特高壓±1 600 kV直流發(fā)生器空間電場(chǎng)分布仿真分析

張宗喜，甘德剛，朱天宇

(國(guó)網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，成都　610072)

特高壓±1 600 kV直流發(fā)生器空間電場(chǎng)分布仿真分析

張宗喜，甘德剛，朱天宇

(國(guó)網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，成都610072)

摘要：特高壓直流輸電是國(guó)家電網(wǎng)公司跨區(qū)域遠(yuǎn)距離輸電的重要手段，±1 600 kV特高壓直流電壓發(fā)生器是提供直流高壓試驗(yàn)電壓的重要設(shè)備，主要用于直流電氣設(shè)備的檢測(cè)試驗(yàn)。為保障直流輸電設(shè)備的安全運(yùn)行，采用空間電場(chǎng)分析軟件對(duì)直流發(fā)生器開展周圍空間的電場(chǎng)分布進(jìn)行數(shù)值模擬研究，分析其曲率半徑的變化，電場(chǎng)強(qiáng)度的變化規(guī)律及影響因素，為直流電壓發(fā)生器的試驗(yàn)室布局及編制現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)安全規(guī)程提供了有利的數(shù)值依據(jù)，并針對(duì)性提出電場(chǎng)分布優(yōu)化的措施。

關(guān)鍵詞：直流電壓發(fā)生器；電場(chǎng)計(jì)算；電暈；電場(chǎng)優(yōu)化

四川作為我國(guó)的重要水電能源基地，同時(shí)又位于西電東送工程的送端，區(qū)域內(nèi)在建多個(gè)電源點(diǎn)，包括錦屏、向家壩、溪洛渡等重大工程。高電壓等級(jí)輸變電設(shè)備安全可靠的穩(wěn)定運(yùn)行是在實(shí)施“西電東送、全國(guó)聯(lián)網(wǎng)”特高壓直流輸電工程中的首要前提條件[1]。目前四川電網(wǎng)已建成3座±800kV特高壓換流站?！? 600kV特高壓直流電壓發(fā)生器是提供直流高壓試驗(yàn)電壓的重要設(shè)備，主要用于直流電氣設(shè)備的試驗(yàn)，是四川特高壓試驗(yàn)基地建設(shè)的關(guān)鍵試驗(yàn)設(shè)備。設(shè)備電暈對(duì)將來要進(jìn)行的試驗(yàn)研究結(jié)果會(huì)帶來很大影響，而電暈的強(qiáng)烈程度直接取決于發(fā)生器部件的表面場(chǎng)強(qiáng)分布。為更好地向特高壓輸變電設(shè)備提供技術(shù)支撐，需要開展±1 600kV直流發(fā)生器空間電場(chǎng)分布仿真分析，這對(duì)直流電壓發(fā)生器的選型、試驗(yàn)室布局及編制現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)安全規(guī)程具有重要意義。

1直流電壓發(fā)生器原理

±1 600kV特高壓直流電壓發(fā)生器采用4級(jí)倍壓回路。直流電壓發(fā)生器的原理是通過倍壓整流電路構(gòu)成，以倍壓整流回路為基本單元形成n級(jí)倍壓?jiǎn)卧?，空載時(shí)最高輸出直流電壓為2nU-ΔU(U為充電變壓器輸出電壓幅值)。交流電源的正半波和負(fù)半波都可以向倍壓回路的電容C進(jìn)行充電，同時(shí)直流電壓發(fā)生器本體設(shè)計(jì)的濾波電容使電壓脈動(dòng)和電壓降落能夠得到充分的優(yōu)化改善。直流電壓發(fā)生器的原理圖如圖1所示。

圖1　直流電壓發(fā)生器原理圖

直流電壓發(fā)生器空載時(shí)各級(jí)倍壓?jiǎn)卧敵鲭妷杭氨秹弘娐份敵鲭妷旱慕德洇和脈動(dòng)振幅σU的公式如下：

(1)

式中n——級(jí)數(shù)；Iav——輸出電流平均值；f——電源頻率；C——右邊各級(jí)電容器的電容量。

直流電壓發(fā)生器額定輸出電壓為1 600kV，額定輸出電流為30mA。本體為兩柱式結(jié)構(gòu)，交流柱和直流柱對(duì)稱布置，頂部均壓環(huán)的直徑為6.1m，本體的總體高度為12.1m，對(duì)應(yīng)的分壓器頂部均壓環(huán)直徑為3.8m，由6級(jí)阻容分壓?jiǎn)卧?jí)組成，高度為12.1m；直流電壓發(fā)生器本體與分壓器之間由保護(hù)電阻相連，同時(shí)本體和分壓器與接地柱頂罩均由不銹鋼管焊接而成，進(jìn)而減小在高電壓下電暈的強(qiáng)度。

