±1100kV直流閥廳金具電場仿真設(shè)計

賈　偉　牛萬宇　王幫田　黃曄礦　王金芳

（許繼集團有限公司，河南 許昌 461000）

±1100kV直流閥廳金具電場仿真設(shè)計

賈偉牛萬宇王幫田黃曄礦王金芳

（許繼集團有限公司，河南 許昌 461000）

閥廳金具作為直流輸電工程換流站閥廳設(shè)備電氣連接及固定用裝置，連接和組合換流站閥廳電力系統(tǒng)中各類裝置，以傳遞機械、電氣負荷及實現(xiàn)某種防護作用。其表面電暈直接影響著閥廳及其設(shè)備的表面電場分布，對其表面電場進行仿真具有重要意義。本文基于Infolytica ElecNet電場仿真軟件對閥廳金具電場仿真影響因素空氣包大小、電極長短進行了研究。結(jié)果表明：隨著空氣包的增大，其表面電場逐漸減少，直至趨于一穩(wěn)定值；金具表面電場與電極長度無關(guān)，其影響可忽略不計。根據(jù)研究成果給出了±1100kV直流閥廳金具管母外接頭電場仿真結(jié)果，對±1100kV特高壓直流輸電工程閥廳金具的研制具有重要指導(dǎo)作用。

Infolytica；±1100kV；特高壓直流輸電；閥廳金具；管母外接頭；表面電場

換流站閥廳金具作為連接閥廳各類電氣設(shè)備之間的裝置，是直流輸電工程換流站中不可缺少的設(shè)備。承擔著各類電氣設(shè)備之間的電氣交換及支撐防護作用，其關(guān)鍵技術(shù)一直被國外廠家掌握，產(chǎn)品嚴重依賴進口，特別是±800kV以上特高壓直流輸電工程閥廳金具的供應(yīng)一直被RIBE公司所壟斷，價格昂貴其難以服務(wù)到位，嚴重制約著換流變壓器研制的自主化、國產(chǎn)化，對其進行國產(chǎn)化研制具有重大意義。

目前，國內(nèi)南京線路器材廠、四平線路器材廠已完成±800kV特高壓直流輸電工程閥廳金具的研究，但尚未工程業(yè)績，對于±1100kV閥廳金具國內(nèi)外均處于研究階段。

其制約因素主要為閥廳金具表面電場的確定。國外RIBE公司作為世界上最早從事金具研究和生產(chǎn)的公司之一，對直流閥廳金具研究較早，其生產(chǎn)的閥廳金具不僅在國外市場處于壟斷地位，在中國±800kV直流輸電工程也處于絕對壟斷地位。RIBE公司通過與杜伊斯堡-埃森大學合作，對±800kV直流輸電工程閥廳金具表面電場進行了深入研究，并通過實驗進行了驗證［11-16］，其研發(fā)產(chǎn)品已在向上、錦屏、浙溪、糯扎渡等±800kV直流輸電工程進行了廣泛應(yīng)用。但其公開發(fā)表的文獻較少，其可參考的文獻目前主要是試驗報告。

國內(nèi)武漢大學電氣工程學院王棟、杜志葉等通過對換流站閥廳系統(tǒng)進行建模，采用靜電場瞬時加載法，通過Matlab對閥廳內(nèi)部全模型進行了電場仿真，通過仿真技術(shù)可以得到閥廳內(nèi)部電場分布云圖，并通過云圖查看閥廳內(nèi)部金具電場分布情況，對閥廳內(nèi)部金具總體布局控制具有一定的指導(dǎo)意義［18-20］，但對具體單個閥廳金具表面電場設(shè)計控制采用此方法不太合適。

