±800 kV“U”型SF6氣體絕緣穿墻套管絕緣性能分析

（國網(wǎng)重慶市電力公司電力科學(xué)研究院，重慶401123）

0 引言

高壓直流輸電定位于大型能源基地的遠(yuǎn)距離、大容量外送，隨著我國±800 kV特高壓直流輸電技術(shù)的迅速發(fā)展，一些特高壓直流電力設(shè)備的研制水平也得到顯著提升，其中就包括用于特高壓換流站閥廳的穿墻套管。該套管作為換流站直流場(chǎng)和閥廳的連接設(shè)備，在整個(gè)直流輸電工程中處于“咽喉”位置[1]。直流穿墻套管有三種技術(shù)方案：油浸紙電容式結(jié)構(gòu)、環(huán)氧浸紙電容式結(jié)構(gòu)和純SF6氣體金屬屏蔽式結(jié)構(gòu)[2]。油浸紙電容式結(jié)構(gòu)存在漏油、爆炸燃燒風(fēng)險(xiǎn)，不滿足閥廳無油化要求；環(huán)氧浸紙電容式電氣性能優(yōu)良，但設(shè)計(jì)、制造難度大；純SF6氣體金屬屏蔽式結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，制造難度相對(duì)較低。穿墻套管現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行中典型照片如圖1所示。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行穿墻套管典型照片F(xiàn)ig.1 The typical on-site scene of the wall bushing

現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明：為確保特高壓直流穿墻套管長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行，需在設(shè)計(jì)初期對(duì)其絕緣性能進(jìn)行較全面分析。例如圖1中空心復(fù)合絕緣子沿路徑1的電位分布是否均勻，空心復(fù)合絕緣子沿面電場(chǎng)強(qiáng)度能否滿足控制要求。文獻(xiàn)[3]表明：準(zhǔn)東-重慶±1 100 kV特高壓直流輸電工程中換流變壓器閥側(cè)套管將采用油浸紙電容式結(jié)構(gòu)，且給出了該套管的相關(guān)技術(shù)參數(shù)。文獻(xiàn)[4]應(yīng)用有限元法計(jì)算了±800 kV純SF6氣體金屬屏蔽式套管的電場(chǎng)分布，并分析了沿空心復(fù)合絕緣子發(fā)生閃絡(luò)的原因，提出了防止復(fù)合絕緣子發(fā)生電暈放電的措施。相關(guān)文獻(xiàn)研究表明深入了解穿墻套管在實(shí)際運(yùn)行環(huán)境下三維電場(chǎng)分布規(guī)律是穿墻套管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、絕緣性能評(píng)估的基礎(chǔ)[5-7]。筆者將金屬屏蔽式“U”型結(jié)構(gòu)用于穿墻套管設(shè)計(jì)，分析了±800 kV直流穿墻套管的實(shí)際運(yùn)行環(huán)境和參數(shù)，同時(shí)將有限元分析方法應(yīng)用于特高壓直流穿墻套管的三維電場(chǎng)模擬，討論了套管閃絡(luò)電壓與絕緣距離之間關(guān)系，可為特高壓穿墻套管的設(shè)計(jì)、制造和運(yùn)行提供理論依據(jù)。

1 計(jì)算原理

高壓套管結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜，存在復(fù)合絕緣結(jié)構(gòu)，以及各種不規(guī)則界面，所以高壓套管內(nèi)外絕緣結(jié)構(gòu)的電場(chǎng)分布也更加復(fù)雜。因此，結(jié)合工程的布置方式、應(yīng)用數(shù)值仿真計(jì)算，開展特高壓套管絕緣結(jié)構(gòu)的電場(chǎng)計(jì)算與分析，不但可以研究其絕緣結(jié)構(gòu)、校驗(yàn)初步設(shè)計(jì)，還可以根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果中發(fā)現(xiàn)的問題開展進(jìn)一步的優(yōu)化，完善設(shè)計(jì)[8-10]。在靜電場(chǎng)中取電位φ為直接求解對(duì)象。各類物理場(chǎng)的定解問題是由對(duì)應(yīng)的方程組和定解條件組成。若用有限元法求解，則首先需確定與定解問題等價(jià)的泛函問題即變分問題?，F(xiàn)以齊次第一類邊界條件的泊松場(chǎng)為例來說明泛函的極值問題。泊松場(chǎng)中泛定方程：

可以證明，該泛定方程與下列變分問題：

Uf50=ALB

d極值等價(jià)，且有唯一解。整理后可得：

在電磁場(chǎng)計(jì)算中極值都指極小值。式中的積分項(xiàng)稱為對(duì)應(yīng)于泊松方程的泛函，式中V表示場(chǎng)域。對(duì)上式進(jìn)行積分變換，可得：

