超特高壓閥側(cè)套管的絕緣配合與電熱場分析

隋彬，曹建軍

(二灘水電開發(fā)有限責任公司，四川 成都 610031)

1 引言

我國的水力和煤炭資源主要分布在西部，電力負荷主要在東部。西電東送是我國電力系統(tǒng)的主要格局。輸電容量大、距離長使已有的500kV電壓等級難以支撐，必須發(fā)展更高電壓等級的特高壓輸變電系統(tǒng)。特高壓±800kV級直流輸電代表著當今世界輸變電技術(shù)的最高水平，±800kV干式直流套管作為直流輸變電工程中大型電力設(shè)備換流變壓器、平波電抗器的重要組件，以及閥廳穿墻用套管，已成為制約我國特高壓直流輸電發(fā)展的瓶頸。在直流套管方面，代表世界最高技術(shù)水平的ABB公司、SIEMENS公司已具備生產(chǎn)±600kV換流變壓器套管、平波電抗器套管和穿墻套管的技術(shù)。其中ABB公司主要生產(chǎn)高壓直流油浸紙式套管;SIEMENS公司主要生產(chǎn)高壓直流環(huán)氧浸漬干式套管，但都技術(shù)壟斷。

高壓和特高壓換流變壓器設(shè)計制造的難點在絕緣技術(shù)，而絕緣的關(guān)鍵部位在閥側(cè)出線裝置。閥側(cè)出線裝置指閥繞組引出線與套管連接處的絕緣結(jié)構(gòu)，包括均壓電極和多層紙板圍屏，它與套管密切配合，組成一個復(fù)雜的油紙絕緣系統(tǒng)，承受著該處嚴酷的電場應(yīng)力，保障閥繞組端部出線安全引出。

換流變壓器閥側(cè)絕緣在運行中要長期承受高幅值的直流和交流工作電壓以及各種過電壓，還要承受啟動、停運和極性反轉(zhuǎn)等動態(tài)直流電壓。當換流變壓器負荷和溫度變化引起電阻率變化時，也會在絕緣中引起動態(tài)直流電氣應(yīng)力。在1976年和1984年的CIGRE文件中都提出:為了考核絕緣的承受能力，換流變壓器出廠時除進行沖擊試驗外，還要進行長時直流電壓試驗和極性反轉(zhuǎn)試驗。前一試驗主要代表長期直流工作電壓的作用，后一試驗主要代表動態(tài)直流電壓的作用。兩項試驗的試驗電壓都涉及了交流電壓分量。2000年IEC提出的換流變壓器標準中增加了1h交流電壓試驗，以彌補前兩項試驗對油隙考核的不足［1］。因此，套管絕緣設(shè)計的首要目標是順利通過這3項試驗。

2 套管結(jié)構(gòu)

套管有兩種結(jié)構(gòu):

圖1是HSP公司生產(chǎn)的±800kV GSETF/t的結(jié)構(gòu)圖。

圖1 HSP公司生產(chǎn)的±800kV GSETF/t的結(jié)構(gòu)圖

套管內(nèi)絕緣設(shè)計:(7)為絕緣主體是由特殊皺紋紙在真空下浸漬環(huán)氧樹脂，同時由鋁箔逐步分層，促使主絕緣體電壓分布均勻。

換流變和套管的連接處，由于其復(fù)雜的絕緣結(jié)構(gòu)使得該處的電場和熱場容易不均勻而導(dǎo)致產(chǎn)生局部放電或是擊穿。

本文重點對套管連接處電場和熱場做出分析和研究。

圖2 為ABB公司GGF套管

3 電場分布

通過ANSYS仿真得到電場分布。通過對ANSYS的二次開發(fā)［2］，對套管電場分布得到較為精確的分布。文獻［3－5］對高壓直流套管做了有限元的仿真都是簡單的考慮固定的常數(shù)或是在不同的電阻率比值下的仿真。

直流電場:根據(jù)文獻［6］，得出在直流電壓下電場分布如圖3和4，電場分布主要取決于材料的電阻率，即為阻性分布。

圖3 環(huán)氧樹脂和油的電阻率比為100的時候的電場分布圖

圖3是套管在選取環(huán)氧樹脂和油的電阻率比為100的時候的電場分布圖。

圖4是套管在選取環(huán)氧樹脂和油的電阻率比為10的時候的電場分布圖。

極性反轉(zhuǎn)電場:根據(jù)文獻［3］，得出在極性反轉(zhuǎn)下電場分布如圖5。極性反轉(zhuǎn)開始在120s內(nèi)從－Upr線性反轉(zhuǎn)到+Upr并穩(wěn)定一段時間。對比仿真計算結(jié)果可以看出在極性反轉(zhuǎn)試驗電壓反轉(zhuǎn)過程中，套管尾部的電場分布規(guī)律比較相似，電容芯子內(nèi)導(dǎo)電桿附近的電場較高，電容芯子導(dǎo)電桿附近極板下端部電場比較集中，套管尾部均壓球附近的電場分布比較集中。其電場強度極大值點出現(xiàn)在均壓球包覆層上下弧面外側(cè)。