Infolytica有限元分析軟件因其在磁場、電場、熱場等仿真方面的優(yōu)異表現(xiàn)，被ABB、H. Weidmann AG、AREVA T&D、中國西電集團、中國電力科學院、西安交通大學等國內(nèi)外單位采用，并根據(jù)仿真研究發(fā)表了大量研究成果［6-10］，其對具體設(shè)備表面電場仿真具有一定優(yōu)勢。本文基于Infolytica ElecNet電場仿真軟件對單個具體閥廳金具電場仿真影響因素進行了研究，并根據(jù)國家電網(wǎng)公司2011年5月份頒布的《±1100千伏特高壓直流輸電工程設(shè)備研制技術(shù)規(guī)范-套管冊》技術(shù)規(guī)范，結(jié)合在高壓直流輸電工程方面的現(xiàn)場經(jīng)驗，給出了準東-重慶±1100kV特高壓直流輸電工程閥廳管母外接頭電場仿真結(jié)果，以供換流站閥廳金具設(shè)計參考。

1　金具電場仿真影響因素

基于Infolytica ElecNet電場分析軟件特點［6］，根據(jù)特高壓直流閥廳結(jié)構(gòu)特點及運行方式［18-20，23，25，27］，其電場仿真影響因素主要有：

1）仿真電壓。為電場仿真所施加電壓，取決于金具本身設(shè)計電壓，仿真時為定值。

2）金具結(jié)構(gòu)及布置。為電場仿真所加載模型，取決于金具結(jié)構(gòu)設(shè)計，一般仿真前確定，仿真時為定值。

3）金具材料屬性。為電場仿真所加材料，靜電場仿真時主要與材料相對介電常數(shù)有關(guān)，由其材料本身屬性決定，仿真時為定值。

4）空氣包大小。為電場仿真時設(shè)備（金具）周圍空氣范圍，取決于閥廳設(shè)計（為保證人員安全，必須保證金具放電安全距離），仿真時空氣包接地。其大小取決于閥廳空間大小及金具對地（墻）距離，大小變化影響金具仿真結(jié)果，實際仿真時取金具對地（墻）最小距離。

5）電極長短。為電場仿真電壓導(dǎo)體加載體，影響空氣包軸向長度，與金具所連接設(shè)備之間所連接導(dǎo)體有關(guān)。

6）接地方式。為電場仿真零電位連接方式，其接地方式不同直接影響著仿真結(jié)果，仿真時以金具實際接地為準，根據(jù)閥廳金具布置特點，本文重點研究空氣包接地方式對其影響，即空氣包接地。

由上可知，仿真電壓、金具結(jié)構(gòu)及布置、金具材料屬性由產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及材料決定，為產(chǎn)品本身屬性，仿真時直接給出，為定值，由設(shè)計決定，電場仿真時直接根據(jù)設(shè)計加載?？諝獍笮　㈦姌O長短、接地方式由電場仿真加載決定，其加載方式不一樣，仿真結(jié)果就會不一樣，為變量，由仿真加載方式?jīng)Q定，仿真時需要根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及布置，按照產(chǎn)品實際運行情況選擇合適的加載方式進行仿真。

根據(jù)上述分析，本文將驗證空氣包大小、電極長短、接地方式對閥廳金具仿真時的影響。

2　仿真模型

換流站閥廳金具作為連接閥廳各類電氣設(shè)備之間的裝置。常見主要有外接頭、內(nèi)接頭、管母連接金具、球防護連接金具、均壓環(huán)防護連接金具，以及其他軟連接金具等，其主要起連接、支撐和防護作用，連接時又要兼顧防護［21-27］。本文主要研究基于Infolytica ElecNet電場分析軟件的金具電場仿真影響因素，為清晰的表現(xiàn)其影響情況，本文采用常見的管母與管母連接金具進行研究分析說明［17-26］。

本文按照糯扎渡工程江門換流站428金具點位，并參照文獻［12］RIBE公司《Corona Tests on 800kV Busbar Connectors （DC Test）》關(guān)于管母線外接頭試驗布置圖1、圖2進行模型設(shè)置。

圖1　外接頭試驗全景圖

圖2　試驗布置圖

具體為，本文以閥廳帶環(huán)428金具為例進行分析，結(jié)構(gòu)如圖3所示，管母外徑為φ 450mm，均壓環(huán)外徑為φ 2000mm，管母長度由加載條件決定。

