特高壓換流站大尺寸典型電極起暈特性的仿真與試驗

劉 鵬 郭伊宇 吳澤華 張 煒 謝 梁

特高壓換流站大尺寸典型電極起暈特性的仿真與試驗

劉 鵬1郭伊宇1吳澤華1張 煒2謝 梁3

（1. 電力設(shè)備電氣絕緣國家重點實驗室（西安交通大學(xué)） 西安 710049 2. 平高集團有限公司 平頂山 467000 3. 中國電力科學(xué)研究院有限公司電網(wǎng)環(huán)境保護國家重點試驗室 武漢 430074）

為確保特高壓換流站均壓屏蔽裝置設(shè)計合理可靠，提出用于一種分析復(fù)雜電場環(huán)境下大尺寸典型電極起暈特性的三維仿真計算方法，并開展大尺寸球、環(huán)電極電暈試驗進行試驗驗證。試驗結(jié)果表明，所提出的計算方法能夠有效計算特高壓換流站大尺寸典型電極表面起暈電場強度，預(yù)測值與試驗值的相對誤差范圍在-2.6%～3.4%之間。該文分析并驗證了均壓環(huán)等效半徑經(jīng)驗公式，獲得該公式適用的均壓環(huán)管徑與環(huán)徑范圍。研究成果可為大尺寸電極起暈電場強度預(yù)測、換流站均壓屏蔽金具設(shè)計提供參考和依據(jù)。

特高壓 大尺寸電極 電暈試驗 起暈電場強度

0 引言

特高壓換流站閥廳是直流輸電系統(tǒng)中交直流轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部位，內(nèi)部安裝有換流閥、電壓電流測量設(shè)備、避雷器和絕緣子等重要設(shè)備。閥廳內(nèi)部為恒溫恒濕密閉空間，因此屏蔽金具表面電暈放電產(chǎn)生的電荷積聚難以消散，會對閥廳內(nèi)絕緣子沿面絕緣性能和測量控制設(shè)備產(chǎn)生持續(xù)影響[1-2]。為確保閥廳安全穩(wěn)定運行，需要嚴(yán)格控制閥廳內(nèi)部金具表面電場強度，防止發(fā)生電暈[3-5]。

大尺寸屏蔽球及均壓環(huán)是換流站閥廳中一種重要屏蔽金具，研究其起暈電場強度與電極結(jié)構(gòu)之間的特性可為閥廳屏蔽金具設(shè)計提供參考[6]。目前大尺寸屏蔽金具的起暈電壓與起暈電場強度特性仍需由現(xiàn)場電暈試驗確定。受到試驗場地及成本限制，難以大范圍開展不同電極結(jié)構(gòu)下的起暈特性試驗，因此需要探索電暈起始電壓、起始電場強度仿真計算方法，可為大尺寸電極、換流站均壓屏蔽金具設(shè)計提供參考和依據(jù)，降低試驗次數(shù)，節(jié)約試驗成本[7-11]。

在氣體自持放電中隨著電壓升高，依次呈現(xiàn)湯森暗放電、特里切爾脈沖電暈、輝光放電、電弧放電等現(xiàn)象[12]。根據(jù)流注理論、湯森理論，在氣體放電過程中二次電子發(fā)射是放電轉(zhuǎn)為自持的關(guān)鍵，需要考慮正離子對陰極表面轟擊、陰極表面光電子發(fā)射和場致電離等因素，其中場致電離只有在電場強度超過500kV/cm時才會產(chǎn)生[13]。文獻[14-16]通過設(shè)置陰極表面二次電子發(fā)射系數(shù)，實現(xiàn)對負(fù)極性電暈發(fā)展過程的仿真分析。