圖4 環(huán)氧樹脂和油的電阻率比為10的時候的電場分布圖

圖5 極性反轉(zhuǎn)下電場分布

4 熱場分布

熱場的分布可以同過有限元的仿真和熱電類比的方法來計算。對于熱場的有限元仿真還沒有查到相關(guān)的文獻，這里主要介紹熱電類比的方法。

其基本原理如下，若描述2個物理量的微分方程形式相同，且?guī)缀涡螤詈瓦吔鐥l件相似，則兩者方程的解析解和實驗解可以通用［7］。熱路和電路的物理量滿足上述3個條件，因此可以參照電路的物理量形式來描述熱路的物理量［8，9］，即熱電類比法。熱路和電路的對照關(guān)系如表1所示。

表1 熱路和電路物理量對照表

根據(jù)熱電類比原理，由U=IR可得θH=qHRH，由I=CdU/dt可得 qH=CHdθH/dt。

基爾霍夫電壓定律和基爾霍夫電流定律同樣可類比到熱路:在任何時刻，對任一閉合回路對任一結(jié)點，其中，m為閉合回路的結(jié)點數(shù)，z為與結(jié)點相連接的支路數(shù)，θHk和qHj分別為閉合回路結(jié)點k處的溫度和與結(jié)點相連的第j支路的熱流量。

圖6 熱電類比方法模型圖

圖7 套管暫態(tài)的熱分布

根據(jù)以上基本原理可以建立如圖6的熱電類比方法，通過仿真可以得出暫態(tài)的熱分布，結(jié)果如圖7。但是其中的時間常數(shù)難準確的得到。文獻［10］提出了穩(wěn)態(tài)的套管熱分布的計算方法，給出了熱阻的計算方法，文獻［11］提出了套管瞬態(tài)的熱分布情況，加入了熱容的概念，沒有提出參數(shù)的具體算法，仿真出了瞬態(tài)的熱分布情況。

5 熱電耦合

由于套管芯子在電場的作用下發(fā)熱致使套管熱場發(fā)生變化，電介質(zhì)的電阻率又和溫度有關(guān)系致使電阻改變，電阻的改變致使電場改變，導(dǎo)致一系列的變化。

為了得到溫度對電場的影響，有許多文獻是在不同的溫度下計算出電阻率再進行電場分布的計算或是仿真，沒有點對點的對整個流程就行分析。

文獻［10］提出了電熱耦合的解析解，其主要方程為:

得出溫度的大致分布如圖8。

圖8 某時間點的溫度分布

圖8得到的溫度分布只是某個時間點的溫度分布情況，沒有在一個時間段里對其分布做出分析。

文獻［2］提出通過對ANSYS的二次開發(fā)，根據(jù)電場、溫度和電導(dǎo)率的關(guān)系對各個單元的電場進行賦值這樣可以比較準確的得到套管的電場數(shù)值解。但目前還沒有相關(guān)的對熱場的分布的仿真。為此可以對套管的瞬態(tài)熱場分布進行仿真，并與文獻［11］得到的結(jié)論進行對比。

6 結(jié)論

本文對閥側(cè)套管的結(jié)構(gòu)進行了簡單的介紹，分別給出了HSP和ABB公司生產(chǎn)的適用于±800kV換流變的閥側(cè)套管結(jié)構(gòu)圖。對直流電壓和極性反轉(zhuǎn)下電場的分布做了分析。最后簡述了國內(nèi)外對套管熱場分布的研究情況，確立可以在ANSYS的基礎(chǔ)上對套管進行有限元電熱耦合分析，并分析電熱場最后提供使得套管的絕緣配合到達最佳的效果的理論依據(jù)。

［1］IEC 61378－2 Converter Transformers－2:Transformers for HVDC applications［S］，2001.

［2］羅隆福.高壓直流穿墻套管非線性電場的求解［J］.高電壓技術(shù)，2002(5):3－5.

［3］劉鵬.極性反轉(zhuǎn)試驗中，±800kV換流變壓器套管尾部的電場分布研究［J］.電瓷避雷器，2009(3):1－8.

［4］張瑞峰，劉云鵬，邵士雯.+800kV特高壓直流復(fù)合絕緣子電場有限元分析［J］.華東電力，2011(7):1116－1119.

［5］江汛.復(fù)合高壓套管的電場計算和分析［J］.高電壓技術(shù)，2004(3):17－19.

［6］Peng Liu，Electric Field Calculation and Structural Optimization of ±800kV Converting Transformer Bushing Outlet Terminal［C］.8th International Conference on Properties and applications of Dielectric Materials，2006:840－843.

［7］劉鑒民.傳熱傳質(zhì)原理及其在電力科技中的應(yīng)用分析［M］.北京:中國電力出版社，2006.

［8］SWIFT G W，MOLINSKI T S，LEHN W.A Fundamental Approach to Transformer Thermal Modeling-Part I:Theory and Equivalent Circuit［J］.IEEE Transactions on Power Delivery，2001，16(2):171－175.

［9］SWIFT G W，MOLINSKI T S，BRAY R，et al.A Fundamental Approach to Transformer Thermal Modeling-Part II:Field Verification［J］.IEEE Transactions on Power Delivery，2001，16(2):176－180.

［10］Jyothi，N S，Ramu，T S，Mandlik，M.Temperature Distribution in Resin Impregnated Paper Insulation for Transformer Bushings［J］.IEEE Transactions on Dielectric s and Electrical Insulation，2010，8(6):931－938.

［11］Shibao Zhang.Evaluation of Thermal Transient and Overload Capability of High-Voltage Bushings With ATP［J］.IEEE Transactions on Power Delivery，2009，24(3):1295－1301.