磁暫態(tài)計(jì)算模型，分析交流濾波器斷路器的外絕緣染污試驗(yàn)結(jié)果，并計(jì)算交流濾波器斷路器開斷后雙斷口電壓分布。以斷口電壓為邊界條件，根據(jù)滅弧室有限元仿真模型計(jì)算滅弧室內(nèi)電場強(qiáng)度分布，對(duì)交流濾波器斷路器的絕緣強(qiáng)度進(jìn)行由外至內(nèi)的綜合分析。

1 仿真模型建立

1.1 直流系統(tǒng)仿真模型

某±800kV特高壓直流輸電工程額定輸送功率5 000MW，額定直流電流3.125kA，額定觸發(fā)角為15°。直流線路全長1 451km，導(dǎo)線型號(hào)為LBGJ—180—20AC，直流電阻0.709 8W/km。兩端換流變壓器均采用單相雙繞組布置，其中逆變站側(cè)單臺(tái)容量250MV·A，短路阻抗18%。整流站和逆變站交流母線最高運(yùn)行電壓550kV，文中采用交流側(cè)相電壓計(jì)算基準(zhǔn)值為449kV。

以逆變站交流濾波器場斷路器為研究對(duì)象，共有四大組交流濾波器接于交流母線上，大組交流濾波器里包括A型、B型、C型三種類型小組交流濾波器，交流濾波器斷路器根據(jù)系統(tǒng)下發(fā)的無功功率調(diào)節(jié)指令，保證每一小組交流濾波器的獨(dú)立通斷。受端換流站交流濾波器元件參數(shù)及組數(shù)見表1。

表1 受端換流站交流濾波器元件參數(shù)及組數(shù)

逆變站交流母線電氣主接線如圖1所示。

圖1 逆變站交流母線電氣主接線

1.2 交流濾波器斷路器仿真模型

為了保證交流濾波器斷路器雙斷口的動(dòng)態(tài)電壓分布計(jì)算的準(zhǔn)確性，需要建立詳細(xì)的直流系統(tǒng)模型和斷路器等效模型。

1）斷路器外絕緣仿真模型

以7號(hào)母線某一小組交流濾波器斷路器為例，建立的斷路器外絕緣等效仿真模型如圖2所示。

圖2 斷路器外絕緣等效仿真模型

圖2中，1和2為斷口均壓電容，容值2 000pF。1、2、0分別為斷路器交流母線側(cè)、濾波器側(cè)斷口及支柱絕緣子的表面等效電阻，設(shè)計(jì)值為20GW。

2）斷路器內(nèi)絕緣仿真模型

考慮到本文的研究對(duì)象交流濾波器斷路器由多種介質(zhì)組成，且介質(zhì)間形狀不規(guī)則，本文采用有限元法計(jì)算滅弧室內(nèi)部電場強(qiáng)度[13]。在有限元軟件中建立滅弧室三維仿真模型如圖3所示，主要參數(shù)見表2。

圖3 滅弧室三維仿真模型

表2 斷路器建模主要參數(shù)

斷路器的主要絕緣介質(zhì)有弧觸頭的聚四氟乙烯噴口、瓷套和SF6氣體，各材料的相對(duì)介電常數(shù)r分別取2.5、6和1。

2 交流濾波器斷路器外絕緣電阻測量試驗(yàn)

交流濾波器斷路器事故發(fā)生后，運(yùn)行人員對(duì)故障斷路器進(jìn)行了泄漏電流檢測試驗(yàn)，試驗(yàn)將直流高壓施加于連接斷口及支柱絕緣子的三聯(lián)箱位置，用微安表測量由瓷套表面污穢導(dǎo)電粒子定向移動(dòng)形成的泄漏電流。斷口的電氣特性可用等效電阻來代替，泄漏電流與施加直流電壓成正比例關(guān)系。將電壓升至250kV持續(xù)1min待泄漏電流穩(wěn)定后記錄泄漏電流，整理試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 斷路器各部件全泄漏電流檢測值

由表3可知，斷路器支柱絕緣子的表面泄漏電流遠(yuǎn)大于斷口泄漏電流。由雙斷口瓷柱式斷路器的結(jié)構(gòu)可知，垂直布置的支柱絕緣子比水平放置的斷口外瓷套更易積污，交流濾波器斷路器在開斷后承受交直流混合電壓，單一斷口可能會(huì)承擔(dān)分壓不均帶來的擊穿風(fēng)險(xiǎn)。

