電暈對(duì)換流閥S型冷卻水管損傷的仿真與實(shí)驗(yàn)分析

胡傳良，周文青，劉剛，葉海，鄧紅雷，王慧泉，呂茵

(1.華南理工大學(xué) 電力學(xué)院，廣東 廣州 510641;2.中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司，廣東 廣州 510507)

目前我國(guó)特高壓直流輸電工程技術(shù)已處于世界領(lǐng)先地位，換流閥作為特高壓直流輸電工程的核心部分，保障其安全、穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。閥在運(yùn)行過(guò)程中由于通態(tài)損耗、關(guān)斷損耗等會(huì)在閥塔內(nèi)部產(chǎn)生大量熱量，需要通過(guò)冷卻水回路將熱量運(yùn)輸?shù)介y廳外面[1-5]，閥冷系統(tǒng)是保障換流閥運(yùn)行的重要系統(tǒng)之一。從已有的換流站運(yùn)行數(shù)據(jù)得知，閥塔內(nèi)冷水系統(tǒng)會(huì)發(fā)生漏水的故障，給換流閥安全運(yùn)行帶來(lái)極大隱患。以±800 kV直流輸電工程中的穗東換流站為例，其冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)冷卻散熱能力為 3 800 kW，冷卻介質(zhì)為去離子水[6-8]。然而在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，在閥內(nèi)冷系統(tǒng)中均壓電極附近的冷卻水管會(huì)出現(xiàn)損傷導(dǎo)致漏水事故的發(fā)生，滲水匯集到閥層水管后滴落至閥片板，導(dǎo)致該2個(gè)閥片出現(xiàn)無(wú)回檢信號(hào)，需要更換S型水管及閥片對(duì)應(yīng)的閥片卡，經(jīng)檢測(cè)合格后方能讓閥塔正式運(yùn)行。本文針對(duì)換流站現(xiàn)有的換流閥冷卻水管損傷事故，通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)來(lái)確定事故的發(fā)生原因，為實(shí)際工程人員提供改造思路。

何瀟等人[9]對(duì)換流閥閥冷卻系統(tǒng)故障實(shí)例統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，閥內(nèi)冷水故障占閥冷卻系統(tǒng)故障總數(shù)的86%；文獻(xiàn)[10-12]基于電流場(chǎng)理論對(duì)閥塔內(nèi)水路進(jìn)行分析，將水路電勢(shì)作為求解整個(gè)場(chǎng)域的邊界條件進(jìn)行求解，在這個(gè)過(guò)程中解決了電流場(chǎng)和靜電場(chǎng)的耦合問(wèn)題，最后得出在考慮水路的情況下閥塔表面最大電場(chǎng)強(qiáng)度以及出現(xiàn)位置均發(fā)生變化的結(jié)論；文獻(xiàn)[4]提及了2015年穗東換流站在S型閥冷卻水管處損傷漏水導(dǎo)致系統(tǒng)停運(yùn)的故障，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)漏水位置與等電位線緊靠，水管出現(xiàn)明顯損傷凹痕。國(guó)內(nèi)外對(duì)于換流閥冷卻水管損傷原因研究較為罕見(jiàn)，對(duì)冷卻水管的研究主要集中在均壓電極結(jié)垢腐蝕原理方面[13-22]，針對(duì)該類損傷問(wèn)題，結(jié)合具體的損傷位置所處的復(fù)雜電場(chǎng)環(huán)境，從電暈放電來(lái)對(duì)損傷原因進(jìn)行分析。

本文以±800 kV穗東換流站S型冷卻水管損傷漏水故障為研究對(duì)象，提出了基于電暈放電的損傷機(jī)理，首先對(duì)S型冷卻水管及其局部結(jié)構(gòu)構(gòu)建了三維有限元仿真模型，運(yùn)用COMSOL仿真軟件對(duì)故障部位局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真；然后分析了等電位線和冷卻水管兩者間在不同距離下的電場(chǎng)強(qiáng)度變化關(guān)系；最后設(shè)計(jì)了相關(guān)高壓放電實(shí)驗(yàn)對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

