±1100 kV戶內平波電抗器均壓裝置表面電場分析與驗證

奚晶亮，劉成柱，王國金，張月華，張 猛，王銀嶺

(北京電力設備總廠有限公司，北京 102401)

1 概述

隨著電力系統的不斷發展，直流輸電技術日趨成熟，可靠性日益提高?！?100 kV電壓等級的直流工程與現在已投運的±800 kV直流工程相比，它的輸電容量提升50%，經濟 輸 電 距 離 由 原 來 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，節約了土地資源。

平波電抗器作為直流輸電不可或缺的主設備之一，肩負著抑制換流器直流側電流和電壓脈動等重要作用。隨著直流系統電壓等級提升至±1100 kV，平波電抗器表面電場強度進一步升高，發生電暈放電的可能性增大。當采用戶內布置時，如果平波電抗器表面電場強度過高，會使得平波電抗器對閥廳的鋼結構放電，會對閥廳內所有設備的安全穩定運行產生不利影響。為消除電暈放電影響，就需要擴大閥廳的結構高度和寬度，以增大平波電抗器對鋼結構的絕緣凈空間隙，這就會造成閥廳建設成本的增加。因此，合理設計和布置均壓屏蔽裝置對于控制戶內布置的平波電抗器表面電場強度就顯得尤為重要。

本文結合對±800 kV平波電抗器均壓屏蔽裝置表面電場分布的研究成果，針對±1100 kV平波電抗器的均壓屏蔽裝置在均壓環管徑、安裝節徑、布置位置等方面進行了研究和優化。利用ANSYS MAXWELL有限元分析軟件，建立平波電抗器的整體三維計算模型，分析均壓屏蔽裝置中不同位置均壓環的表面電場強度分布規律，為±1100 kV平波電抗器均壓屏蔽裝置的設計提供參考。

2 平波電抗器均壓屏蔽裝置設計

2.1 電暈放電現象

當在電極兩端加上較高但未達擊穿的電壓時，如果電極表面附近的局部電場很強，則電極附近的氣體介質會被局部擊穿而產生電暈放電現象。當電極的曲率半徑很小時，其附近的場強特別高，很容易發生電暈放電。

2.2 電暈產生的機理

電暈即局部放電，是指當電場強度超過某一臨界值時，在絕緣系統中氣體瞬時電離引起的一種局部放電現象。電暈產生有兩個主要的因素：一是空氣隙的存在；另一個是電場強度超過了空氣隙的擊穿電壓。在絕緣材料的內部、電極之間都會存在一定的空氣隙，當作用在這些空氣隙上的電壓應力超過氣體的擊穿電壓時，氣體就會被擊穿，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所特有的一種自持放電形式，是極不均勻電場的特征之一。它與其他形式的放電有本質的區別，電暈放電時的電流強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，這就取決于外加電壓、電極形狀、極間距離、氣體的性質和密度等。通常以開始出現電暈時的電壓稱為電暈起始電壓，它低于擊穿電壓，電場越不均勻，兩者的差值越大。

并不是所有的氣體放電都表現為電暈放電形式，只有在極不均勻電場中的氣體，當場強足夠大時，才會形成電暈。也就是說，只有當極間距離對起暈電極表面最小曲率半徑的比值大于一定值時，電暈才有可能發生；若比值小于此值，氣隙將發生火花擊穿。

2.4 平波電抗器均壓屏蔽裝置設計

為防止平波電抗器尖端電暈放電現象的發生，在平波電抗器各關鍵部位設置了多根大曲率的均壓環。結合平波電抗器的線圈結構特點，均壓屏蔽裝置由七層均壓環組成，為便于分析，將其依次標記為1號到7號，見圖1，每層均有12根均壓環圍成一個圓形。其中，線圈本體有四層均壓環，絕緣支撐體系有三層均壓環，第二圈絕緣子均壓環對絕緣子下法蘭零電位點的垂直距離≥13 m。

圖1 均壓屏蔽裝置布置方案(極母線側)