2電場(chǎng)計(jì)算理論方法與仿真建模

由于直流電壓發(fā)生器邊界較為復(fù)雜，用解析法難以得出其表達(dá)式，所以本次計(jì)算采用數(shù)值法。在數(shù)值法中又可以分為有限差分法(FDM)、有限單元法(FEM)、邊界元素法(BEM)、矩量法(MOM)等多種形式，本文對(duì)空間電場(chǎng)的計(jì)算選用有限單元法(FEM)。靜電場(chǎng)能量可表示為待定電位函數(shù)及其導(dǎo)數(shù)的積分式。同時(shí)對(duì)于電、磁場(chǎng)邊值來說，靜電學(xué)中的湯姆遜定理即是描述靜電現(xiàn)象的最小作用原理，即處于介質(zhì)中一個(gè)固定的帶電導(dǎo)體系統(tǒng)，其表面上電荷的分布，應(yīng)使合成的靜電場(chǎng)具有最小的靜電能量[2-6]。

2.1理論計(jì)算分析

在只考慮屏蔽電極單獨(dú)作用時(shí)的變化規(guī)律。對(duì)屏蔽電極而言，其形狀與一橢圓旋轉(zhuǎn)體相似，因此首先可用橢圓旋轉(zhuǎn)體的理論場(chǎng)強(qiáng)計(jì)算公式對(duì)其場(chǎng)強(qiáng)大小進(jìn)行估計(jì)，在橢球?qū)w表面上(θ=0)的電場(chǎng)強(qiáng)度為：

(2)

(3)

式中a，b，c——橢圓旋轉(zhuǎn)體的長(zhǎng)短軸(b=c)；V0——橢圓旋轉(zhuǎn)體表面的電位大小。

在橢球面上，

(4)

(5)

(6)

由此可見，在橢球面上，Emax出現(xiàn)在軸半徑最長(zhǎng)之處。由于主要關(guān)注的是最大電場(chǎng)強(qiáng)度，所以可通過式(3)和式(4)求出橢圓旋轉(zhuǎn)體的最大電場(chǎng)強(qiáng)度[7-11]。

2.2仿真分析模型

參照特高壓直流電壓發(fā)生器的制造參數(shù)，在仿真分析中電容器柱采用介質(zhì)填充模擬，相對(duì)介電常數(shù)ξr取2.55。金屬法蘭和頂部均壓環(huán)ξr為1。同時(shí)考慮到在有限元計(jì)算中只能處理有限區(qū)域空間問題，由于計(jì)算精度和計(jì)算時(shí)間的限制，經(jīng)分析計(jì)算區(qū)域的邊界取為30m、高30m的圓柱域邊界，內(nèi)部介質(zhì)為空氣。直流發(fā)生器仿真模型如圖2所示。

圖2　直流發(fā)生器仿真模型

3空間電場(chǎng)分布仿真分析

3.1直流電壓發(fā)生器空間電場(chǎng)分布

通過靜電場(chǎng)仿真軟件對(duì)參照直流電壓發(fā)生器實(shí)際參數(shù)建立的模型開展空間電場(chǎng)分布的仿真分析，可以較為清晰地了解發(fā)生器各部分的電場(chǎng)分部情況。在發(fā)生器本體及分壓器支柱法蘭未采取均壓環(huán)時(shí)，仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3　發(fā)生器整體電場(chǎng)分布圖

通過電場(chǎng)強(qiáng)度探針來測(cè)量直流電壓發(fā)生器周圍電場(chǎng)強(qiáng)度值的大小，此時(shí)的最大電場(chǎng)強(qiáng)度出現(xiàn)在直流發(fā)生器本體及分壓器第4級(jí)法蘭附近，約為15.66kV/cm；再向下其電場(chǎng)強(qiáng)度值有所減小，在第3個(gè)法蘭位置可測(cè)量到的最大電場(chǎng)強(qiáng)度為11.5kV/cm，第4個(gè)法蘭位置可測(cè)量到的最大電場(chǎng)強(qiáng)度為6.2kV/cm；再向下已很小，可不考慮。這些高場(chǎng)強(qiáng)的分布主要是因?yàn)榉ㄌm上的高電壓和其自身的尺寸小曲率半徑小造成的。