1 S型冷卻水管局部結(jié)構(gòu)

1.1 均壓電極及等電位線

為了避免換流閥內(nèi)冷水回路出現(xiàn)過(guò)大的電勢(shì)差，在水路出現(xiàn)較大的泄漏電流，水路系統(tǒng)會(huì)在不同位置安裝均壓電極，均壓電極通過(guò)等電位線(均壓電極線)連接到閥塔母線等位置以實(shí)現(xiàn)均壓效果[4-15]，等電位線是一根PVC絕緣層包被的線徑為2.24 mm的19股銅導(dǎo)線。由于水管損傷事故發(fā)生在S型冷卻水管位置，該處等電位連接的是連接2個(gè)閥臂的母線板，穗東換流站為12脈波換流，此處即為換流出線與換流變壓器連接的位置。圖1展示了均壓電極在冷卻回路的分布位置以及研究的故障點(diǎn)位置。由圖1可知閥塔水冷主回路均壓電極分為6對(duì)，對(duì)閥層間均壓電極進(jìn)行了省略，換流站故障點(diǎn)位于閥塔第2與第3閥層間S型水管處。圖2展示了均壓電極連接的實(shí)物圖以及冷卻水管損傷結(jié)果，圖2中母線板、均壓電極線以及均壓電極距離較近，損傷故障處與均壓電極線距離較小，這對(duì)后面的研究故障原因提供了思路。

圖1 換流閥均壓電極分布示意圖Fig.1 Distribution of equalizing electrodes in converter valve

圖2 均壓電極連接的實(shí)物及冷卻水管損傷結(jié)果圖Fig.2 Objects connected with equalizing electrode (left) and the damage result of cooling water pipe (right)

圖1閥塔第2與第3閥層均壓電極S形水管處在2015年發(fā)生了漏水事故，其中均壓電極、冷卻水管、均壓電極線的局部放大如圖3所示。實(shí)際安裝中，均壓電極和母線板之間的等電位連接導(dǎo)線的長(zhǎng)度要合適，導(dǎo)線與閥層主水管之間的距離要大于25 mm，均壓電極電位連接導(dǎo)線在屏蔽罩內(nèi)安裝時(shí)，導(dǎo)線不能觸碰屏蔽罩邊緣，要保證約5 mm距離，防止屏蔽罩邊緣劃傷導(dǎo)線。

圖3 均壓電極、冷卻水管、均壓電極線的局部放大圖 Fig.3 Partial enlarged drawings of equalizing electrode, cooling water pipe and equalizing electrode wire

1.2 S型冷卻水管局部結(jié)構(gòu)仿真建模

為了分析計(jì)算冷卻水管故障點(diǎn)周圍復(fù)雜的三維電場(chǎng)環(huán)境，本文采取有限單元法來(lái)求解描述模型的偏微分方程，構(gòu)建了S型冷卻水管及其周圍的三維結(jié)構(gòu)，包括均壓電極、均壓罩和等電位線。受均壓電極位置分布的影響，冷卻水管截取為2個(gè)閥層之間的主管道，整個(gè)模型高為1 660 mm，寬為850 mm，具體模型尺寸參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 有限元三維模型幾何參數(shù)Tab.1 Geometry Parameters of FEA Model

最后構(gòu)建的穗東換流站完整的閥塔冷卻回路及三維仿真模型如圖4所示。

圖4 閥塔冷卻回路及三維仿真模型Fig.4 Cooling circuit of valve tower and 3D simulation model

2 有限元建模及結(jié)果分析

2.1 邊界條件、材料參數(shù)設(shè)置

有限元研究過(guò)程中最關(guān)鍵的步驟便是確定模型的狄利克雷邊界條件(第一邊界條件)和紐曼邊界條件(第二邊界條件)，這樣偏微分方程通過(guò)變分轉(zhuǎn)換為代數(shù)方程組求解系數(shù)矩陣非奇異，可以得到一個(gè)滿足誤差要求的數(shù)值解。對(duì)特定的物理模型分析時(shí)，還需考慮不同物理量在材料中的本構(gòu)關(guān)系，本文研究物理模型為靜電場(chǎng)，在材料中存在的本構(gòu)關(guān)系為

D=εE.

