±1100kV特高壓直流換流站均壓裝置概念設(shè)計及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

張煒 常林晶 楊國華 彭宗仁 王加龍 劉桂華

【摘 要】本文針對特高壓直流換流站直流金具均壓裝置進(jìn)行概念設(shè)計，選取典型均壓裝置進(jìn)行分析對比，對均壓裝置電場強(qiáng)度集中的區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化，降低均壓裝置的最大電場強(qiáng)度。通過仿真分析，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，對幾種典型結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析對比，確定±1100kV均壓裝置的推薦結(jié)構(gòu)。對優(yōu)化后的均壓裝置進(jìn)行試制，并進(jìn)行試驗驗證，確定±1100kV特高壓換流站典型均壓裝置的結(jié)構(gòu)。本項目的研究對于±1100kV特高壓直流工程均壓裝置設(shè)計具有指導(dǎo)意義，對推動特高壓直流輸電技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展具有重大意義。

【關(guān)鍵詞】換流站;均壓裝置;仿真分析;直流金具

中圖分類號： TM723 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）24-0106-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.24.049

【Abstract】This paper introduces the conceptual design of the shielding device for DC fittings of UHVDC converter station. Select a typical shielding device for analysis and comparison. The area of ？？the shielding device where the electric field strength is concentrated is optimized to reduce the maximum electric field strength of the shielding device. Through simulation analysis， the optimized design was carried out， several typical structures were analyzed and compared， and the recommended structure of ±1100kV shielding device was determined. The optimized shielding device has been prototyped and tested to determine the structure of a typical shielding device for a ±1100kV UHV converter station. The research of this project has guiding significance for the design of ±1100kV UHV DC engineering shielding device， and is of great significance for promoting the progress and development of UHV DC transmission technology.

【Key words】UHV DC; Shielding device; Simulation analysis; DC fittings

0 前言

在±1100kV 直流工程中，直流電壓由±800kV提升到±1100kV，相應(yīng)極線操作沖擊耐受電壓也由1600kV 提升至2100kV。由于輸電電壓的提高，給設(shè)計帶來了更大的難度。直流場設(shè)備±800kV工程中均位于戶外，受安裝環(huán)境的影響，多采用環(huán)形均壓裝置，但對于±1100kV工程來說，極線上的電壓非常高，局部電場強(qiáng)度達(dá)到深度飽和狀態(tài)，為了提高設(shè)備的耐壓強(qiáng)度，極線設(shè)備采用戶內(nèi)安裝。對于直流場極線區(qū)域的設(shè)備，例如±1100kV隔離開關(guān)，平波電抗器、PLC電抗器等設(shè)備，由于頂部尺寸過大，采用上、下環(huán)結(jié)構(gòu)不能把頂部高壓導(dǎo)體完全屏蔽在均壓裝置之內(nèi)，極易產(chǎn)生放電現(xiàn)象，必須重新設(shè)計。同時直流濾波電容器由戶外移至戶內(nèi)，均壓裝置也需要進(jìn)一步優(yōu)化，以滿足±1100kV的需要。對于閥廳內(nèi)的設(shè)備，接地開關(guān)靜觸頭安裝位置位于支柱絕緣子開洞附近，由于該區(qū)域為電場強(qiáng)度集中區(qū)域，對于±1100kV來說，該位置極易發(fā)生放電現(xiàn)象，因此接地開關(guān)靜觸頭金具也需要重新設(shè)計。對于支柱絕緣子和懸吊絕緣子球類屏蔽金具來說，在±800kV換流站閥廳中部分均壓裝置直徑已達(dá)到1800mm，±1100kV均壓裝置尺寸將會有較大增加。均壓裝置尺寸增大，結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，加工難度也隨之增大，加工精度和表面質(zhì)量都難以保證。所以，不能簡單通過放大均壓裝置尺寸來滿足±1100kV工程的要求，必須要對金具外形進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，例如從單一球結(jié)構(gòu)變化為復(fù)雜的空間曲面結(jié)構(gòu)，以降低均壓裝置的表面場強(qiáng)。隨著電壓的升高、安裝環(huán)境以及布置方式的改變，需要對部分均壓裝置進(jìn)行重新設(shè)計。