2.5 平波電抗器電氣參數

平波電抗器的電氣參數，主要包括電壓參數和絕緣水平參數，詳見表1和表2。

表1 電壓參數

表2 絕緣水平參數

3 平波電抗器電場計算等效模型

3.1 理論模型

平波電抗器的電場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：

平波電抗器周圍空氣可近似為各向同性的均勻介質，即滿足媒質方程：

由于靜態電場屬于無旋場，因此滿足方程：

對公式(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為電場強度；ε為空氣的介電常數；φ為標量電位。

3.2 等效模型的建立

在±1100 kV換流站高端閥廳中，共使用四臺平波電抗器。其中每兩臺串聯在一起接入直流系統中。結合閥廳內實際布局情況，建立±1100 kV平波電抗器等效模型見圖2。

圖2 ±1100 kV平波電抗器模型(極母線側)

3.3 均壓環結構參數

各層均壓環的結構參數見表3。

表3 均壓環結構參數

3.4 模型的前處理

電抗線圈及其均壓環工作在同一電位，考慮到電場分布主要是由線圈本體和均壓環決定的，相關支撐零部件對其影響很小，故線圈模型只保留線圈本體和均壓環，刪去其他不必要的結構(見圖3)。

圖3 線圈模型的前處理

同時，對仿真計算結果影響較小的支撐體系拉筋和支柱絕緣子的傘裙也進行了忽略簡化。

3 電場仿真結果

基于ANSYS MAXWELL有限元分析軟件對平波電抗器電場分布進行了三維仿真計算。計算時，平波電抗器高壓側施加電壓為1227 kV，整體電位和電場分布計算結果見圖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分布云圖

通過對±1100 kV戶內布置平波電抗器電位和電場分布仿真計算結果進行分析，可以看出±1100 kV戶內布置平波電抗器電位分布較為均勻，電場強度較低，均壓屏蔽裝置設計合理，各層均壓環電場分布見圖6～圖9。

圖6 第一層和第二層均壓環電場分布云圖

圖7 第三層和第四層均壓環電場分布云圖

圖8 第五層和第六層均壓環電場分布云圖

圖9 第七層均壓環電場分布云圖

根據仿真計算結果，表面最大場強值位于頂部第一層均壓環半球形端部位置，表面最大場強值見表4。

表4 各層均壓環表面最大場強值

結合以上仿真計算結果，±1100 kV戶內布置平波電抗器整體電位分布均勻，電場強度主要分布在均壓環表面。分析數據可以看出，頂部第一層均壓環表面電場強度最高，達到了1151.95 V/mm，與±800 kV平波電抗器均壓環表面最大電場強度值1300 V/mm相比，前者數值更小。因此，可以得出：±1100 kV戶內布置平波電抗器均壓屏蔽裝置設計合理，電場強度值較低，滿足工程設計要求。

4 操作沖擊試驗驗證

為進一步驗證±1100 kV戶內布置平波電抗器均壓屏蔽裝置的屏蔽效果，在國網公司特高壓直流試驗基地(昌平)試驗大廳開展了±1100 kV戶內布置平波電抗器端對地操作沖擊試驗，試驗布置見圖10。

圖10 ±1100 kV戶內布置平波電抗器端對地操作沖擊試驗

±1100 kV戶內布置平波電抗器端對地操作沖擊試驗在標準波形參數250 μs/2 500 μs條件下進行，先進行正極性60%電壓沖擊1次，再進行正極性全電壓沖擊7次，最后進行負極性全電壓沖擊8次，試驗結果見表5。

表5 操作沖擊試驗施加電壓值

其中，正、負極性端對地操作沖擊最大值分別出現在第3次試驗和第12次試驗，波形圖如圖11和試驗結果滿足技術規范書中端對地的絕緣水平要求。

圖11 正極性操作沖擊最大值

圖12 負極性操作沖擊最大值

6 結語

本文開展了±1100 kV戶內布置平波電抗器的電場仿真計算，并進行了干態下的操作沖擊試驗，根據計算和試驗結果得到以下結論：

(1)±1100 kV戶內布置平波電抗器均壓屏蔽裝置設計合理，其電位分布較為均勻，其電場強度較±800 kV的更低，可滿足工程設計要求。

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

(3)±1100 kV戶內布置平波電抗器端對地操作沖擊耐受電壓滿足2100 kV的限值要求，該平波電抗器的設計能夠滿足實際工程需要。

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