(1)

式中：ε為材料的介電常數(shù)；D為電位移；E為電場(chǎng)強(qiáng)度。

2.1.1 模型邊界條件設(shè)置

穗東站每極高/低端閥塔布置有6座二重閥閥塔，高低端閥廳共同組成12脈波換流電路。根據(jù)換流理論，一座閥塔上下2個(gè)閥臂不能同時(shí)導(dǎo)通，否則會(huì)出現(xiàn)閥塔短路故障，各閥層在關(guān)斷時(shí)刻需要承受網(wǎng)側(cè)反向電壓。均壓電極通過(guò)等電位線連接到逆變引出側(cè)，為了確定模型中均壓電極和等電位線的第一邊界條件，我們分析圖5所示的換流變閥側(cè)采集的A、B、C三相電壓波形，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。選擇最嚴(yán)厲條件設(shè)置，即1個(gè)橋臂(共4個(gè)閥段)承受正半波峰值電壓約180 kV，那么1個(gè)閥段將承受45 kV，此即為仿真中施加在等電位線及均壓電極上的第一邊界條件。由于換流的對(duì)稱性，接地端設(shè)置為模型冷卻水管兩端的其中一個(gè)水路端面。

圖5 換流變閥側(cè)未濾波電壓波形Fig.5 Unfiltered voltage waveform at the converter valve side

表2 閥側(cè)記錄電壓波形統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)Tab.2 Statistics of unfiltered voltage waveform

2.1.2 模型材料參數(shù)設(shè)置

仿真模型涉及到的材料有PVC絕緣層、PVDF水管、去離子水(40 ℃)、金屬罩、金屬均壓電極、金屬均壓電極線以及模型外部包被的半徑為3 000 mm空氣求解域。查找美國(guó)實(shí)驗(yàn)材料協(xié)會(huì)數(shù)據(jù)，有限元仿真設(shè)置參數(shù)值參見(jiàn)表3。

表3 仿真材料參數(shù)Tab.3 Parameters of simulation materials

需要注意的是金屬均壓罩沒(méi)有施加邊界條件，其充當(dāng)一個(gè)懸浮導(dǎo)體作用，相對(duì)介電常數(shù)取值為104[15-16]，而均壓電極和等電位線直接施加第一邊界條件，該值對(duì)仿真結(jié)果沒(méi)有影響。表3中給出的PVC及PVDF相對(duì)介電常數(shù)是一個(gè)范圍值，具體仿真時(shí)分別取5.00和8.24。

2.2 電場(chǎng)仿真結(jié)果及分析

2.2.1 電場(chǎng)仿真結(jié)果

根據(jù)前面分析的均壓電極局部電場(chǎng)條件以及材料參數(shù)，通過(guò)仿真得到圖6所示均壓電極局部電場(chǎng)結(jié)果。由于等電位線與水管表面形成類似極不均勻的棒-板電極結(jié)構(gòu)，考慮此情況下空氣擊穿場(chǎng)強(qiáng)比勻強(qiáng)電場(chǎng)條件下低(峰值約5.23 kV/cm[23])，同時(shí)為了便于場(chǎng)強(qiáng)結(jié)構(gòu)可視化，圖6結(jié)果已經(jīng)濾除了場(chǎng)強(qiáng)值低于5 kV/cm部分的顯示內(nèi)容。

