電壓源型換流閥在絕緣型式試驗(yàn)下電場(chǎng)仿真計(jì)算

張 棟，歐陽(yáng)有鵬，尚慧玉，趙宏偉，謝曄源，朱銘煉（.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇南京0；.廣東供電局有限公司，廣東廣州5060）

電壓源型換流閥在絕緣型式試驗(yàn)下電場(chǎng)仿真計(jì)算

張 棟1，歐陽(yáng)有鵬1，尚慧玉2，趙宏偉2，謝曄源1，朱銘煉1
（1.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇南京211102；2.廣東供電局有限公司，廣東廣州510620）

模塊化多電平電壓源型換流器作為柔性環(huán)網(wǎng)控制器和統(tǒng)一潮流控制器（UPFC）系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，其運(yùn)行的可靠性直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。文中以應(yīng)用于柔性環(huán)網(wǎng)控制器及蘇南500 kV UPFC工程的換流閥作為研究對(duì)象，采用PTC Creo 3D與Ansys混合建模技術(shù)，建立了換流閥塔的三維模型，詳細(xì)計(jì)算了換流閥塔在絕緣型式試驗(yàn)下的電場(chǎng)分布。計(jì)算結(jié)果表明：換流閥塔對(duì)地空氣間隙、層間空氣間隙以及換流閥塔的外表面的空氣介質(zhì)等絕緣強(qiáng)度都能滿足換流閥絕緣型式試驗(yàn)的要求，保證換流閥的安全可靠運(yùn)行。

柔性環(huán)網(wǎng)控制器；統(tǒng)一潮流控制器；模塊化多電平電壓源型換流器；絕緣型式試驗(yàn)；電場(chǎng)計(jì)算

0 引言

電壓源型換流器自1990年提出以來(lái)，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于孤單供電、分布式發(fā)電、異步交流電網(wǎng)互聯(lián)、城市電磁環(huán)網(wǎng)以及柔性交流輸電技術(shù)。如基于電壓源型換流器技術(shù)的柔性環(huán)網(wǎng)控制器可實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)軟分區(qū)運(yùn)行、短路電流抑制、潮流優(yōu)化、無(wú)功支撐等功能，為解決電磁環(huán)網(wǎng)問題提供了新的方向。又如統(tǒng)一潮流控制器（unified power flow controller，UPFC）可以快速控制輸電線路有功和無(wú)功潮流，提高線路的輸送能力，同時(shí)可以提高系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性，改善系統(tǒng)阻尼，提高功角穩(wěn)定性［1，2］。

目前，基于模塊化多電平換流器的柔性環(huán)網(wǎng)控制示范工程正在規(guī)劃中，而世界上第一個(gè)基于模塊化多電平換流器（modular multilevel converter，MMC）技術(shù)的UPFC工程已經(jīng)在南京西環(huán)網(wǎng)220 kV UPFC工程中成功應(yīng)用［3－5］。其中，換流閥作為柔性環(huán)網(wǎng)控制器和UPFC的核心設(shè)備，運(yùn)行工況非常復(fù)雜，能否安全運(yùn)行直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性與穩(wěn)定性，而換流閥的屏蔽與絕緣設(shè)計(jì)可靠性直接影響到換流閥的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

國(guó)際電工委員會(huì)IEC 62501－1標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的型式試驗(yàn)是換流閥必須遵守的試驗(yàn)要求與驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。換流閥的型式試驗(yàn)包括運(yùn)行試驗(yàn)與絕緣試驗(yàn)。其中，絕緣試驗(yàn)包括閥支架電介質(zhì)試驗(yàn)以及閥端間電介質(zhì)試驗(yàn)［6］。閥支架電介質(zhì)試驗(yàn)可以檢驗(yàn)閥支架絕緣介質(zhì)的對(duì)地電壓耐受能力、絕緣裕度是否滿足要求；閥端間電介質(zhì)試驗(yàn)可以檢測(cè)閥塔各組件之間的電壓耐受能力、絕緣裕度是否滿足要求。因此，建立換流閥塔的三維模型，在型式試驗(yàn)中進(jìn)行電場(chǎng)仿真計(jì)算對(duì)于檢驗(yàn)和優(yōu)化換流閥的屏蔽與絕緣設(shè)計(jì)具有重要指導(dǎo)意義［7］。

本文以蘇南500 kV UPFC工程的模塊化多電平電壓源型換流閥作為研究對(duì)象，采用有限元分析方法系統(tǒng)地對(duì)型式試驗(yàn)中換流閥的進(jìn)行電場(chǎng)仿真計(jì)算，對(duì)換流閥塔對(duì)地、層間等空氣間隙進(jìn)行電場(chǎng)計(jì)算，對(duì)換流閥塔外表面進(jìn)行電場(chǎng)計(jì)算，詳細(xì)分析了換流閥塔的電場(chǎng)分布。

