超特高壓閥側套管的絕緣配合與電熱場(chǎng)分析

　　主要分析了特高壓直流閥側套管的電場(chǎng)和熱場(chǎng)的分布情況。由ANSYS仿真了線(xiàn)性和非線(xiàn)性下電場(chǎng)分布。由熱電類(lèi)比的方法模擬出熱場(chǎng)暫態(tài)分布，同時(shí)也給出了套管的穩態(tài)溫度分布情況。目前尚未建立套管熱場(chǎng)的有限元模型，因此提出可以建立套管的有限元模型，對其熱場(chǎng)進(jìn)行分析。

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的主要格局。輸電容量大、距離長(cháng)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。特高壓±800kV級直流輸電代表著(zhù)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計制造的難點(diǎn)在絕緣技術(shù)，而絕緣的關(guān)鍵部位在閥側出線(xiàn)裝置。閥側出線(xiàn)裝置指閥繞組引出線(xiàn)與套管連接處的絕緣結構，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(gè)復雜的油紙絕緣系統，承受著(zhù)該處嚴酷的電場(chǎng)應力，保障閥繞組端部出線(xiàn)安全引出。

　　換流變壓器閥側絕緣在運行中要長(cháng)期承受高幅值的直流和交流工作電壓以及各種過(guò)電壓，還要承受啟動(dòng)、停運和極性反轉等動(dòng)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(shí)，也會(huì )在絕緣中引起動(dòng)態(tài)直流電氣應力。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(chǎng)時(shí)除進(jìn)行沖擊試驗外，還要進(jìn)行長(cháng)時(shí)直流電壓試驗和極性反轉試驗。前一試驗主要代表長(cháng)期直流工作電壓的作用，后一試驗主要代表動(dòng)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。因此，真空技術(shù)網(wǎng)(http://likelearn.cn/)認為套管絕緣設計的首要目標是順利通過(guò)這3項試驗。

2、套管結構

　　套管有兩種結構：

　　圖1是HSP公司生產(chǎn)的±800kVGSETF/t的結構圖。

圖1 HSP公司生產(chǎn)的±800kVGSETF/t的結構圖

　　套管內絕緣設計：(7)為絕緣主體是由特殊皺紋紙在真空下浸漬環(huán)氧樹(shù)脂，同時(shí)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，由于其復雜的絕緣結構使得該處的電場(chǎng)和熱場(chǎng)容易不均勻而導致產(chǎn)生局部放電或是擊穿。

　　本文重點(diǎn)對套管連接處電場(chǎng)和熱場(chǎng)做出分析和研究。

圖2 為ABB公司GGF套管

3、電場(chǎng)分布

　　通過(guò)ANSYS仿真得到電場(chǎng)分布。通過(guò)對ANSYS的二次開(kāi)發(fā)，對套管電場(chǎng)分布得到較為精確的分布。對高壓直流套管做了有限元的仿真都是簡(jiǎn)單的考慮固定的常數或是在不同的電阻率比值下的仿真。

　　直流電場(chǎng)：根據，得出在直流電壓下電場(chǎng)分布如圖3和4，電場(chǎng)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(shù)脂和油的電阻率比為100的時(shí)候的電場(chǎng)分布圖

　　極性反轉電場(chǎng)：根據，得出在極性反轉下電場(chǎng)分布如圖5。極性反轉開(kāi)始在120s內從-Upr線(xiàn)性反轉到+Upr并穩定一段時(shí)間。對比仿真計算結果可以看出在極性反轉試驗電壓反轉過(guò)程中，套管尾部的電場(chǎng)分布規律比較相似，電容芯子內導電桿附近的電場(chǎng)較高，電容芯子導電桿附近極板下端部電場(chǎng)比較集中，套管尾部均壓球附近的電場(chǎng)分布比較集中。其電場(chǎng)強度極大值點(diǎn)出現在均壓球包覆層上下弧面外側。

圖4 環(huán)氧樹(shù)脂和油的電阻率比為10的時(shí)候的電場(chǎng)分布圖

圖5 極性反轉下電場(chǎng)分布

4、熱場(chǎng)分布

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

　　其基本原理如下，若描述2個(gè)物理量的微分方程形式相同，且幾何形狀和邊界條件相似，則兩者方程的解析解和實(shí)驗解可以通用。熱路和電路的物理量滿(mǎn)足上述3個(gè)條件，因此可以參照電路的物理量形式來(lái)描述熱路的物理量，即熱電類(lèi)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

　　根據熱電類(lèi)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(lèi)比到熱路：在任何時(shí)刻，對任一閉合回路

　　對任一結點(diǎn)

　　其中，m為閉合回路的結點(diǎn)數，z為與結點(diǎn)相連接的支路數，θHk和qHj分別為閉合回路結點(diǎn)k處的溫度和與結點(diǎn)相連的第j支路的熱流量。

　　根據以上基本原理可以建立如圖6的熱電類(lèi)比方法，通過(guò)仿真可以得出暫態(tài)的熱分布，結果如圖7。但是其中的時(shí)間常數難準確的得到。提出了穩態(tài)的套管熱分布的計算方法，給出了熱阻的計算方法，提出了套管瞬態(tài)的熱分布情況，加入了熱容的概念，沒(méi)有提出參數的具體算法，仿真出了瞬態(tài)的熱分布情況。

圖6 熱電類(lèi)比方法模型圖

圖7 套管暫態(tài)的熱分布

5、熱電耦合

　　由于套管芯子在電場(chǎng)的作用下發(fā)熱致使套管熱場(chǎng)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(chǎng)改變，導致一系列的變化。

　　為了得到溫度對電場(chǎng)的影響，有許多文獻是在不同的溫度下計算出電阻率再進(jìn)行電場(chǎng)分布的計算或是仿真，沒(méi)有點(diǎn)對點(diǎn)的對整個(gè)流程就行分析。

　　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(shí)間點(diǎn)的溫度分布

　　圖8得到的溫度分布只是某個(gè)時(shí)間點(diǎn)的溫度分布情況，沒(méi)有在一個(gè)時(shí)間段里對其分布做出分析。

　　提出通過(guò)對ANSYS的二次開(kāi)發(fā)，根據電場(chǎng)、溫度和電導率的關(guān)系對各個(gè)單元的電場(chǎng)進(jìn)行賦值這樣可以比較準確的得到套管的電場(chǎng)數值解。但目前還沒(méi)有相關(guān)的對熱場(chǎng)的分布的仿真。為此可以對套管的瞬態(tài)熱場(chǎng)分布進(jìn)行仿真，并與得到的結論進(jìn)行對比。

6、結論

　　本文對閥側套管的結構進(jìn)行了簡(jiǎn)單的介紹，分別給出了HSP和ABB公司生產(chǎn)的適用于±800kV換流變的閥側套管結構圖。對直流電壓和極性反轉下電場(chǎng)的分布做了分析。最后簡(jiǎn)述了國內外對套管熱場(chǎng)分布的研究情況，確立可以在A(yíng)NSYS的基礎上對套管進(jìn)行有限元電熱耦合分析，并分析電熱場(chǎng)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。