圖6 電場(chǎng)仿真結(jié)果Fig.6 Simulation results of electric field strength

由圖6仿真結(jié)果可知：在等電位線和均壓電極施加45 kV電壓時(shí)，最大場(chǎng)強(qiáng)值為62.8 kV/cm，并位于去離子水中的均壓電極針尖處，而去離子水的擊穿場(chǎng)強(qiáng)值在650～700 kV/cm之間[24]，所以不會(huì)在去離子水中發(fā)生電暈。而在導(dǎo)線與水管表面切平面平行且距離最近處(最近距離為1.0 mm，下文中距離均指該距離)，仿真結(jié)果顯示該處場(chǎng)強(qiáng)值在36 kV/cm左右。事故發(fā)生后檢查發(fā)現(xiàn)等電位線靠近水管損傷漏水位置，因此可以初步判斷長(zhǎng)期電暈放電是造成水管損傷的原因。為了繼續(xù)探究不同等電位線與水管表面距離對(duì)電場(chǎng)強(qiáng)度的影響，本文分別建立了不同距離下的模型并進(jìn)行了仿真。

2.2.2 不同距離影響

針對(duì)等電位線與水管表面距離諸影響因素，本文在前面基礎(chǔ)上構(gòu)建了距離為1.0～8.0 mm的共8組三維仿真模型，并按照之前的設(shè)置重新進(jìn)行仿真，得到導(dǎo)線與水管表面最近距離處的場(chǎng)強(qiáng)值結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 等電位線與水管表面不同距離下的仿真場(chǎng)強(qiáng)Tab.4 Simulated field strength at different distances from equipotential line to water pipe surface

由表4可以看出，隨著等電位線與冷卻水管表面距離的增加其仿真場(chǎng)強(qiáng)值趨近于平穩(wěn)，對(duì)該仿真結(jié)果按式(2)進(jìn)行擬合,即

(2)

式中：x為等電位線與水管表面距離；a、b、c均為擬合系數(shù)。根據(jù)圖5所示結(jié)果，采用擬合精度R2為0.987 1，擬合結(jié)果如圖7所示。等電位線和水管表面距離在1～5 mm時(shí)，隨著兩者距離增大，場(chǎng)強(qiáng)仿真值變化較明顯，當(dāng)兩者距離達(dá)到5 mm及以上時(shí)，場(chǎng)強(qiáng)值趨于一致，已無(wú)明顯變化。

根據(jù)擬合式計(jì)算，當(dāng)間隔10 mm時(shí)場(chǎng)強(qiáng)已經(jīng)低至1.9 kV/cm，可以保證等電位線與水管表面足夠安全距離。

3 高壓電暈實(shí)驗(yàn)及分析

3.1 高壓電暈實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證仿真模型，根據(jù)換流閥實(shí)際使用的等電位線以及冷卻水管設(shè)計(jì)了在等電位線和水管表面不同距離下的實(shí)驗(yàn)組進(jìn)行驗(yàn)證，所用實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是如圖8所示的ZJC-100 KV計(jì)算機(jī)控制材料介電強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)。此系統(tǒng)可以獲得交流100 kV、直流150 kV的電壓試驗(yàn)條件，試驗(yàn)原理圖如圖9所示。

圖7 距離與場(chǎng)強(qiáng)關(guān)系擬合結(jié)果Fig.7 Fiiting results of relationship between distance and electric field strength

圖8 ZJC-100 KV計(jì)算機(jī)控制材料介電強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)Fig.8 ZJC-100 kV computer control material dielectric strength testing machine

T-調(diào)壓器；B-變壓器；R-保護(hù)電阻；F-分壓器；L-均壓電極線；P-水管；D-絕緣凳。

圖9 高壓實(shí)驗(yàn)原理
Fig.9 Scheme diagram of high voltage experiment

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中會(huì)調(diào)節(jié)L與P之間的距離。根據(jù)前面確定的邊界條件，給均壓電極線施加45 kV交流電壓，通過(guò)調(diào)整均壓電極線和冷卻水管的間距來(lái)觀察放電的變化情況，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中分別將兩者距離調(diào)整為1 mm、3 mm、5 mm和7 mm，并使用CoreCAM6紫外成像儀記錄了起暈電壓和放電強(qiáng)度，觀測(cè)距離為2.5 m，指標(biāo)參數(shù)選擇紫外設(shè)備儀器自帶的光子統(tǒng)計(jì)數(shù)，積分參數(shù)為8，實(shí)驗(yàn)記錄結(jié)果顯示如圖10所示。