參考目前直流高壓發(fā)生器的設(shè)計(jì)最大場(chǎng)強(qiáng)一般控制在10kV/cm左右，顯然通過仿真分析發(fā)生器本體出現(xiàn)的最大場(chǎng)強(qiáng)超出了這一要求。由于影響電場(chǎng)分部的主要因素是電壓和電極的尺寸及形狀，為進(jìn)一步改善直流發(fā)生器本體電場(chǎng)的分布，對(duì)該電壓發(fā)生器本體和分壓器的本體連接處的法蘭加裝均壓環(huán)等措施來改善電場(chǎng)分部。通過分析計(jì)算對(duì)應(yīng)發(fā)生器本體和分壓器的防暈均壓環(huán)的管徑取為300mm。加裝均壓環(huán)后局部見圖4。

圖4　發(fā)生器及分壓器加裝均壓環(huán)圖

經(jīng)仿真分析，得到改進(jìn)后發(fā)生器整體電場(chǎng)分布圖如圖5所示。

圖5　改進(jìn)后發(fā)生器整體電場(chǎng)分布圖

此時(shí)通過電場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)試探針測(cè)量直流電壓發(fā)生器周圍的電場(chǎng)強(qiáng)度值的大小，最大電場(chǎng)仍處于發(fā)生器本體及分壓器的頂部，約為12.1kV/cm。為了保留一定的裕度，可以考慮在此處增加一均壓環(huán)，使其電場(chǎng)強(qiáng)度能進(jìn)一步降低。但將法蘭形狀改變后，直流柱的最大電場(chǎng)強(qiáng)度未超過8.9kV/cm，則滿足常規(guī)設(shè)計(jì)的要求。

3.2實(shí)際應(yīng)用

對(duì)發(fā)生器本體支柱法蘭加裝均壓環(huán)等措施后，該直流高壓發(fā)生器于2012年12在四川電力科學(xué)研究院高壓試驗(yàn)室正式投入運(yùn)行，并通過對(duì)具體高壓直流電氣設(shè)備開展了試驗(yàn)室試驗(yàn)，目前設(shè)備運(yùn)行正常，未出現(xiàn)因電暈的影響造成試驗(yàn)數(shù)據(jù)異常的現(xiàn)象。

4結(jié)語(yǔ)

在影響直流電壓發(fā)生器空間電場(chǎng)強(qiáng)度的分布因素中，屏蔽電極所占比重最大，支架的影響較微弱。由于支架本身具有高電壓，形狀較小，所以最大電場(chǎng)反而產(chǎn)生在其法蘭表面，因此應(yīng)對(duì)法蘭的曲率半徑大小和表面光潔度引起重視；均壓環(huán)可改變電場(chǎng)的分布，在對(duì)電場(chǎng)局部調(diào)整中作用較大。通過對(duì)法蘭處加裝均壓環(huán)和優(yōu)化均壓環(huán)的曲率半徑大小進(jìn)行仿真計(jì)算，使得直流電壓發(fā)生器的空間電場(chǎng)控制在10kV/cm附近，對(duì)應(yīng)本體和分壓器的防暈均壓環(huán)的管徑大約取為300mm。

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(本文編輯：趙艷粉)

Simulation Analysis of UHV ±1600kV DC Generator Electric Field Distribution

ZHANG Zong-xi, GAN De-gang, ZHU Tian-yu

(SichuanElectricPowerResearchInstitute,Chengdu610072,China)

Abstract:UHVDC (ultra high voltage direct current) is an important method for State Grid Corporation of China to achieve inter-regional long-distance power transmission. ±1600kV UHVDC generator is an important equipment to provide HVDC test voltage, mainly used for testing the DC electrical equipment. In order to guarantee the safe operation of DC transmission equipment, this paper uses electric field analysis software to simulate the electric field distribution in the space around the DC generator and carry out numerical analysis. Through analyzing changes in the radius of curvature and variation of the electric field strength and influencing factors, it provides a favorable numerical basis for laboratory layout of DC voltage generator and preparation of safety regulations in field trials. Finally the targeted measures to optimize the electric field distribution is proposed.

Key words:DC voltage generator; field calculation; corona; field optimization

DOI：10.11973/dlyny201603018

作者簡(jiǎn)介：張宗喜(1984)，男，高級(jí)工程師，從事高電壓絕緣與在線檢測(cè)及診斷工作。

中圖分類號(hào)：TM83

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：2095-1256(2016)03-0340-04

收稿日期：2016-02-23