535 kV混合式高壓直流斷路器電場(chǎng)計(jì)算與分析

李偉，劉博，肖風(fēng)良，謝文剛，黃瑜瓏，王昊晴，樊芳芳

(1.山東泰開(kāi)高壓開(kāi)關(guān)有限公司，山東 泰安 271000；2.電力系統(tǒng)及發(fā)電設(shè)備控制和仿真國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(清華大學(xué))，北京 100084；3.中國(guó)電力科學(xué)研究院有限公司，北京 100192)

相比于交流電網(wǎng)，以柔性直流系統(tǒng)為基礎(chǔ)的直流電網(wǎng)在大容量電力傳輸、分布式能源接入、交流系統(tǒng)無(wú)功支撐等方面顯示出明顯的優(yōu)勢(shì)，是未來(lái)電網(wǎng)的重要發(fā)展方向[1-5]。

構(gòu)建柔性直流輸、配電網(wǎng)絡(luò)需要成熟可靠的直流斷路器產(chǎn)品作為支撐，研制具有毫秒級(jí)開(kāi)斷能力的中、高壓直流斷路器，迅速切除直流設(shè)備或直流線路故障，對(duì)直流系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要，更進(jìn)一步地，對(duì)于構(gòu)建柔性直流電網(wǎng)、提高整個(gè)交直流混合電力系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性和靈活性具有重要意義[6-11]。

根據(jù)開(kāi)斷原理的不同，直流斷路器可分為機(jī)械式、固態(tài)式和混合式3種[12-16]，其拓?fù)渲饕?種支路構(gòu)成：主通流支路、轉(zhuǎn)移支路和能量吸收支路?；旌鲜街绷鲾嗦菲鞒浞旨辛藱C(jī)械式和固態(tài)式直流斷路器的優(yōu)點(diǎn)，在正常工作時(shí)由機(jī)械開(kāi)關(guān)承載電流，通態(tài)損耗低，當(dāng)發(fā)生短路故障時(shí)由電力電子開(kāi)關(guān)開(kāi)斷故障電流，開(kāi)斷速度快，逐漸成為多端柔性直流輸電的優(yōu)選方案。

作為高電壓大電流電氣設(shè)備，高壓直流斷路的器件需大量采用串、并聯(lián)連接，其一、二次設(shè)備高度融合[17-19]，器件驅(qū)動(dòng)、開(kāi)關(guān)機(jī)構(gòu)等均需采用隔離供能，這就導(dǎo)致直流斷路器閥塔的電位復(fù)雜，電場(chǎng)分布不均。

為保證高壓直流斷路器的可靠運(yùn)行，良好的絕緣設(shè)計(jì)對(duì)均勻斷路器整體電場(chǎng)分布、控制局部放電水平具有重要意義。535 kV混合式高壓直流斷路器的研制屬世界首創(chuàng)，目前關(guān)于其電場(chǎng)分布及絕緣特性的研究較少。本文以應(yīng)用于張北可再生能源柔性直流電網(wǎng)示范工程中的535 kV混合式高壓直流斷路器為研究對(duì)象，基于靜電場(chǎng)分析方法對(duì)其電場(chǎng)分布進(jìn)行仿真分析，并通過(guò)絕緣試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，以期為高壓直流斷路器的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

1 工作原理與計(jì)算模型

1.1 整體拓?fù)浼霸?/h3>

535 kV混合式高壓直流斷路器采用一種基于耦合負(fù)壓原理的低損耗、強(qiáng)制換流型拓?fù)?，如圖1所示。

圖1 耦合負(fù)壓型混合式直流斷路器拓?fù)銯ig.1 Topology of coupled negative voltage hybrid DC circuit breaker

