祝賀,姜宰東

(東北電力大學(xué) 建筑工程學(xué)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(chǎng)分析

祝賀,姜宰東

(東北電力大學(xué) 建筑工程學(xué)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(fù)合電容式套管有限元模型，用ANSOFT分析軟件對(duì)內(nèi)采用絕緣環(huán)氧樹(shù)脂絕緣紙和外絕緣采用高溫硫化硅橡膠外套制造的復(fù)合電容式套管進(jìn)行二維電場(chǎng)分析，獲得特高壓直流套管內(nèi)部精確場(chǎng)強(qiáng)分布和電位分布。該結(jié)果表明：套管內(nèi)部環(huán)氧樹(shù)脂中的屏障強(qiáng)迫了電位分布，使法蘭附近的電場(chǎng)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(chǎng)強(qiáng)度最大，最大值達(dá)3.44 MV/m，在特高壓直流運(yùn)行時(shí)最易產(chǎn)生閃絡(luò),是必須注意的問(wèn)題。

直流套管；有限元分析；電場(chǎng)強(qiáng)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(duì)于直流系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行有著重要的意義[1-2]。近年來(lái)，隨著高壓直流輸電在全國(guó)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(lái)越明顯。在高電壓作用下,絕緣介質(zhì)形成很高的場(chǎng)強(qiáng)，常被電擊穿[3]，電氣設(shè)備絕緣性能破壞[4-6]，導(dǎo)致特高壓直流工程中采用的特高壓直流套管仍然需要國(guó)外進(jìn)口。由此可見(jiàn)，計(jì)算絕緣結(jié)構(gòu)中可能出現(xiàn)的最高場(chǎng)強(qiáng)、分析發(fā)生絕緣破壞的根本原因，對(duì)特高壓直流套管的制造與設(shè)計(jì)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(dǎo)率隨溫度變化而變化，特高壓直流套管的電場(chǎng)分布更加復(fù)雜[15-16]，容易產(chǎn)生絕緣破壞等問(wèn)題。為了解決特高壓直流套管絕緣問(wèn)題，有必要對(duì)套管進(jìn)行電場(chǎng)分布分析[17]。為此，基于麥克斯韋電磁場(chǎng)理論以及麥克斯韋方程組，建立復(fù)合式高壓絕緣套管電場(chǎng)的數(shù)學(xué)分析模型，考慮電導(dǎo)率和介電常數(shù)對(duì)電場(chǎng)分布的影響，并運(yùn)用ANSOFT軟件對(duì)套管內(nèi)部及電容芯子的電場(chǎng)分布進(jìn)行詳細(xì)的數(shù)據(jù)分析，以此來(lái)提高絕緣套管的可靠性及可行性。

1 直流套管電場(chǎng)分析理論基礎(chǔ)

1.1 電場(chǎng)分析數(shù)學(xué)模型

特高壓套管為嚴(yán)格的軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，其模型求解可歸結(jié)為二維軸對(duì)稱靜電場(chǎng)邊值問(wèn)題，利用麥克斯韋方程組的微分形式來(lái)描述準(zhǔn)靜態(tài)場(chǎng)中的電場(chǎng)方程,即

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：ε為相對(duì)介電常數(shù)，F(xiàn)/m；γ為電導(dǎo)率，S/m。當(dāng)介質(zhì)電導(dǎo)率γ和相對(duì)介電常數(shù)ε都是常數(shù)時(shí)，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(dǎo)電流和位移電流，電場(chǎng)分布由介電常數(shù)和電阻率同時(shí)決定。

由電磁場(chǎng)基本理論可知，電介質(zhì)在交流電壓激勵(lì)下，介質(zhì)中的傳導(dǎo)電流很小，與位移電流相比可以忽略不計(jì)，所以交流電壓激勵(lì)下介質(zhì)內(nèi)部的場(chǎng)強(qiáng)可以認(rèn)為只與介電常數(shù)有關(guān)，材料的電阻率對(duì)電場(chǎng)分布的影響可以忽略不計(jì)。在直流電壓作用下，套管場(chǎng)域?yàn)殡娏鱾鲗?dǎo)場(chǎng)，介質(zhì)內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)分布只與電阻率有關(guān)。