1 概念設(shè)計

針對±1100kV工程設(shè)備特點及布置，選取幾種典型設(shè)備進(jìn)行概念設(shè)計。

1.1 閥廳接地開關(guān)金具

對于閥廳內(nèi)接地開關(guān)來說，±800kV接地開關(guān)靜觸頭安裝孔通常是根據(jù)現(xiàn)場安裝時動觸頭的運動軌跡，在均壓裝置相應(yīng)的位置進(jìn)行開孔，該通常位于絕緣子安裝孔附近，但是對于±1100kV來說，開孔位置接近于電場集中的區(qū)域，由于該處電場處于深度飽和狀態(tài)，極易發(fā)生放電現(xiàn)象，所以±1100kV接地開關(guān)靜觸頭安裝孔專門進(jìn)行設(shè)計，開洞遠(yuǎn)離支柱絕緣子安裝孔，同時該洞進(jìn)行倒角處理，大大提高該裝置的耐壓能力，如圖1所示。

1.2 戶內(nèi)直流場隔離開關(guān)金具

對于戶內(nèi)直流場隔離開關(guān)，在±800kV工程中，采用管徑250mm或300mm、環(huán)徑3000mm的雙環(huán)結(jié)構(gòu)進(jìn)行均壓屏蔽。由于隔離開關(guān)高壓部分尺寸較大、結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，加之動觸頭需要有活動的空間，采用雙環(huán)結(jié)構(gòu)無法有效地把高壓部分有效地屏蔽。對于±1100kV工程，為了提高防電暈?zāi)芰?，擬采用蘑菇頭結(jié)構(gòu)，把整個高壓導(dǎo)體包絡(luò)在一個封閉的均壓裝置內(nèi)，如圖2所示。

1.3 閥廳支柱絕緣子金具

對于閥廳內(nèi)管母支撐均壓裝置，±800kV特高壓輸電工程采用球形均壓裝置，均壓裝置電場強(qiáng)度集中的地方通常位于絕緣子安裝孔的倒角區(qū)域，特別是如果該區(qū)域安裝時需要開洞，將進(jìn)一步惡化電場。鼓型金具、蘑菇頭/環(huán)組合以及凹底形結(jié)構(gòu)把底部電場集中的區(qū)域改為平板結(jié)構(gòu)，相當(dāng)于增大了該區(qū)域的曲率半徑，有效地改善了該位置的電場分布，詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2 仿真分析

結(jié)合概念設(shè)計，我們選取支柱絕緣子球型屏蔽罩作為典型均壓裝置進(jìn)行研究。

根據(jù)±1100kV布置及設(shè)備圖紙，建立單根±1100kV支柱絕緣子球型屏蔽罩的電場計算等效模型，其中：管母中心對地18m，對墻壁距離19m，對天花板距離20m。其模型示意如下圖所示?！?100kV支柱絕緣子球型屏蔽罩的初始設(shè)計方案為直徑2000mm、開孔直徑d=360mm、倒角半徑r=100mm的標(biāo)準(zhǔn)球形結(jié)構(gòu)。絕緣子法蘭根部距第一片傘的距離為450mm，法蘭頂部距管母中心為650mm。絕緣子連接孔的開孔直徑為d，倒角半徑為r。

分別對高壓側(cè)導(dǎo)體加載直流電壓及操作沖擊電壓進(jìn)行計算，為便于結(jié)果對比分析，加載的直流穩(wěn)態(tài)電壓幅值及沖擊電壓峰值均為2600kV，同時，對地面加載0電位。計算屏蔽罩及絕緣子電場分布。計算結(jié)果如下圖所示。

根據(jù)計算結(jié)果，操作沖擊電壓峰值2600kV下，支柱絕緣子球形屏蔽罩電場強(qiáng)度最大值為2466V/mm，出現(xiàn)在開孔倒角處，絕緣子護(hù)套表面電場強(qiáng)度最大值為1609V/mm，出現(xiàn)在絕緣子第一片傘根部。為了降低均壓裝置的最大電場區(qū)域的電場強(qiáng)度，需要對該區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化，擬采用以下兩種結(jié)果進(jìn)行研究，平底形結(jié)構(gòu)和凹底形結(jié)構(gòu)，如圖6所示。