式中，S是包圍V的閉合曲面。對(duì)于齊次第一類邊界條件和齊次第二類邊界條件，上式可以化簡(jiǎn)為

可以證明，在取泛函F（?）極值的過程中，己自動(dòng)滿足齊次第三類邊界條件，同時(shí)也滿足非齊次第二類或第三類邊界條件。該類邊界條件稱為自然邊界條件，其相對(duì)應(yīng)的變分問題稱為無條件變分問題。由于在求泛函極值過程中，第一類邊界條件沒有被自動(dòng)滿足，所以在處理對(duì)應(yīng)于第一類邊值問題和變分問題時(shí)，還必須單獨(dú)對(duì)第一類邊界條件進(jìn)行處理。通常稱這類邊界條件為強(qiáng)加邊界條件，而相對(duì)應(yīng)的變分問題稱為條件變分問題。

2 計(jì)算模型

依據(jù)“U”型±800 kV穿墻套管圖紙，考慮不同極板布置方式進(jìn)行實(shí)體建模，±800 kV“U”型穿墻套管三維有限元模型如圖2所示。

圖2“U”型±800 kV穿墻套管三維計(jì)算模型Fig.2 The three dimensional simulation model of“U”type±800 kV wall bushing

圖2表明“U”型穿墻套管與“一”型傳統(tǒng)穿墻套管相比，將中心導(dǎo)桿分為了戶內(nèi)、戶外兩部分，避免了“一”型傳統(tǒng)穿墻套管中心導(dǎo)桿過長(zhǎng)導(dǎo)致的制造難度。但套管高電位均壓環(huán)離墻體相同距離條件下，復(fù)合絕緣子需更長(zhǎng)距離?！癠”型穿墻套管將水平排布的中心導(dǎo)體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為具有一定角度的傾斜布置，降低了中心導(dǎo)體在水平排布條件下由于長(zhǎng)度過長(zhǎng)、自重過大導(dǎo)致的導(dǎo)體偏心現(xiàn)象發(fā)生。另一方面，由于“U”型穿墻套管結(jié)構(gòu)緊湊性，導(dǎo)致套管電場(chǎng)分布更為集中，增大了套管局部發(fā)生閃絡(luò)的風(fēng)險(xiǎn)，因此建立了套管的三維電場(chǎng)仿真計(jì)算模型，對(duì)其較為精確的三維電場(chǎng)分布進(jìn)行討論分析，其中±800 kV穿墻套管技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 ±800 kV穿墻套管技術(shù)參數(shù)Table 1 The technical parameters of±800 kV wall bushing

3 三維電場(chǎng)模擬結(jié)果

穿墻套管高電位均壓罩和中心導(dǎo)桿上施加雷電沖擊耐受試驗(yàn)電壓（全波）2 300 kV，套管接地法

蘭處接地施加零電位，從圖3中可看出由于套管復(fù)合傘套作用，高電位由高電位均壓罩逐漸降低至零電位。圖4中為均壓罩表面電場(chǎng)分布情況，其最大場(chǎng)強(qiáng)為2.727 kV/mm，低于空氣中3 kV/mm的控制場(chǎng)強(qiáng)。圖5和圖6中為穿墻套管核心部件雙層屏蔽表面電場(chǎng)分布情況，可見高場(chǎng)強(qiáng)區(qū)域主要集中在金屬屏蔽翻邊位置。雙層金屬屏蔽通過支撐絕緣桿連接，其場(chǎng)強(qiáng)最大值約為11.5 kV/mm，低于SF6氣體中20 kV/mm控制場(chǎng)強(qiáng)。

圖3 穿墻套管整體電位分布Fig.3 Overall potential distribution of the wall bushing

重點(diǎn)關(guān)注±800 kV“U”型穿墻套管復(fù)合傘套表面電位和電場(chǎng)分布情況如圖7和圖8所示。圖中表明復(fù)合傘套戶內(nèi)端接地側(cè)場(chǎng)強(qiáng)較低，高壓端出現(xiàn)了單一峰值，其值約為704 kV/m。復(fù)合傘套戶外端由于雙層金屬屏蔽調(diào)制作用，戶外端護(hù)套表面出現(xiàn)兩個(gè)場(chǎng)強(qiáng)峰值，其值分別為560 kV/m和356 kV/m。正是由于穿墻套管雙層屏蔽對(duì)護(hù)套表面電壓調(diào)制作用良好，降低了復(fù)合護(hù)套表面發(fā)生閃絡(luò)的概率。

圖4 均壓環(huán)表面電場(chǎng)分布Fig.4 E-field distribution on surface of the corona ring

圖5“U”型±800 kV穿墻套管屏蔽全局電場(chǎng)分布Fig.5 Overall E-field distribution of shielding surface of“U”type±800 kV wall bushing

圖6“U”型±800 kV穿墻套管屏蔽局部電場(chǎng)分布Fig.6 Local E-field distribution of shielding surface of“U”type±800 kV wall bushing