交流濾波器斷路器在開斷過程中承受交直流混合疊加電壓，斷口并聯(lián)電容平衡兩斷口交流電壓，而直流電壓的分布與外絕緣表面絕緣情況密切相 關(guān)[14-15]。在實(shí)際運(yùn)行中，雨水、污穢導(dǎo)致斷路器表面容易出現(xiàn)局部電弧，斷路器表面絕緣電阻急劇下降。人工污穢試驗(yàn)結(jié)果表明，斷口表面電阻在濕潤、污穢的條件下會(huì)下降至兆歐級(jí)。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，采用疊加法對(duì)斷路器雙斷口的交直流混合電壓進(jìn)行理論分析?？紤]滅弧室兩端均壓電容的設(shè)置，雙斷口滅弧室交流電壓能在不均勻系數(shù)為1.05的條件下大致相等，而直流電壓受雙斷口和絕緣支柱外瓷套表面等效電阻的影響，斷路器等效電路如圖4所示。

圖4 斷路器等效電路

圖4中，1、2、0分別為交流母線側(cè)斷口、濾波器側(cè)斷口、支柱絕緣子表面等效電阻，(0)為斷路器開斷后瞬間濾波器高壓端電壓，其值取交流系統(tǒng)運(yùn)行最高線電壓有效值550kV?？紤]在電壓峰值時(shí)刻開斷的最嚴(yán)苛工況，根據(jù)簡化電路及疊加定理可推導(dǎo)出濾波器側(cè)斷口電壓為

3 仿真結(jié)果分析

3.1 斷口電壓計(jì)算

交流濾波器斷路器事故中表現(xiàn)為滅弧室爆裂，需根據(jù)仿真模型計(jì)算斷口電壓。A型、B型及C型濾波器對(duì)系統(tǒng)的無功補(bǔ)償量相等，但考慮到元件參數(shù)不同，對(duì)相同外絕緣條件下開斷三種濾波器進(jìn)行了仿真計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 開斷A型、B型、C型濾波器斷口電壓計(jì)算結(jié)果

由表4可知，A、B、C型小組濾波器斷路器開斷后電壓差異不明顯。因此下面以A型小組濾波器斷路器為例分析支柱絕緣子外絕緣電阻的影響。

參照外絕緣試驗(yàn)結(jié)果，斷口表面電阻和支柱絕緣子電阻在雨天污穢的條件下下降至兆歐級(jí)，仿真支柱絕緣子表面電阻0從10MW～1GW變化的各個(gè)工況，以0分別為80MW和10MW為例，小組濾波器的斷口電壓分布如圖5所示。

由圖5可知，當(dāng)絕緣支柱等效電阻0為10MW時(shí)，斷口穩(wěn)態(tài)電壓為579kV，比阻值為80MW的斷口穩(wěn)態(tài)電壓483kV升高了19.9%。由于斷口電阻為MW級(jí)，斷口并聯(lián)電容及濾波器主電容構(gòu)成的回路放電時(shí)間常數(shù)為s級(jí)，因此斷口電壓迅速過渡到穩(wěn)態(tài)。同時(shí)由于絕緣支柱電阻的作用，雙斷口電壓分離，濾波器側(cè)斷口穩(wěn)態(tài)電壓要高于母線側(cè)斷口電壓。

根據(jù)GB/T 11022—2011，550kV交流斷路器斷口額定短時(shí)工頻耐受電壓有效值為680kV。而仿真結(jié)果表明斷路器在初次開斷后10ms斷口電壓峰值達(dá)到500kV，穩(wěn)態(tài)電壓最大值為579kV，未超過標(biāo)準(zhǔn)值。因此，斷路器內(nèi)部滅弧室絕緣裕度不足很有可能是導(dǎo)致事故頻發(fā)的直接原因。

3.2 斷路器滅弧室內(nèi)絕緣強(qiáng)度

由于斷路器事故多發(fā)生在電流開斷后5～10ms內(nèi)，且常以滅弧室爆炸的形式產(chǎn)生，此時(shí)動(dòng)觸頭處于分閘運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，需要對(duì)滅弧室內(nèi)電場分布進(jìn)行計(jì)算分析，判斷電場強(qiáng)度最大值否滿足要求。以濾波器側(cè)斷口為仿真研究對(duì)象，支柱絕緣電阻為10MW時(shí)，計(jì)算斷路器開斷后5～10ms內(nèi)滅弧室電場強(qiáng)度變化如圖6所示。