電暈起始判據(jù)的研究是控制電暈放電的關(guān)鍵，目前電暈起始判據(jù)的研究多關(guān)注電極周圍電場強度分布與電暈放電起始條件之間的關(guān)系，即通過理論推導(dǎo)或仿真計算獲得電極及附近氣體的電場分布，然后應(yīng)用起暈判據(jù)研究電暈放電是否發(fā)生。目前起暈判據(jù)主要包括經(jīng)驗公式、流注起始判據(jù)、光電離模型判據(jù)等。針對起暈電壓的數(shù)值計算方法，Peek公式適用于導(dǎo)線起暈電場強度計算，但無法計算大尺寸屏蔽球及均壓環(huán)等金具起暈電場強度[17-18]；流注起始判據(jù)采用計算雪崩間隙中引起電場畸變導(dǎo)致光電離所需的電子數(shù)作為起暈判據(jù)[19]，文獻[20]采用該判據(jù)計算了不同氣氛下環(huán)氧表面的無電極放電特性，預(yù)測結(jié)果與理論計算較為符合，然而對于大尺寸電極，其起暈電場強度低，計算得到雪崩間隙中電子數(shù)遠(yuǎn)低于理論值，因此不適合計算大尺寸電極起暈電場強度。文獻[21]對比了不同起暈電壓判據(jù)，發(fā)現(xiàn)正極性直流電壓下棒板電極起暈電場強度采用光電離法預(yù)測精度最高，且物理意義最為明確，因此對于正極性電極，應(yīng)采用光電離判據(jù)進行起暈預(yù)測。文獻[22]提出用于計算負(fù)極性起暈電壓的光電離模型，對小尺寸電極預(yù)測得到的結(jié)果較好，而文獻[23]指出該模型對負(fù)極性大尺寸屏蔽球預(yù)測的結(jié)果偏大，并提出基于支持向量回歸的機器學(xué)習(xí)起暈電壓預(yù)測模型，驗證了其可行性，但該方法不能描述電暈放電物理過程。其他基于實際電暈發(fā)展過程的流體動力學(xué)模型、等離子體化學(xué)反應(yīng)模型等，由于計算機計算能力限制，無法計算大尺寸金具起暈特性[24]。

受極性效應(yīng)影響，金具負(fù)極性起暈電壓低于正極性起暈電壓，因此金具特高壓換流站金具常開展負(fù)極性電暈特性試驗。本文在分析不均勻場負(fù)極性電暈放電機理的基礎(chǔ)上，采用基于湯森理論的大尺寸金具自持放電起暈判據(jù)，提出一種通過模擬粒子運動實現(xiàn)電場線追蹤計算不均勻電場下金具表面起暈電場強度的有限元仿真快速計算方法，可用于計算金具表面沿電力線碰撞電離產(chǎn)生的電子數(shù)，并參考閥廳及直流場中屏蔽球及均壓環(huán)尺寸，在西寧特高壓試驗基地開展球-板、環(huán)-板布置條件下的負(fù)極性電暈特性試驗，建立了試驗場精確仿真計算模型，并通過對比計算結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)，驗證了大尺寸金具自持放電起暈判據(jù)的正確性。研究結(jié)果有助于解釋不均勻場空氣長間隙起暈機理，為換流站屏蔽金具設(shè)計提供參考。

1 大尺寸典型電極起暈特性仿真分析

1.1 電暈放電物理模型

湯森理論中陰極表面二次電子產(chǎn)生的過程是去時間化與去空間化的定性理論，忽略了電子與正離子速度差異導(dǎo)致的空間電荷效應(yīng)。本文針對特高壓換流站大尺寸典型電極，其起暈電場強度遠(yuǎn)低于針-板電極起暈電場強度，放電轉(zhuǎn)為自持時的空間電荷效應(yīng)影響可以忽略[25]，且湯森理論物理意義明確，易于有限元快速仿真編程的實現(xiàn)，因此可采用湯森理論自持放電條件作為換流站大尺寸典型電極的起暈判據(jù)。根據(jù)湯森理論，非均勻電場下放電由非自持轉(zhuǎn)為自持的條件為