4 套管結(jié)構(gòu)型式選取討論

4.1 空心復(fù)合絕緣子的設(shè)計(jì)與分析

工頻和沖擊電壓下，套管的電氣性能要求空氣中的空心復(fù)合絕緣子外表面、油中的套管芯子外表面均不能發(fā)生閃絡(luò)放電，套管內(nèi)外絕緣的相互配合與芯子主絕緣對(duì)外絕緣的調(diào)節(jié)作用是套管外絕緣設(shè)計(jì)的關(guān)鍵[11-12]。套管空心復(fù)合絕緣子的干閃絡(luò)電壓接近于上法蘭與中間法蘭間的空氣間隙擊穿電壓，其主要決定于干閃絡(luò)距離Ld，各閃絡(luò)電壓值與干閃絡(luò)距離的關(guān)系如圖9所示。上圖表明套管空心復(fù)合絕緣子閃絡(luò)電壓隨絕緣距離的增加而上升，且存在飽和效應(yīng)。式（5）表明干閃絡(luò)距離Ld與套管空心復(fù)合絕緣子閃絡(luò)電壓間的定量關(guān)系：

式中：Uf50為閃絡(luò)電壓值（放電概率為50%）/kV；Ld為絕緣子外部干閃絡(luò)距離/m；A和B為待定系數(shù)。

圖7 戶內(nèi)端復(fù)合絕緣子表面電場(chǎng)分布Fig.7 Surface E-field distribution of indoor composite insulators

圖8 戶外端復(fù)合絕緣子表面電場(chǎng)分布Fig.8 E-field along the outdoor composite umbrella

圖9 標(biāo)準(zhǔn)大氣壓條件下空心復(fù)合絕緣子在空氣中的閃絡(luò)電壓與絕緣距離的關(guān)系Fig.9 The relationship between flashover voltage and insulation distance of hollow composite insulator under standard atmospheric pressure

4.2 穿墻套管長(zhǎng)空氣間隙絕緣配置討論

通過前面的分析可知，根據(jù)已有試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本可定量計(jì)算閃絡(luò)電壓與絕緣距離間的定量關(guān)系。對(duì)圖9中的曲線進(jìn)行數(shù)值擬合如表2所示。

表2 復(fù)合絕緣子在空氣中的閃絡(luò)電壓與絕緣距離間定量擬合關(guān)系Table 2 Quantitative relationship between flashover voltage and insulation distance of composite insulator

由于高壓電極對(duì)接地體最小安全距離由操作電壓控制，且空氣間隙在負(fù)極性操作沖擊下的放電電壓遠(yuǎn)高于正極性沖擊，因此主要討論穿墻套管在正極性操作沖擊放電特性試驗(yàn)討論。結(jié)合表2及式（5）可知，正操作波干/濕閃絡(luò)電壓可通過式（6）表示：

式（6）來源為通過實(shí)體套管結(jié)構(gòu)進(jìn)行正操作波干/濕閃絡(luò)電壓開展沖擊耐壓試驗(yàn)，考慮到特高壓電壓等級(jí)條件下，穿墻套管體積大、長(zhǎng)度長(zhǎng)、重量大，直接應(yīng)用實(shí)體套管進(jìn)行操作沖擊試驗(yàn)將存在較大困難，現(xiàn)僅討論單純均壓罩對(duì)接地墻體或大地的放電情況。試驗(yàn)電壓波形參數(shù)為250/2 500 μs，經(jīng)過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，不同空氣間隙50%放電電壓，標(biāo)準(zhǔn)沖擊電壓棒對(duì)板間隙的50%放電電壓與間隙距離的關(guān)系，可近似由經(jīng)驗(yàn)公式表示為[6]

對(duì)比式（6）和式（7），兩式存在一定差異，將兩者結(jié)果對(duì)比于圖10中。特高壓套管一般應(yīng)用于高海拔地區(qū)，海拔修正系數(shù)可按推薦公式計(jì)算即

式中：H為海拔高度，m；q為指數(shù)，其取值根據(jù)不同電壓類型進(jìn)行選取。在2 300 kV操作沖擊電壓下，通過以上公式進(jìn)行反演。從圖10中可看出，在相同絕緣距離條件下，實(shí)體套管結(jié)構(gòu)與簡(jiǎn)單金屬電極相比較具有更高的閃絡(luò)電壓，原因在于實(shí)體套管結(jié)構(gòu)具有更加均勻的電場(chǎng)分布。

為了更高的安全裕度，套管絕緣距離可設(shè)計(jì)為11m，其值可通過式（8）進(jìn)行海拔修正。

5 結(jié)論

圖10 不同試驗(yàn)條件下閃絡(luò)電壓與絕緣距離間的關(guān)系Fig.10 The relationship between flashover voltage and insulation distance under different test condition

分析了±800 kV特高壓直流穿墻套管的運(yùn)行環(huán)境，具備金屬屏蔽的“U”型穿墻套管可用于±800 kV特高壓穿墻套管的設(shè)計(jì)，有限元計(jì)算方法被用于特高壓穿墻套管的三維電場(chǎng)分析，高場(chǎng)強(qiáng)區(qū)域主要集中在穿墻套管金屬屏蔽和外均壓環(huán)表面，其閃絡(luò)電壓和絕緣距離之間關(guān)系可通過式表征，穿墻套管的實(shí)際運(yùn)行環(huán)境對(duì)其內(nèi)外絕緣性能提出了更高的要求。

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