以開斷8ms時(shí)刻為例，滅弧室電場強(qiáng)度云圖和等位線分布如圖7所示。

由圖7可知，滅弧室內(nèi)最大電場強(qiáng)度出現(xiàn)在靜弧觸頭表面，最大值為21.4kV/mm。文獻(xiàn)[16-17]提出SF6氣體中不均勻系數(shù)＜5時(shí)可認(rèn)為屬于稍不均勻場，盡管此時(shí)斷路器斷口間處于交直流電壓疊加的工況。但電壓變化頻率仍為工頻50Hz，故采用工頻交流頻率下稍不均勻場中的SF6氣體工程擊穿電場強(qiáng)度公式評(píng)估滅弧室內(nèi)部絕緣裕度，即

圖6 斷路器開斷后5～10ms內(nèi)滅弧室電場強(qiáng)度變化

圖7 開斷8ms時(shí)刻斷路器電場分布云圖和等位線分布

式中：為擊穿電場強(qiáng)度（kV/mm）；為SF6氣體絕對(duì)壓力（MPa）。

根據(jù)式（2）可知，SF6氣體在0.6MPa氣體壓力下的擊穿電場強(qiáng)度為26.9kV/mm。峰值電壓下對(duì)應(yīng)的滅弧室內(nèi)最大電場強(qiáng)度為21.4kV/mm，絕緣裕度不足20%。若在惡劣條件下，支柱絕緣電阻進(jìn)一步下降，或是滅弧室內(nèi)存在金屬微粒等缺陷，極易導(dǎo)致滅弧室內(nèi)電場畸變[18]，進(jìn)而引發(fā)斷口擊穿，因此該裕度是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。實(shí)際運(yùn)行中應(yīng)加強(qiáng)交流濾波斷路器支柱絕緣子的巡視、清理工作或采取斷口并聯(lián)電阻等均壓措施來避免濾波器側(cè)斷口開斷后承受過高的交直流混合電壓。

4 結(jié)論

本文根據(jù)某直流工程交流濾波器斷路器及直流系統(tǒng)參數(shù)建立了斷口電壓仿真計(jì)算模型，并建立了滅弧室三維有限元電場強(qiáng)度計(jì)算模型，根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果得出的主要結(jié)論如下：

1）在染污嚴(yán)重情況下，支柱絕緣子等效絕緣電阻可降至兆歐級(jí)。在支柱絕緣子等效絕緣電阻為10MW～1GW的范圍內(nèi)，交直流混合電壓及支柱絕緣子表面染污共同導(dǎo)致濾波器側(cè)斷口電壓比母線側(cè)斷口電壓更高。

2）550kV交流濾波器斷路器開斷后，斷口電壓升高，但斷口短時(shí)耐受電壓并未超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值。

3）在交流濾波器斷路器開斷后5～10ms內(nèi)，滅弧室內(nèi)電場強(qiáng)度最大值出現(xiàn)在靜弧觸頭表面，未超過電場強(qiáng)度擊穿值，然而在支柱絕緣子表面等效電阻為兆歐級(jí)時(shí)，絕緣裕度不超過20%，絕緣裕度不足可能是引起斷路器擊穿的原因。

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Influence of post insulators on electric field distribution of AC filter circuit breakers

LI Xinwei HUANG Yangjue TAN Lingqi

(Guangdong Key Laboratory of Power Equipment Reliability Enterprises (Electric Power Research Institute of Guangdong Power Grid Corporation), Guangzhou 510080)

The AC filter circuit breaker is an important part of the AC filter field of the high-voltage DC transmission system, and it is an important electrical equipment that ensures the frequent switching of the AC filter caused by the system reactive power change. In recent years, there have been repeated occurrences of breakdown and bursting of AC filter circuit breakers in the switching process of ±800kV converter stations, which seriously threatens the safe and stable operation of the DC transmission system. In order to analyze the reasons, this paper builds a ±800kV DC transmission system and an AC filter circuit breaker electromagnetic transient simulation model based on PSCAD/EMTDC. Combined with the distribution characteristics of the external insulation of the AC filter circuit breaker in operation, the single-break voltage characteristics of the AC filter circuit breaker are simulated and analyzed. Based on the internal structure and parameters of the AC filter circuit breaker arc extinguishing chamber, an Ansys finite element simulation model is built, and the electric field strength distribution in the arc extinguishing chamber is simulated and calculated.

converter station; AC filter circuit breaker; insulation pillar; PSCAD/EMTDC; finite element

南方電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目（GDKJXM20180128）

2020-09-25

2020-12-21

李歆蔚（1994—），女，湖北荊門人，碩士，主要從事直流輸電技術(shù)方面的研究工作。