1.2 三維電場-粒子流計算方法與大尺寸典型電極起暈特性計算方法

為此，本文提出三維電場-粒子流仿真計算方法，結(jié)合有限元仿真計算軟件COMSOL，通過模擬電荷在復(fù)雜電場中的運動軌跡求解計算D所需的積分路徑，從而求出特高壓換流站內(nèi)復(fù)雜電場狀態(tài)下電極表面的D值。

假設(shè)某一點電荷由電極表面任意一點無初速度射出，根據(jù)動量守恒定律

則電荷的運動方程可表示為

式中，為點電荷速度；為點電荷質(zhì)量；為該點電荷的電荷量；為空間電場。

式（5）適用于計算電力線方向不發(fā)生改變的情況下，當(dāng)電力線方向改變時，點電荷在電場中的運動受到慣性作用，此時運動軌跡會逐漸偏移電力線方向，如圖1a所示。

圖1 aD的積分路徑計算方法

從圖1b中可以看出，點電荷的運動軌跡在軌跡與電力線重合。此時，聯(lián)立式（2）和式（3），可將求解電極表面積分湯森增長系數(shù)問題轉(zhuǎn)化為求解任意位置發(fā)射的點電荷沿電力線的運動軌跡及軌跡上的湯森電離系數(shù)。通過求解沿帶電粒子運動軌跡的積分方程，即可獲得積分湯森增長系數(shù)D。

圖2 基于湯森自持放電起暈判據(jù)的起暈電壓計算流程

1.3 特高壓換流站大尺寸電極起暈特性仿真結(jié)果

1.3.1 電場分布與積分湯森增長系數(shù)

圖3 棒板電極電場分布及凈碰撞電離系數(shù)分布

圖4給出了不同電極半徑下，加載不同電壓使電極表面電場強度最大值為3kV/mm時，沿電極表面積分湯森增長系數(shù)D的變化情況。圖4中橫坐標(biāo)表示電極表面弧OA占總弧長的比值。從圖4中可以看出，對于棒-板電極，積分湯森增長系數(shù)D最大值出現(xiàn)的位置與電極表面電場強度最大值的位置一致，均位于棒電極最下端；此外，加載不同電壓，使電極表面電場強度最大值均為3kV/mm時，電極表面電場強度分布基本一致，但積分湯森增長系數(shù)D具有顯著差異。因此可以得出，在相同電場強度條件下，大尺寸電極更容易滿足式（1）形成自持放電，產(chǎn)生電暈。

圖4 棒電極下表面電電場強度度與積分湯森增長系數(shù)分布

圖6給出了不同環(huán)半徑下，加載不同電壓使電極表面電場強度最大值為3kV/mm時，沿電極表面積分湯森增長系數(shù)D的變化情況。從圖6中可以看出，沿弧長方向環(huán)電極表面電場強度與積分湯森增長系數(shù)D呈先增大后減小的趨勢。電場強度所在位置與環(huán)電極表面D最大值所在位置基本一致。此外隨著環(huán)半徑增加，環(huán)表面等效曲率半徑增大，空間中電場分布改變，導(dǎo)致積分湯森增長系數(shù)峰值逐漸增大，更易實現(xiàn)自持放電；且隨著環(huán)半徑的增大，電場強度最大值出現(xiàn)的位置基本不變，而D最大值出現(xiàn)的位置逐漸向電極外側(cè)偏移。

圖5 環(huán)電極電場分布及凈碰撞電離系數(shù)分布

圖6 環(huán)電極下表面電電場強度度與積分湯森增長系數(shù)分布

1.3.2 大尺寸均壓環(huán)等效半徑經(jīng)驗公式

均壓環(huán)設(shè)計制造中，常采用等效半徑經(jīng)驗公式法預(yù)測其起暈特性，假定由經(jīng)驗公式給出的同等效半徑均壓環(huán)起暈電場強度與球電極的相同。本文采用的均壓環(huán)等效半徑為[28]