混合式斷路器操作時(shí)序如圖2所示。其中，t為時(shí)間，U0為額定直流電壓，UMS為瞬態(tài)開(kāi)斷電壓，I0為額定直流電流，Id為重合閘操作時(shí)第二次開(kāi)斷電流的峰值。正常運(yùn)行時(shí)快速機(jī)械開(kāi)關(guān)導(dǎo)通。當(dāng)線路發(fā)生短路故障時(shí)，導(dǎo)通轉(zhuǎn)移支路的電力電子閥單元，同時(shí)給快速機(jī)械開(kāi)關(guān)發(fā)送分閘指令；當(dāng)觸頭運(yùn)動(dòng)到一定距離時(shí)，觸發(fā)耦合負(fù)壓回路的晶閘管導(dǎo)通，耦合負(fù)壓回路的電容器與空心變壓器的原邊振蕩產(chǎn)生高頻電流，通過(guò)空心變壓器的副邊在主通流支路和轉(zhuǎn)移支路構(gòu)成的回路上耦合一個(gè)負(fù)壓，使轉(zhuǎn)移支路整體導(dǎo)通壓降低于快速真空開(kāi)關(guān)弧壓，從而強(qiáng)制電流由快速真空開(kāi)關(guān)支路轉(zhuǎn)移至轉(zhuǎn)移支路，機(jī)械開(kāi)關(guān)支路電流過(guò)零熄弧，完成電流轉(zhuǎn)移；當(dāng)機(jī)械開(kāi)關(guān)觸頭運(yùn)動(dòng)到足以耐受開(kāi)斷后的瞬態(tài)恢復(fù)過(guò)電壓時(shí)，轉(zhuǎn)移支路閥單元中的電力電子開(kāi)關(guān)關(guān)斷，電流轉(zhuǎn)移至能量吸收支路，由避雷器耗散能量，直至電流衰減[20-26]。此過(guò)程中主通流支路機(jī)械開(kāi)關(guān)與轉(zhuǎn)移支路需要承受被避雷器限制的系統(tǒng)過(guò)電壓。

圖2 混合式斷路器操作時(shí)序Fig.2 Operation timing of hybrid circuit breaker

1.2 閥塔布置方案

535 kV混合式高壓直流斷路器采用模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，閥塔整體尺寸(含支撐絕緣子)為18 m×9 m×15.5 m，其具體布置方案如圖3所示。各零部件模塊通過(guò)有機(jī)、緊密的結(jié)合，最終形成了以層級(jí)結(jié)構(gòu)為主體的產(chǎn)品，整體結(jié)構(gòu)可分為5大模塊：快速機(jī)械開(kāi)關(guān)模塊、電力電子開(kāi)關(guān)模塊、耦合負(fù)壓模塊、能量吸收模塊及供能模塊，各模塊固定在由復(fù)合支柱絕緣子搭建而成的基礎(chǔ)上。

快速機(jī)械開(kāi)關(guān)模塊分4層布置，采用銅排“之”字形連接，充分降低回路雜散電感；電力電子開(kāi)關(guān)模塊分5層布置，每層包含8個(gè)閥段，每個(gè)閥段包含8個(gè)閥單元，主開(kāi)斷器件采用失效模式為短路、開(kāi)斷能力比絕緣柵雙極型晶體管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)更強(qiáng)的電子注入增強(qiáng)型柵極晶體管(injection enhanced gate transistor，IEGT)；耦合負(fù)壓模塊位于電力電子模塊下方的第1層，由耦合變壓器、電容器、晶閘管等器件構(gòu)成；能量吸收模塊采用每層10柱并聯(lián)、5層上下串聯(lián)的連接形式；供能模塊需分別為快速機(jī)械開(kāi)關(guān)、轉(zhuǎn)移支路閥單元和耦合負(fù)壓裝置提供能量，包含1臺(tái)535 kV隔離變壓器、12臺(tái)100 kV隔離變壓器和35臺(tái)20 kV隔離變壓器。

圖3 535 kV混合式高壓直流斷路器閥塔布置方案Fig.3 Arrangementscheme of 535 kV hybrid HVDC circuit breaker

1.3 絕緣要求

張北工程對(duì)535 kV混合式直流斷路器電氣性能的總體要求為：直流斷路器各支路應(yīng)在保證各元件不發(fā)生損壞的情況下滿足技術(shù)規(guī)范中關(guān)于電壓耐受、電流耐受和電流開(kāi)斷的要求。

電壓耐受能力的具體要求包括：

a)直流斷路器應(yīng)能承受分?jǐn)噙^(guò)程中和斷態(tài)下的各種過(guò)電壓；

b)設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮操作沖擊條件下快速機(jī)械開(kāi)關(guān)/快速斷路器各串聯(lián)斷口之間和各串聯(lián)電力電子開(kāi)關(guān)(如有)之間的電壓不均勻分布；

c)設(shè)計(jì)還應(yīng)考慮過(guò)電壓保護(hù)水平的分散性以及直流斷路器內(nèi)其他非線性因素對(duì)直流斷路器的耐壓能力的影響，在所有冗余斷口和冗余電力電子開(kāi)關(guān)都損壞的條件下，直流斷路器的絕緣仍能滿足技術(shù)規(guī)范中的要求。