圖10 實(shí)驗(yàn)記錄結(jié)果Fig.10 Experiment results

圖10展示了等電位線與冷卻水管表面在4個(gè)不同距離下的放電紫外光子記錄結(jié)果及其關(guān)系圖，其放電光子數(shù)量分別為28 825(1 mm距離)、27 015(3 mm距離)、24 980(5 mm距離)和24 440(7 mm距離)，結(jié)果表明小距離條件下放電強(qiáng)度比大距離情況下大，原因是均壓電極線與聚偏氟乙烯(PVDF)水管構(gòu)成類似棒-板結(jié)果電極。由電容定義可知電容量和電容極面距離成反比，因此可判斷其儲(chǔ)能也大，放電越強(qiáng)。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果亦驗(yàn)證了仿真模型的正確性。

3.2 損傷分析

本文仿真和實(shí)驗(yàn)均為最嚴(yán)厲條件下進(jìn)行的，實(shí)際中可能并沒(méi)有如此嚴(yán)重，因?yàn)橥ǔＧ闆r下等電位線與冷卻水管表面會(huì)間隔足夠距離；但由于安裝工藝差別、閥塔震動(dòng)等原因?qū)е聦?dǎo)線與水管距離太近，從而在長(zhǎng)時(shí)間電暈影響下造成水管損傷。圖11為PVDF材質(zhì)水管在均壓電極附近損傷的實(shí)物圖。

圖11 PVDF水管損傷實(shí)物圖Fig.11 PVDF water pipe damage image

由圖11可以看出，損傷位置有炭黑狀物質(zhì)，損傷形狀為局部聚攏型。由于受損材料為PVDF，根據(jù)高分子材料理論，無(wú)定型聚合物溫度達(dá)到一定時(shí)，整個(gè)高分子聚合物分子鏈在外力(如重力、機(jī)械力等)作用下會(huì)發(fā)生互相滑動(dòng)的宏觀表現(xiàn)，這就是無(wú)定型高聚物的黏流態(tài)，當(dāng)外力消失，發(fā)生的形變不能自發(fā)恢復(fù)。從圖2和圖11損傷結(jié)果來(lái)看，損傷部位由于某短時(shí)放電強(qiáng)度增大和局部放電特性，使PVDF材料局部呈現(xiàn)黏流態(tài)，在外力作用下造成不可逆形變效果。

4 結(jié)論

本文針對(duì)穗東換流站S型冷卻水管損傷故障問(wèn)題，構(gòu)建了局部結(jié)構(gòu)的三維有限元分析模型，同時(shí)設(shè)計(jì)了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，仿真和實(shí)驗(yàn)均表明：

a)等電位線與PVDF材質(zhì)冷卻水管在不合理布置時(shí)，其局部場(chǎng)強(qiáng)會(huì)增大，最大場(chǎng)強(qiáng)分布在等電位線與水管表面切平面距離最短處，隨著距離增大其場(chǎng)強(qiáng)減小。

b)短時(shí)劇烈電暈放電會(huì)使等電位線靠近冷卻水管部位達(dá)到黏流態(tài)，受外力影響產(chǎn)生不可逆形變，甚至造成管壁厚度無(wú)法承受冷卻水回路內(nèi)部徑向壓力而出現(xiàn)滲水漏水事故。

本文研究結(jié)果從仿真和實(shí)驗(yàn)2個(gè)方面較詳細(xì)地分析了穗東站冷卻水管故障原因，對(duì)其他換流站類似事故提供了參考依據(jù)，但對(duì)于PVDF從常態(tài)到黏流態(tài)再恢復(fù)到常態(tài)這一詳細(xì)過(guò)程還需做進(jìn)一步研究。