靜電場(chǎng)域中電位與電場(chǎng)的關(guān)系為

(6)

式中φ為整個(gè)場(chǎng)域中的電網(wǎng)函數(shù)。

由式(1)至(6)得到電準(zhǔn)靜態(tài)場(chǎng)中的電位方程描述為

(7)

傳導(dǎo)電流、電介質(zhì)對(duì)場(chǎng)域中電位分布的影響可用于求解任何場(chǎng)源激勵(lì)下電介質(zhì)中的線性電場(chǎng)電位分布。

1.2 電場(chǎng)計(jì)算的邊界條件及電場(chǎng)特點(diǎn)

1.2.1 電場(chǎng)計(jì)算的邊界條件

電磁場(chǎng)理論中，電場(chǎng)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(jì)算時(shí)會(huì)自動(dòng)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(shí)際計(jì)算時(shí)，只需要定義第一類邊界條件。

1.2.2 高長(zhǎng)徑比場(chǎng)域

套管為細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，特高壓套管長(zhǎng)徑比更大，對(duì)該結(jié)構(gòu)所建立的電場(chǎng)分析區(qū)域稱之為高長(zhǎng)徑比場(chǎng)域。

1.2.3 邊界等效處理

電場(chǎng)分析的區(qū)域?yàn)闊o(wú)限空間，用ANSOFT遠(yuǎn)場(chǎng)邊界來(lái)近似等效無(wú)限遠(yuǎn)空間，邊界等效的處理對(duì)精確的電場(chǎng)分析起到關(guān)鍵作用。

2 特高壓直流套管電場(chǎng)分析

2.1 特高壓套管電場(chǎng)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(shù)脂內(nèi)絕緣的同時(shí)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(hù)。由于套管頂部出線裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計(jì)了均壓罩保護(hù)，在套管內(nèi)部SF6氣體中設(shè)計(jì)均壓罩避免氣體放電，為防止電場(chǎng)局部集中，在環(huán)氧樹(shù)脂中設(shè)置鋁箔內(nèi)屏蔽，環(huán)氧樹(shù)脂內(nèi)屏與導(dǎo)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(chǎng)計(jì)算模型

±800 kV復(fù)合電容式特高壓直流套管由環(huán)氧樹(shù)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(dǎo)桿以及金屬連接構(gòu)件所組成，所用材料的計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 材料的計(jì)算參數(shù)

材料名稱相對(duì)介電常數(shù)電導(dǎo)率/(S·m-1)銅20001.75×108環(huán)氧樹(shù)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(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，絕緣結(jié)構(gòu)復(fù)雜，雖然對(duì)模型做了適當(dāng)簡(jiǎn)化，但是小尺寸結(jié)構(gòu)部位依然很多，經(jīng)過(guò)大量修改，運(yùn)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(duì)網(wǎng)格局部細(xì)化，得到全部模型網(wǎng)格剖分總個(gè)數(shù)47 562，最大和最小尺寸相差近15倍，局部網(wǎng)格細(xì)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(jìn)行直流耐壓試驗(yàn)，激勵(lì)電壓值

(9)

式中： Udc為直流耐受試驗(yàn)電壓值；N為連接從直流導(dǎo)線中性點(diǎn)與換流變套管整流橋的一系列六脈動(dòng)橋數(shù)；Udc,m為每個(gè)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(yùn)行線電壓。直流套管的試驗(yàn)電壓幅值是與其相連換流變壓器試驗(yàn)數(shù)值的1.15倍，根據(jù)文獻(xiàn)《特高壓直流電氣設(shè)備》中的試驗(yàn)電壓數(shù)值，得到Udc=960kV。