表1為技術(shù)規(guī)范中關(guān)于535 kV混合式直流斷路器絕緣性能要求的具體技術(shù)參數(shù)。

1.4 電屏蔽結(jié)構(gòu)

高壓直流斷路器中的金屬支撐、固定連接等結(jié)構(gòu)件包含眾多棱角、尖端，閥單元、快速機(jī)械開(kāi)關(guān)、避雷器等部件電位復(fù)雜，合理的電屏蔽結(jié)構(gòu)可有效改善電場(chǎng)分布，防止因電位不等、電場(chǎng)分布不均等引起的局部放電現(xiàn)象，同時(shí)有效避免外界電磁干擾的影響。

目前，高壓直流斷路器的電屏蔽設(shè)計(jì)尚無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，不同廠家屏蔽裝置結(jié)構(gòu)各異，總體上可將直流斷路器常用的電屏蔽結(jié)構(gòu)分為5類：U形板狀屏蔽、直線形板狀屏蔽、L形板狀屏蔽、U形管狀屏蔽和“口”字形管狀屏蔽，具體結(jié)構(gòu)和典型尺寸(mm)如圖4所示。

表1 535 kV混合式直流斷路器絕緣性能技術(shù)參數(shù)Tab.1 Insulation performance technical parameters of 535 kV hybrid DC circuit breaker

圖4 高壓直流斷路器電屏蔽結(jié)構(gòu)Fig.4 Electrical shielding structure of HVDC circuit breaker

屏蔽罩的邊緣和棱角采用圓弧設(shè)計(jì)，外形為一體化形式，表面光潔平整、無(wú)毛刺尖端，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮屏蔽目標(biāo)的結(jié)構(gòu)形式、結(jié)構(gòu)尺寸、電位分布等因素。

535 kV混合式直流斷路器閥塔電屏蔽布置的具體原則為：機(jī)械開(kāi)關(guān)本體及控制箱整體尺寸相對(duì)較小，可采用圖4 (a)所示U形板狀屏蔽；耦合負(fù)壓裝置及轉(zhuǎn)移支路閥單元長(zhǎng)度方向采用圖4 (b)所示直線形板狀屏蔽罩，拐角處采用圖4(c)所示L形板狀屏蔽罩，在屏蔽內(nèi)部尖端的同時(shí)，保證電場(chǎng)平滑過(guò)渡；避雷器外部為傘裙結(jié)構(gòu)，僅上、下法蘭處需進(jìn)行屏蔽，可采用圖4(d)所示U形管狀屏蔽罩；電力電子開(kāi)關(guān)模塊最頂端采用2個(gè)大的U形管狀屏蔽罩，快速機(jī)械開(kāi)關(guān)模塊和能量吸收模塊最頂端采用圖4(e)所示“口”字形管狀屏蔽。

2 電場(chǎng)計(jì)算及分析

2.1 有限元模型

535 kV混合式高壓直流斷路器實(shí)際結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，完全按照等比例建模計(jì)算量龐大，因此需要先對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化。簡(jiǎn)化的原則為：改動(dòng)原始模型中對(duì)整體電場(chǎng)分布影響不大的細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)，使仿真更加簡(jiǎn)便高效。

斷路器閥塔整體電場(chǎng)分布主要取決于外部電屏蔽和內(nèi)部各裝置的結(jié)構(gòu)、外形尺寸、間距等因素。在建模過(guò)程中，各屏蔽板、屏蔽環(huán)的外形參數(shù)與安裝位置需嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)圖紙建立；內(nèi)部元件由于整體包覆在屏蔽內(nèi)部，只需根據(jù)其幾何外形進(jìn)行建模，忽略內(nèi)部連接結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)：閥單元和每層避雷器內(nèi)部復(fù)雜的元件連接簡(jiǎn)化為絕緣材料的實(shí)心長(zhǎng)方體；機(jī)械開(kāi)關(guān)和耦合負(fù)壓裝置根據(jù)本體及控制箱外形尺寸進(jìn)行簡(jiǎn)化。簡(jiǎn)化后的模型如圖5所示，外部長(zhǎng)方體區(qū)域用來(lái)模擬閥廳內(nèi)部空間。