圖3　428金具仿真模型

3　電極長短對電場仿真的影響

1）加載條件

（1）仿真電壓：直流1500kV。

（2）金具布置情況：如圖4所示。

（3）金具材料屬性：見表1。

（4）空氣包大?。嚎諝獍霃饺?3m。

（5）電極長短：見表2（軸向長度）。

（6）接地方式：空氣包接地。

表1　仿真模型零件材料

圖4　仿真加載圖

加載條件說明：除電極長短為變量外，其他參數(shù)均為定值；仿真電壓參照文獻［28-30］要求，對1100kV閥廳金具取直流電壓1500kV，為消除空氣包大小對電場仿真結(jié)果的影響，依據(jù)下文空氣包大小對電場仿真結(jié)果的影響結(jié)論，本文空氣包大小取18m。

特別說明：由本類金具結(jié)構(gòu)可知，電極長短即管母長短，為便于論述，如無特殊說明，下文管母長度即代表電極長度。

2）仿真結(jié)果

仿真結(jié)果如表2及圖5、圖6所示。

表2　仿真模型表面最大電場值

圖5　仿真電位圖

圖6　仿真結(jié)果

根據(jù)對圖5、圖6及表2分析可知：

（1）由圖5知，直流電壓下，最高電位集中于均壓環(huán)外表面，隨著距離外表面距離的增加，電位逐漸減少，直至降為零，最高電壓與所加電壓一致，下文同理，不再論述。

（2）由圖6可知，最大電場位于均壓環(huán)外表面，同時隨著距離均壓環(huán)外表面的距離增加，電場逐漸減少，與圖5電位分布一致。

（3）由圖6及表2可知，隨著管母長度的增加，其均壓環(huán)表面最大電場變化很小，基本上位置在20kV/cm，考慮到仿真誤差，可認為電場沒有變化，即在誤差范圍內(nèi)，可認為管母長短對其電場分布沒有影響。

3）結(jié)論

由上述分析可知，最大電場分布與電位分布有關(guān)，與電極長短無關(guān)，最高電位與所加電壓一致，即在同一仿真條件下，電壓不變，最大電場分布與電極長短無關(guān)?？紤]到仿真效率及實際情況，建議仿真時，管母長短按照模型實際長短進行選取，當管母長度大于10m時，建議管母長度取10m。

4　空氣包大小對電場仿真的影響

1）加載條件

（1）仿真電壓：直流1500kV。

（2）金具布置情況：如圖7所示。

（3）金具材料屬性：見表1。

（4）空氣包大小：見表3。

（5）電極長短：10m。

（6）接地方式：空氣包接地。

特別說明：由圖1和圖2可知，實際中空氣包是立方體，為方便建模，本文以圓柱體代替，其中圓柱直徑取矩形對地最小邊長度。

圖7　仿真加載圖

2）仿真結(jié)果

仿真結(jié)果如表3及圖8、圖9所示。

圖8　仿真結(jié)果

圖9　直流電壓下最大電場特性曲線

表3　仿真模型表面最大電場值

根據(jù)圖8、圖9及表3分析可知：

（1）由圖8可知，最大電場位于均壓環(huán)外表面，同時隨著距離均壓環(huán)外表面的距離增加，電場逐漸減少。

（2）由圖8、圖9及表3可知，空氣包大小不同，最大電場不同，隨著空氣包外徑的增加，其均壓環(huán)表面最大電場變化越來越小。由此可知，電場與空氣包大小有關(guān)，并隨著空氣包逐漸增加，最終電場趨于一穩(wěn)定值。

（3）由圖8（f）、（g）、（h）及圖9可知，當空氣包外徑在16m、18m、20m時，均壓環(huán)外表面電場變化很小，考慮到仿真誤差，可認為，最大電場在空氣包外徑為18m時達到穩(wěn)定值，不再變化。

3）結(jié)論

由上述分析可知，電場分布與空氣包大小有關(guān)，當空氣包大小增大到18m時，均壓環(huán)表面電場最大值不再變化。建議仿真時，當金具所處空間小于18m時，需考慮空氣包大小，仿真時按照實際大小進行空氣包建模；當所處空間大于18m時，空氣包外徑大小取18m。