式中，為均壓環(huán)等效半徑；為均壓環(huán)環(huán)中心徑；為均壓環(huán)管徑。

式（6）未考慮均壓環(huán)的形狀對其起暈特性的影響，為驗證經(jīng)驗公式（6）的適用范圍，采用上述的基于湯森自持放電起暈判據(jù)的起暈電壓計算方法對同等效半徑200mm、不同形狀參數(shù)的均壓環(huán)起暈電場強度進行預(yù)測，均壓環(huán)形狀參數(shù)由管徑與環(huán)徑的比值給出，均壓環(huán)底部距地高度3m，中心棒電極半徑為0.15m，人工邊界長度、高度分別為5.5m、6m，環(huán)電極布置及仿真計算結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同形狀參數(shù)下均壓環(huán)預(yù)測起暈電場強度預(yù)測

1.3.3 試驗場條件下大尺寸電極起暈特性

為求解計算試驗站條件下典型電極起暈特性，應(yīng)用有限元仿真計算軟件COMSOL，構(gòu)建了青海電力培訓(xùn)基地特高壓戶外試驗場有限元仿真模型如圖8a所示。計算時，高壓電極、導(dǎo)線和直流發(fā)生器加載試驗電壓，直流發(fā)生器中心法蘭邊界條件為懸浮電位，雷電沖擊發(fā)生器、集裝箱、地面和吊車接地，人工邊界為100m×100m×100m的立方體，圖8b給出了仿真計算得到的試驗場電位分布云圖。

圖8 特高壓試驗場大尺寸典型電極起暈特性仿真模型

應(yīng)用三維電場-粒子流計算方法，計算得到青海電力培訓(xùn)基地特高壓戶外試驗場條件下模擬電荷簇運動軌跡如圖9所示。從圖9中可以看出，初始時刻電荷簇在電極下側(cè)呈球面分布，在電場力作用下，電荷簇發(fā)射并向地電極移動。受周圍復(fù)雜環(huán)境影響，帶電粒子運動軌跡發(fā)生偏轉(zhuǎn)并最終吸附在地面上。

圖9 試驗場條件下模擬電荷簇運動軌跡

根據(jù)電荷簇的運動軌跡，可以計算得到球電極下表面積分湯森增長系數(shù)D的三維分布。圖10a、圖10b分別給出了計算得到的大尺寸球電極和環(huán)電極表面電場強度分布和積分湯森增長系數(shù)分布。圖10c為電極表面起暈位置預(yù)測結(jié)果，電極施加電壓達到起暈電壓后，圖中紅色區(qū)域積分湯森增長系數(shù)大于臨界起暈系數(shù)，滿足自持放電條件，綠色區(qū)域條件未滿足，不考慮異物吸附和電極表面的缺陷，電極表面起暈位置即位于圖中紅色區(qū)域。

圖10 大尺寸球、環(huán)電極起暈特性預(yù)測

從圖10中可以看出，對于球電極，受接地網(wǎng)地電位的影響，其表面最大電場強度值和最大積分湯森增長系數(shù)均出現(xiàn)在金具球底部；對于大尺寸均壓環(huán)，受自身環(huán)形結(jié)構(gòu)及周圍環(huán)境地電位的影響，其表面最大電場強度值和最大積分湯森增長系數(shù)出現(xiàn)在環(huán)外側(cè)下沿。

表1和表2分別給出了特高壓換流站大尺寸球、環(huán)電極起暈電場強度的預(yù)測值。從表中可以看出，隨著電極尺寸逐漸增大，電極起暈電場強度的預(yù)測值逐漸降低。