圖5 535 kV高壓直流斷路器實(shí)體模型Fig.5 Solid model of 535 kV HVDC circuit breaker

然后進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對(duì)電屏蔽的邊沿使用小尺寸四面體單元細(xì)分，其余部分根據(jù)其外形，綜合使用四面體與六面體單元粗分；同時(shí)，將屏蔽裝置附近的空氣從整體空氣模型中分離，用較小尺寸的單元進(jìn)行剖分，使網(wǎng)格均勻過(guò)渡，剖分結(jié)果如圖6所示。

圖6 535 kV高壓直流斷路器有限元模型Fig.6 Finite element model of 535 kV HVDC circuit breaker

2.2 數(shù)學(xué)模型和計(jì)算條件

535 kV混合式高壓直流斷路器分閘狀態(tài)下的電場(chǎng)分布屬于靜電場(chǎng)分析范疇，滿足準(zhǔn)靜態(tài)電場(chǎng)泛定方程[24]

·(γE+jωεE)=0.

式中：γ為電導(dǎo)率，S/m；E為電場(chǎng)強(qiáng)度，V/m；ω為角頻率；ε為相對(duì)介電常數(shù)；γE為傳導(dǎo)電流密度，A/m2；jωεE為位移電流密度，A/m2。

計(jì)算時(shí)，外部長(zhǎng)方體區(qū)域用來(lái)模擬閥廳內(nèi)部空間，其表面設(shè)為一類邊界條件，施加零電位；機(jī)械開(kāi)關(guān)及閥單元頂部進(jìn)線端施加高電位，此處選取更嚴(yán)苛的閥端間1 min直流耐受電壓856 kV；底部出線端施加零電位；中間各級(jí)屏蔽均勻承擔(dān)試驗(yàn)電壓，與各自連接的母線電壓相同。

2.3 計(jì)算結(jié)果與分析

2.3.1 起暈場(chǎng)強(qiáng)判據(jù)

535 kV混合式高壓直流斷路器安裝在閥廳內(nèi)部，受外界環(huán)境影響較小，根據(jù)靜電場(chǎng)理論，導(dǎo)體內(nèi)部的場(chǎng)強(qiáng)均為零，導(dǎo)體表面的起暈場(chǎng)強(qiáng)可參照空氣介質(zhì)的擊穿場(chǎng)強(qiáng)[27]，本文選取3 kV/mm作為直流斷路器金具表面的起暈場(chǎng)強(qiáng)判據(jù)。

2.3.2 結(jié)果分析

基于以上計(jì)算模型及求解條件，采用ANSYS軟件對(duì)535 kV混合式高壓直流斷路器的整體電場(chǎng)分布進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖7和圖8所示。

圖7 535 kV高壓直流斷路器電位分布Fig.7 Potential distribution of 535 kV HVDC circuit breaker

圖8 535 kV高壓直流斷路器整體電場(chǎng)分布Fig.8 Electric field distribution of 535 kV HVDC circuit breaker

分析圖7和圖8可知：535 kV高壓直流斷路器閥塔整體電場(chǎng)分布不均勻，由于電屏蔽結(jié)構(gòu)的存在，閥塔內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)較低，高場(chǎng)強(qiáng)區(qū)集中在部分閥層屏蔽板、閥塔屏蔽罩及屏蔽環(huán)的大曲率邊沿；最大場(chǎng)強(qiáng)出現(xiàn)在頂端U形管狀屏蔽端部圓弧處，如圖9所示，其最大值為1.74 kV/mm，小于3 kV/mm，滿足設(shè)計(jì)要求。

8臺(tái)機(jī)械開(kāi)關(guān)的電場(chǎng)分布如圖10所示，其最大場(chǎng)強(qiáng)值為0.73 kV/mm，位于第8臺(tái)機(jī)械開(kāi)關(guān)靜側(cè)出線處。

圖9 閥塔頂部屏蔽電場(chǎng)分布Fig.9 Electric field distribution of top shield

圖10 機(jī)械開(kāi)關(guān)電場(chǎng)分布Fig.10 Electric field distribution of mechanical switch

轉(zhuǎn)移支路5層閥單元的電場(chǎng)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。5層閥單元的場(chǎng)強(qiáng)最大值偏差較小，呈現(xiàn)隨閥層增加先減小后增大的趨勢(shì)，但均遠(yuǎn)小于3 kV/mm，具有較大的絕緣裕度。圖11為第5層閥單元的電場(chǎng)分布。