計算模型中，開孔直徑d=360mm、倒角半徑r=100mm，絕緣子結(jié)構(gòu)、安裝位置等參數(shù)與球型屏蔽罩的計算模型相一致。

計算時，對模型高壓側(cè)各部分加載沖擊電壓峰值2600kV，計算結(jié)果如下圖所示。

由計算結(jié)果可得，當(dāng)加載沖擊電壓峰值2600kV時，支柱絕緣子鼓屏蔽罩表面電場強(qiáng)度最大值為1785V/mm，出現(xiàn)在屏蔽罩上、下邊沿;開孔倒角處表面場強(qiáng)最大值為1441V/mm。支柱絕緣子凹底型屏蔽罩表面電場強(qiáng)度最大值為1988V/mm，出現(xiàn)在屏蔽罩下邊沿，高于平底型屏蔽罩;開孔倒角處表面場強(qiáng)最大值為952V/mm，小于使用平底型屏蔽罩時的對應(yīng)位置電場強(qiáng)度計算結(jié)果。

截取圖8圖中所示曲線位置的屏蔽罩表面路徑上的電場強(qiáng)度分布計算結(jié)果，對比分析了標(biāo)準(zhǔn)球形與“鼓型”屏蔽裝置表面及開孔位置的電場強(qiáng)度分布規(guī)律。如圖 9所示。

結(jié)果表明：標(biāo)準(zhǔn)球形屏蔽裝置在絕緣子倒角位置出現(xiàn)的場強(qiáng)“尖峰”，在使用鼓型屏蔽裝置時已得到有效抑制。優(yōu)化設(shè)計的“鼓型”結(jié)構(gòu)可使屏蔽裝置表面電場分布更為均勻。支柱絕緣子屏蔽裝置采用“鼓型”結(jié)構(gòu)時，其表面場強(qiáng)最大值出現(xiàn)于屏蔽裝置外側(cè)而非絕緣子連接孔倒角位置。

3 分析對比

在加載電壓（2600kV）、開孔直徑d（360mm）與倒角半徑r（100mm）相同的條件下，比較±1100kV極母線支柱絕緣子配置球型、平底型、凹底型屏蔽罩時各部分電場強(qiáng)度計算結(jié)果，如表1所示。

從表中可以看出，配置平底型與凹底型屏蔽罩，相比于原球型屏蔽罩可有效降低開孔倒角位置的表面電場強(qiáng)度，屏蔽罩整體表面場強(qiáng)最大值已不再出現(xiàn)于開孔倒角位置，同時，絕緣子護(hù)套表面電場強(qiáng)度也有一定的降低。當(dāng)屏蔽罩開孔直徑d=360mm，倒角半徑r=100mm時，平底型屏蔽罩表面電場強(qiáng)度略低于球型屏蔽罩，開孔處電場強(qiáng)度可降低約40%。當(dāng)屏蔽罩開孔直徑d=360mm，倒角半徑r=100mm時，凹底型屏蔽罩表面電場強(qiáng)度最大值相比于原球型屏蔽罩高約7%，而開孔處電場強(qiáng)度可降低約60%。

4 試驗驗證

我們對于優(yōu)化后的平底型均壓罩和隔離開關(guān)蘑菇頭金具進(jìn)行了試制，并進(jìn)行了無線電干擾試驗，試驗結(jié)果表明，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)具有良好的防電暈和無線電干擾性能，試件性能較同類設(shè)備均壓裝置有大幅提升。

5 結(jié)論

綜合考慮，平底型屏蔽罩整體性能較為均衡，絕緣子配置平底型屏蔽罩后，可有效降低屏蔽裝置的最大電場，同時屏蔽球表面和絕緣子表面最大值未明顯增加。建議±1100kV絕緣子采用平底型屏蔽球，隔離開關(guān)采用蘑菇頭型屏蔽罩。本文的研究為±1100kV特高壓換流站的金具設(shè)計提供了思路和方向。

【參考文獻(xiàn)】

[1]趙婉君.高壓直流輸電工程技術(shù)[M].中國電力出版社，2011.

[2]張福軒，陳東，余軍，郭賢珊，樂波，付穎，王加龍.±1100kV戶內(nèi)直流場全域均壓電極設(shè)計、仿真及優(yōu)化研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2017（20）.

[3]樂波，陳東，付穎，郭賢珊，黃道春，謝一鳴.±1100kV換流站直流場金具表面電場仿真靜態(tài)場等效方法[J].電網(wǎng)技術(shù)，2017（11）.