1 換流閥概述與型式試驗(yàn)

1.1蘇南500 kV UPFC工程概述

蘇南500 kV UPFC模塊化多電平換流閥包括并聯(lián)側(cè)換流器1套，接入木瀆500 kV母線；串聯(lián)側(cè)換流器2套，分別接入木瀆—梅里500 kV雙回線路。每套換流器由6個(gè)橋臂組成，每個(gè)橋臂為1個(gè)完整閥塔。其主回路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 蘇南500 kV UPFC主回路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Sunan 500 kV UPFC main circuit topology diagram

1.2換流閥型式試驗(yàn)

IEC 62501高壓直流輸電電壓源換流器（VSC）閥電氣試驗(yàn)是換流閥在出廠前必須遵守的試驗(yàn)要求和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。其中，絕緣試驗(yàn)包括閥支架電介質(zhì)試驗(yàn)和閥端間電介質(zhì)試驗(yàn)，試驗(yàn)電壓如表1所示。

表1 換流閥絕緣試驗(yàn)試驗(yàn)電壓Table 1 Voltage of converter valve insulation type test

2 換流閥塔的有限元模型搭建

2.1換流閥塔的電場(chǎng)原理分析

換流閥塔主要采用空氣絕緣和固體絕緣結(jié)構(gòu)。通過對(duì)換流閥塔的電場(chǎng)分布進(jìn)行計(jì)算，可以為換流閥塔的屏蔽系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)［8－12］。

根據(jù)現(xiàn)有理論，三維空間下的電場(chǎng)定解條件為：

式（1）中：β為0時(shí)，為第一類邊界條件；γ為0時(shí)，為第二類邊界條件；β和γ都不為0時(shí)，為第三類邊界條件［13－16］。具體根據(jù)計(jì)算模型的實(shí)際情況而定。

根據(jù)式（2）得出，電場(chǎng)強(qiáng)度可表示標(biāo)量電位的負(fù)梯度。在電位變化劇烈區(qū)域，電場(chǎng)強(qiáng)度較大，電場(chǎng)分布比較集中，故在金屬組件（高電位）附近的空氣區(qū)域以及金屬組件與絕緣組件的連接區(qū)域?qū)⑹潜疚难芯康闹攸c(diǎn)對(duì)象。

2.2換流閥塔模型建模與處理

采用PTC Creo 3D和Ansys混合建模技術(shù)建立換流閥塔模型。閥塔為3層雙列環(huán)抱式結(jié)構(gòu)，整個(gè)閥塔共有12根支撐絕緣子，48根層間絕緣子；閥塔采用屏蔽系統(tǒng)設(shè)計(jì)，共有24個(gè)屏蔽罩，頂層對(duì)稱布置2根均壓環(huán)；共計(jì)126個(gè)功率模塊槽位。

由于換流閥塔整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，規(guī)模龐大，直接網(wǎng)格剖分不僅對(duì)于計(jì)算機(jī)的處理能力有很高的要求，并且可能由于細(xì)小零件導(dǎo)致剖分失敗。因此，需要對(duì)換流閥塔模型進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化處理，重點(diǎn)關(guān)注屏蔽罩、均壓環(huán)、絕緣子等組件。具體簡(jiǎn)化步驟如下［17］：

（1）忽略絕緣子傘群對(duì)電位分布的影響，將絕緣子的傘群簡(jiǎn)化為圓柱體；

（2）忽略細(xì)小零部件對(duì)整體電位分布的影響，在進(jìn)行計(jì)算時(shí)不予考慮；

（3）忽略功率模塊內(nèi)部零部件對(duì)整體電位分布的影響，將功率模塊簡(jiǎn)化為長(zhǎng)方體；

（4）忽略部分絕緣組件對(duì)整體電位分布的影響，將功率模塊支撐的絕緣橫梁、水管、光纜槽等絕緣組件在計(jì)算時(shí)不予考慮。

簡(jiǎn)化后的有限元模型如圖2所示。

圖2 蘇南500 kV UPFC換流閥塔的有限元模型Fig.2 Finite?element model of Sunan 500 kV UPFC converter vavle