表1 特高壓換流站典型球電極起暈電場強度預(yù)測值

表2 特高壓換流站典型環(huán)電極起暈電場強度預(yù)測值

2 典型電極起暈特性及仿真試驗驗證

2.1 特高壓換流站大尺寸電極電暈試驗

為驗證特高壓大尺寸電極起暈電場強度仿真結(jié)果的有效性，在青海電力培訓(xùn)基地特高壓戶外試驗場開展了電暈試驗，該處海拔高度為2 100m?？紤]到試驗場地條件及電極設(shè)置，共設(shè)計加工了半徑為150～500mm、共8件球電極試樣，以及5件不同管徑、環(huán)徑的大尺寸環(huán)電極試樣。

試驗時，電極底部距離地面保持高度為3m，地面鋪設(shè)有6m×6m接地金屬板，試驗場布置如圖11所示。試驗根據(jù)CB/T 2317.2—2008進行，采用全日盲型紫外成像儀對放電電暈進行觀測，記錄金具表面出現(xiàn)光子時電壓為起暈電壓，該位置為起暈位置并記錄氣象條件[29]。根據(jù)極性效應(yīng)，試驗采用負(fù)極性直流電源進行加壓。

圖11 大尺寸典型電極電暈試驗布置

為精確計算戶外試驗布置條件下大尺寸電極表面的起暈電場強度，詳細(xì)測量了試驗布置、周圍設(shè)備尺寸及位置等參數(shù)，在有限元仿真軟件COMSOL中按1:1比例布置了戶外試驗的有限元仿真計算全模型。建模中為降低模型復(fù)雜度，提高計算效率，忽略了金具內(nèi)被屏蔽的螺栓以及周圍設(shè)備表面形貌。

2.2 試驗結(jié)果

通過紫外成像儀觀測得到的大尺寸金具表面起暈現(xiàn)象如圖12所示。其中圖12a為球電極紫外圖象，圖12b為環(huán)電極紫外圖象。金具表面起暈時，以觀測到光子由電極表面蹦出，對于大尺寸球電極，其放電點基本位于球電極的正下方，放電點位置比較穩(wěn)定；對于大尺寸環(huán)電極，其初始放電點基本位于環(huán)電極外斜下側(cè)。對比圖10c中的仿真結(jié)果表明，球電極與環(huán)電極起暈位置的預(yù)測結(jié)果與試驗觀測結(jié)果一致。

圖12 大尺寸金具表面起暈紫外觀測圖

每個大尺寸電極進行3～4組試驗，記錄其溫度、氣壓、起暈電壓值。對起暈電壓取平均值并通過有限元仿真計算得到金具表面起暈電場強度預(yù)測值，球電極與環(huán)電極表面起暈電場強度見表3和表4。從表中可以看出，隨著電極尺寸的增大，起暈電壓和起暈電場強度逐漸增大，且起暈電場強度隨電極的尺寸增大具有飽和趨勢。當(dāng)電極等效半徑大于400mm時，電極表面的起暈電場強度趨于1.7kV/mm。

表3 球電極表面起暈電場強度

Tab.3 Electric field strength of corona onset for ball electrode

表4 環(huán)電極表面起暈電場強度

Tab.4 Electric field strength of corona onset for ring electrode

3 試驗與仿真結(jié)果分析

圖13給出了等效半徑為100～1 000mm特高壓換流站大尺寸典型電極負(fù)極性起暈電場強度的仿真和試驗結(jié)果對比圖。從圖13中可以看出，起暈電場強度隨典型電極等效半徑的增大逐漸減小，且具有飽和趨勢。由于積分湯森增長系數(shù)不僅與表面最大電場強度值有關(guān)，還與空間中電場分布有關(guān)，當(dāng)電極尺寸較小時，電極表面曲率隨著等效半徑改變的變化幅度更大，金具表面空間中電場強度衰減更快，尺寸改變對其影響更為劇烈。表5給出了計算結(jié)果與試驗起暈電場強度的誤差，可以看出，起暈電場強度計算結(jié)果與試驗值相對誤差在±3.5%以內(nèi)，試驗值與計算值一致性好，本文方法能夠有效計算并獲得特高壓換流站大尺寸典型電極表面的起暈電場強度值。