5　準東-重慶±1100kV特高壓直流輸電工程閥廳管母線外接頭電場仿真設(shè)計

基于上述分析及結(jié)論，結(jié)合準東-重慶±1100kV特高壓直流輸電工程特點，就準東-重慶±1100kV特高壓直流輸電工程閥廳管母線外接頭加載條件，給出以下建議，供閥廳金具設(shè)計參考。

1）仿真電壓

按照文獻［28］技術(shù)規(guī)范規(guī)定，準東-重慶最高連續(xù)直流電壓Umax為1122kV。按照文獻［30］電暈試驗要求，試驗電壓為金具最大運行電壓的125%，則電暈試驗電壓Ud為1402.5kV，考慮到安全裕度，本文取設(shè)計電壓為1500kV。

2）電極長短

建議根據(jù)管母實際長度進行選取，本文仿真時取10m。

3）空氣包大小

由文獻［23］可知，±1100kV特高壓直流輸電工程操作沖擊電壓為2100kV，按照文獻［29］，考慮到安全裕度1.5，計算得±1100kV高端閥廳金具對地距離不小于20m，按照本文第4節(jié)分析結(jié)論，考慮到電場仿真時，空氣包外徑達到18m時，電場已無變化，本文取空氣包大小為18m。

4）仿真模型

管母外徑450mm，外接頭外徑530mm。

5）金具布置

金具布置如圖10所示。

圖10　仿真加載圖

6）其他加載條件

其他加載條件同本文第4節(jié)加載條件。

7）仿真結(jié)果

仿真結(jié)果如圖11所示。

圖11　仿真結(jié)果

由圖11可知，在直流1500kV電壓下，450mm的管母，在管母外接頭外徑為530mm情況下，最大電場位于抱箍邊界處，其值約為19.1kV/cm，小于20kV/cm，供閥廳金具管母外接頭設(shè)計參考。

6　結(jié)論

1）本文對閥廳金具電場仿真影響因素進行了研究分析，結(jié)果表明，基于Infolytica ElecNet電場分析軟件對閥廳金具進行電場仿真時需考慮電極長短、空氣包大小對電場仿真的影響。

2）最大電場分布與電位分布有關(guān)，與電極長短無關(guān)，最高電位與所加電壓一致，即在同一仿真條件下，電壓不變，最大電場分布與電極長短無關(guān)。

3）隨著空氣包逐漸增大，金具表面電場逐漸減少，直至趨于一穩(wěn)定值。

4）根據(jù)研究結(jié)果，結(jié)合±1100kV特高壓直流輸電工程實際情況，給出了準東-重慶±1100kV特高壓直流輸電工程閥廳金具外接頭仿真結(jié)果，供± 1100kV特高壓直流輸電工程閥廳金具電場設(shè)計時參考。

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Electric Field Simulation for ±1100kV DC Valve Hall Fittings

Jia Wei Niu Wanyu Wang Bangtian Huang Yekuang Wang Jinfang
（XJ Group Corporation， Xuchang， He'nan 461000）

The valve hall fittings as HVDC converter stations valve hall equipment electrical connections and fixing devices ， connections and combinations converter station valve hall all types of power system devices to transfer mechanical， electrical load and achieve some kind of protection. It is important to study distribution simulation of its surface electric field on account of a direct impact on its surface corona valve hall and its equipment surface electric field. Based on Infolytica ElecNet electric field simulation software， we investigated air packet size， electrode length. The results show that： with the increase of the air bag， the surface electric field decreases， until tends to a constant value； it has nothing to do with the length of the electrode. According to the research results，we provide electric field simulation results of ±1100kV DC valve hall fittings busbar coupler， the results have an important role in guiding to develop ±1100kV UHV DC transmission project valve hall fittings.

infolytica； ±1100kV； UHV DC； valve hall fittings； busbar coupler； surface field

賈 偉（1965-），男，碩士，高級工程師，主要從事高、低壓成套開關(guān)設(shè)備以及特高壓直流輸電直流場設(shè)備的研發(fā)主持工作。