2.3換流閥塔電場(chǎng)計(jì)算場(chǎng)域與材料屬性

根據(jù)實(shí)際的型式試驗(yàn)大廳尺寸，建立換流閥塔的60 m×48 m×33 m的長(zhǎng)方體求解域，如圖3所示。

圖3 換流閥塔的計(jì)算場(chǎng)域Fig.3 Solution domain of converter vavle

其中，閥塔的支撐絕緣子的金具（包括均壓環(huán)）、支撐地面以及其他5個(gè)面均施加零電位。閥塔的其他金屬組件根據(jù)表1所示的試驗(yàn)電壓施加響應(yīng)的載荷即可。根據(jù)式（1）可知，本文所計(jì)算的邊界條件為第一類邊界條件。

在進(jìn)行換流閥塔的電場(chǎng)仿真計(jì)算時(shí)，絕緣子相對(duì)介電常數(shù)為4.5，空氣的相對(duì)介電常數(shù)為1。目前，對(duì)于金具表面的場(chǎng)強(qiáng)控制值并沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，本文選取2.5 kV／mm作為蘇南500 kV UPFC模塊化多電平電壓源型換流閥在型式試驗(yàn)中的金具表面工作場(chǎng)強(qiáng)控制值。

2.4閥支架電壓下的電位分布

在進(jìn)行閥支架電壓試驗(yàn)時(shí)，換流閥塔的屏蔽罩、金屬框架、頂部均壓環(huán)、功率模塊以及連接母排等金屬組件全部短接在一起，承擔(dān)試驗(yàn)電壓；支撐絕緣子的底部金具，電位為0 V。閥塔電位分布如圖4所示。

圖4 閥支架電壓試驗(yàn)下的電位分布Fig.4 Potential distribution of valve support in insulation test

2.5閥端間交流－直流電壓下電位分布

在進(jìn)行閥端間交流－直流試驗(yàn)時(shí)，換流閥塔的所有的功率模塊均勻承擔(dān)著試驗(yàn)電壓，各屏蔽罩、母排、金屬框架以及頂部均壓環(huán)按照“就近原則”進(jìn)行等電位連接；支撐絕緣子的底部金具，電位為0 V。閥塔電位分布如圖5所示。

3 閥絕緣型式試驗(yàn)下的電場(chǎng)計(jì)算

3.1閥支架電壓下的電場(chǎng)計(jì)算

由于換流閥塔采用的支撐式結(jié)構(gòu)，故計(jì)算分析閥塔與地面之間的空氣間隙的絕緣強(qiáng)度非常有必要。閥支架電壓下的電場(chǎng)分布如圖6—8所示。

圖5 閥端間交流－直流電壓試驗(yàn)下的電位分布Fig.5 Potential distribution of valve between the head and the tail in insulation test

圖6 閥支架電壓試驗(yàn)下的最大電場(chǎng)分布Fig.6 Electric field distribution of valve support

3.2閥支架電壓下的電場(chǎng)分析

分析閥支架電壓下的電場(chǎng)分布圖6—8可知：

（1）在閥支架直流電壓試驗(yàn)和交流電壓試驗(yàn)時(shí)，換流閥塔表面的最大電場(chǎng)強(qiáng)度分別為1.25 kV／mm和1.41 kV／mm，都位于支撐絕緣子的金具與絕緣介質(zhì)連接的區(qū)域，這是由于該區(qū)域電位梯度變化比較劇烈，因此導(dǎo)致此處電場(chǎng)比較集中，小于空氣中的電場(chǎng)擊穿場(chǎng)強(qiáng)，不會(huì)產(chǎn)生電暈及放電現(xiàn)象。

（2）在閥支架直流電壓試驗(yàn)和交流電壓試驗(yàn)下，換流閥塔的屏蔽罩的表面最大電場(chǎng)強(qiáng)度分別為1.15 kV／mm和1.16 kV／mm，都位于底層屏蔽罩邊緣處，這是由于該區(qū)域與地面零電位距離最近，但是由于屏蔽罩在設(shè)計(jì)時(shí)都進(jìn)行了“倒角”處理并打磨光滑，降低了其表面電場(chǎng)強(qiáng)度。換流閥塔的頂部均壓環(huán)的表面最大電場(chǎng)強(qiáng)度分別為0.12 kV／mm和0.119 kV／mm，都位于均壓環(huán)的拐角處。

圖7 閥支架電壓試驗(yàn)下的屏蔽罩電場(chǎng)分布Fig.7 Electric field distribution of shield covers

圖8 閥支架電壓試驗(yàn)下的頂部均壓環(huán)電場(chǎng)分布Fig.8 Electric field distribution of grading ring