表2 閥單元電場(chǎng)計(jì)算結(jié)果Tab.2 Calculation results of electric field strength for valve element

3 絕緣試驗(yàn)

絕緣試驗(yàn)是考核產(chǎn)品絕緣設(shè)計(jì)優(yōu)劣的關(guān)鍵，為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)535 kV混合式高壓直流斷路器的絕緣性能，分別對(duì)其進(jìn)行直流電壓耐受試驗(yàn)、局部放電試驗(yàn)和沖擊電壓試驗(yàn)，具體參數(shù)見(jiàn)表3和表4。

圖11 轉(zhuǎn)移支路閥單元第5層電場(chǎng)分布Fig.11 Electric field distribution of the fifth layer for transfer branch valve unit

表3 直流電壓耐受試驗(yàn)參數(shù)Tab.3 Parameters of DC voltage tolerance test

試驗(yàn)項(xiàng)目應(yīng)施電壓/kV實(shí)測(cè)電壓/kV加壓時(shí)間-901-9051min-617-6203h對(duì)地直流電壓耐受試驗(yàn)+901+9111min+617+6223h+902+9111min+617+6251h端間直流電壓耐受試驗(yàn)-902-9121min-617-6231h

表4 沖擊電壓試驗(yàn)參數(shù)Tab.4 Parameters of impulse voltage test

所設(shè)計(jì)535 kV高壓直流斷路器成功通過(guò)了直流電壓耐受試驗(yàn)和沖擊電壓試驗(yàn)，圖12為進(jìn)行沖擊電壓試驗(yàn)時(shí)正極性的波形。

局部放電試驗(yàn)在對(duì)地直流電壓耐受試驗(yàn)3 h的最后1 h內(nèi)進(jìn)行測(cè)量，超過(guò)300 pC的局部放電數(shù)目應(yīng)按照IEC 60700-1：2015《高壓直流(HVDC)輸電用晶閘管閥 第1部分：電氣試驗(yàn)》附錄B的要求進(jìn)行記錄，要求整個(gè)記錄期間：平均每分鐘300 pC以上的脈沖不超過(guò)15次；平均每分鐘500 pC以上的脈沖不超過(guò)7次；平均每分鐘1 000 pC以上的脈沖不超過(guò)3次；平均每分鐘2 000 pC以上的脈沖不超過(guò)1次。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5，結(jié)果均在標(biāo)準(zhǔn)要求范圍內(nèi)。

圖12 沖擊電壓試驗(yàn)波形Fig.12 Waveform of impulse voltage test

表5 局部放電試驗(yàn)結(jié)果Tab.5 Partial discharge test results

最后1h內(nèi)平均每分鐘脈沖次數(shù)>300pC>500pC>1000pC>2000pC5.025.010.1603.112.550.710

4 結(jié)論

本文以535 kV混合式高壓直流斷路器的研制為依托，基于靜電場(chǎng)分析方法，對(duì)其電場(chǎng)分布進(jìn)行了計(jì)算和分析，可得到以下結(jié)論：

a)535 kV高壓直流斷路器閥塔整體電場(chǎng)分布不均勻。由于電屏蔽結(jié)構(gòu)的存在，閥塔內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)較低，高場(chǎng)強(qiáng)區(qū)集中在部分閥層屏蔽板、閥塔屏蔽罩及屏蔽環(huán)的大曲率邊沿。

b)閥塔最大場(chǎng)強(qiáng)值為1.74 kV/mm，位于頂端U形管狀屏蔽端部圓弧處，但低于起暈場(chǎng)強(qiáng)值(3 kV/mm)。

c)機(jī)械開(kāi)關(guān)支路場(chǎng)強(qiáng)最大值為0.73 kV/mm，位于第8臺(tái)機(jī)械開(kāi)關(guān)靜側(cè)出線位置；轉(zhuǎn)移支路5層閥單元的場(chǎng)強(qiáng)最大值為0.79 kV/mm，整體呈現(xiàn)隨閥層增加先減小后增大的規(guī)律。

d)直流斷路器的電屏蔽結(jié)構(gòu)主要有：U形板狀屏蔽、直線形板狀屏蔽、L形板狀屏蔽、U形管狀屏蔽和“口”字形管狀屏蔽，設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)閥塔內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同選用不同類型的電屏蔽，保證電場(chǎng)平滑過(guò)渡。