3 直流套管電場(chǎng)分析結(jié)果

3.1 電位分布

中心導(dǎo)桿施加的直流耐壓試驗(yàn)值為960kV，接地法蘭施加電壓為0kV,環(huán)氧樹(shù)脂內(nèi)屏與導(dǎo)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(jì)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(shù)脂中的屏障強(qiáng)迫了電位分布，法蘭附近的電場(chǎng)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(hù)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(huì)造成交界面兩側(cè)電場(chǎng)強(qiáng)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(dǎo)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(shù)脂電場(chǎng)強(qiáng)度較大，電場(chǎng)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(xì)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(chǎng)分析中，為兩種介質(zhì)電導(dǎo)率的反比。設(shè)特高壓直流套管中各層極板為懸浮電位，計(jì)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(dǎo)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(shù)脂的電導(dǎo)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(jí)板上。

3.2 電場(chǎng)強(qiáng)度分布

計(jì)算特高壓直流套管中電場(chǎng)強(qiáng)度后，到了特高壓套管接地法蘭附近的最大場(chǎng)強(qiáng)分布如圖8所示。

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

如圖9所示，當(dāng)法蘭與傘裙連接后，表面場(chǎng)強(qiáng)迅速下降，距離法蘭1 m處電場(chǎng)強(qiáng)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(chǎng)強(qiáng)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(jì)制造時(shí)應(yīng)注意絕緣問(wèn)題發(fā)生。

圖9 法蘭處電場(chǎng)強(qiáng)度分布曲線

頂部均壓罩下端與絕緣外套相接處電場(chǎng)強(qiáng)度如圖10所示，套管場(chǎng)強(qiáng)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(chǎng)強(qiáng)逐漸減小。

圖10 均壓罩下端場(chǎng)強(qiáng)分布

圖11 均壓罩下端場(chǎng)強(qiáng)分布曲線

從計(jì)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(chǎng)強(qiáng)度易發(fā)生突變，但此處的電場(chǎng)強(qiáng)度值最大值為0.40 MV/m，遠(yuǎn)小于空氣的擊穿場(chǎng)強(qiáng)，套管絕緣外套表面場(chǎng)強(qiáng)最大值發(fā)生在傘裙與法蘭相接處，該處電場(chǎng)值最高可達(dá)到3.44 MV/m,是套管表面場(chǎng)強(qiáng)的薄弱點(diǎn)，在此處易發(fā)生閃絡(luò)等絕緣破壞，所以在設(shè)計(jì)和制造時(shí)應(yīng)注意此類問(wèn)題的發(fā)生。

4 結(jié)束語(yǔ)

a) 本文采用±800 kV復(fù)合電容式直流套管作為研究對(duì)象，內(nèi)絕緣采用環(huán)氧樹(shù)脂的同時(shí)充入SF6氣體作為保護(hù)，在考慮多種絕緣材料的電導(dǎo)率情況下對(duì)特高壓直流套管進(jìn)行電場(chǎng)分析，在直流場(chǎng)中，介質(zhì)交界面兩側(cè)場(chǎng)強(qiáng)與材料電導(dǎo)率為反比關(guān)系。

b) 復(fù)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(chǎng)強(qiáng)度最大，此處最容易發(fā)生閃絡(luò)，最大場(chǎng)強(qiáng)值可達(dá)到 3.44 MV/m， 在設(shè)計(jì)制造時(shí)應(yīng)注意此類絕緣問(wèn)題的發(fā)生。

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

d) 復(fù)合電容式套管內(nèi)部環(huán)氧樹(shù)脂中的屏障強(qiáng)迫了電位分布，使電容芯子內(nèi)部電場(chǎng)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(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(2015252).吉林市科技創(chuàng)新發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)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(dǎo)師，工學(xué)博士，研究方向?yàn)殡娋W(wǎng)運(yùn)行設(shè)備檢測(cè)及故障修復(fù)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?yàn)檩旊姽こ烫馗邏航^緣。