圖13 大尺寸電極起暈電場強度預(yù)測結(jié)果

表5 大尺寸電極起暈電場強度預(yù)測誤差

4 結(jié)論

1）本文針對大尺寸電極起暈電場強度計算，分析了不均勻電場電暈放電機理，提出了用于仿真計算復(fù)雜電場環(huán)境下特高壓換流站大尺寸典型電極起暈特性的三維仿真計算方法，并采用湯森自持放電理論作為起暈判據(jù)，計算得到了不同尺寸球、環(huán)電極表面起暈電場強度。

2）應(yīng)用上述方法分析對比了積分湯森增長系數(shù)隨不同電極尺寸的變化規(guī)律，在相同電場強度下，大尺寸電極積分湯森增長系數(shù)相對更高，易滿足湯森自持放電判據(jù)而形成自持放電，產(chǎn)生電暈。驗證了均壓環(huán)等效半徑經(jīng)驗公式，并發(fā)現(xiàn)考慮最大±5%的相對誤差時，該公式的適用范圍為管徑環(huán)徑比/在12.5%～100%的均壓環(huán)。

3）設(shè)計并開展了特高壓換流站不同尺寸典型球、環(huán)電極電暈試驗，結(jié)合三維有限元仿真計算得到了不同尺寸電極起暈電場強度。隨電極的尺寸增大，起暈電場強度增大具有飽和趨勢。當(dāng)電極等效半徑大于400mm時，電極表面的起暈電場強度趨于1.7kV/mm。

4）本文條件下負(fù)極性起暈電場強度的試驗值與仿真值基本相符，相對誤差范圍在-2.6%～3.4%之間，試驗驗證了仿真計算結(jié)果的有效性，可為復(fù)雜電場環(huán)境下起暈電場強度的計算提供參考和依據(jù)。

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Simulation and Experimental Study on Corona Characteristics of Large Size Typical Electrodes Used in UHV Converter Station

Liu Peng1Guo Yiyu1Wu Zehua1Zhang Wei2Xie Liang3

（1. State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment Xi’an Jiaotong University Xi’an 710049 China 2. Pinggao Group Co. Ltd Pingdingshan 467000 China 3. State Key Laboratory of Power Grid Environmental Protection China Electric Power Research Institute Wuhan 430074 China）

To ensure the reliable design of the shielding device in UHV converter stations, a three-dimensional method to analyze corona onset characteristic of large size shielding devices was proposed in the paper. The corona test is carried out with large size sphere and ring electrodes, and the test results show that the method this paper proposed can effectively predict the corona onset-field strength on the surface of large-size typical electrodes in UHV converter stations, and the relative error between the prediction value and the experimental value is between-2.6% and 3.4%. The empirical formula for equivalent radius of grading ring is analyzed and verified, which the scope of the formula about pipe diameter and ring diameter is determined. The research can provide basis for the prediction of the corona onset electric strength of the large size electrodes and the design of the shielding devices.

UHV, large size shielding device, corona test, corona onset-field strength

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.210631

TM854

國家電網(wǎng)公司總部科技項目資助（5500-201947423A-0-0-00）。

2021-05-06

2021-10-18

劉 鵬 男，1979年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為高端交/直流套管關(guān)鍵技術(shù)、特高壓GIL類關(guān)鍵技術(shù)、電力設(shè)備絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計及多物理場仿真等。E-mail：pengliu@mail.xjtu.edu.cn

郭伊宇 男，1996年生，碩士研究生，研究方向為高電壓試驗技術(shù)、電力設(shè)備絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計及多物理場仿真。E-mail：gosick@stu.xjtu.edu.cn（通信作者）

（編輯 郭麗軍）