3.3閥端間交流－直流電壓下的電場(chǎng)計(jì)算

在閥端間交流－直流電壓試驗(yàn)時(shí)，主要校驗(yàn)換流閥塔層間、功率模塊之間以及換流閥塔的屏蔽罩表面等空氣間隙的絕緣強(qiáng)度。屏蔽罩表面的電場(chǎng)分布如圖9所示。按照電位升高的順序，將屏蔽罩進(jìn)行1－8編號(hào)，如圖10所示。表2列出了換流閥塔各層屏蔽罩表面的最大電場(chǎng)分布情況。在閥端間交流－直流電壓試驗(yàn)下電場(chǎng)分布如圖11—13所示。

圖9 閥端間電壓試驗(yàn)下的屏蔽罩電場(chǎng)分布Fig.9 Electric field distribution of shield covers

圖10 換流閥塔的屏蔽罩編號(hào)Fig.10 Number of shield covers of converter valve

表2 換流閥絕緣試驗(yàn)屏蔽罩最大電場(chǎng)分布Table 2 Max electric field distribution of shield covers（kV·mm－1）

3.4閥端間交流－直流電壓下的電場(chǎng)分析

分析閥端間交流－直流電壓下的電場(chǎng)分布圖9—13可知：

圖11 閥端間電壓試驗(yàn)下的最大電場(chǎng)分布Fig.11 Electric field distribution of insulator surface

圖12 閥端間電壓試驗(yàn)下的頂部均壓環(huán)電場(chǎng)分布Fig.12 Electric field distribution of grading ring

圖13 閥端間電壓試驗(yàn)下的功率模塊電場(chǎng)分布Fig.13 Electric field distribution of sub module

（1）在閥端間交流－直流電壓下，換流閥塔的屏蔽罩表面最大電場(chǎng)強(qiáng)度為0.81 kV／mm，位于中間層的6號(hào)屏蔽罩，其他各層屏蔽罩表面電場(chǎng)強(qiáng)度在0.4～0.8 kV／mm，小于空氣中的電場(chǎng)擊穿場(chǎng)強(qiáng)，不會(huì)產(chǎn)生電暈及放電現(xiàn)象，且各個(gè)屏蔽罩的電場(chǎng)分布比較均勻。

（2）在閥端間交流－直流電壓下，換流閥塔的表面最大電場(chǎng)強(qiáng)度為1.77 kV／mm，位于支撐絕緣子的金具表面；換流閥塔的頂部均壓環(huán)的表面最大電場(chǎng)強(qiáng)度為0.45 kV／mm，位于均壓環(huán)的拐角處；換流閥塔的功率模塊表面的最大電場(chǎng)強(qiáng)度為0.55 kV／mm，位于功率模塊的邊沿處，仿真計(jì)算時(shí)考慮比較惡化的結(jié)構(gòu)（無(wú)倒角）。

4 結(jié)語(yǔ)

由于換流閥采用支撐結(jié)構(gòu)，主要校核換流閥對(duì)地空氣間隙中的絕緣強(qiáng)度，通過絕緣型式試驗(yàn)下的閥支架直流電壓試驗(yàn)、交流電壓試驗(yàn)進(jìn)行絕緣性能評(píng)估；由于分層排列布置，主要校核換流閥層間以及模塊之間空氣間隙的絕緣強(qiáng)度，通過絕緣型式下的閥端間交流－直流電壓試驗(yàn)進(jìn)行絕緣性能評(píng)估。

本文根據(jù)電磁場(chǎng)基本原理，建立了以蘇南500 kV UPFC模塊化多電平電壓源型換流閥的有限元模型，詳細(xì)研究了換流閥在絕緣型式試驗(yàn)下電場(chǎng)分布，計(jì)算結(jié)果表明：換流閥塔對(duì)地空氣間隙、層間空氣間隙以及換流閥塔的外表面的空氣介質(zhì)等絕緣強(qiáng)度都能滿足換流閥絕緣型式試驗(yàn)的要求，由于采用了屏蔽結(jié)構(gòu)，換流閥的外表面電場(chǎng)分布比較均勻。

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Electric Field Simulation and Calculation of Voltage Sourced Converter Valve in Insulation Type Test

ZHANG Dong1，OUYANG Youpeng1，SHANG Huiyu2，ZHAO Hongwei2，XIE Yeyuan1，ZHU Minglian1
（1.NR Electric Co.，Ltd，Nanjing 211102，China；2.Guangzhou Power Supply Co.Ltd.，Guangzhou 510620，China）

As the key equipment in the flexible looped network controller and UPFC，the reliability of the modular multilevel voltage sourced converter directly affects the safe and stable operation of the whole AC system.We established a 3?D model of the flexible looped network controller and Sunan 500 kV UPFC converter using PTC CREO and ANSYS.We calculated the electric field distribution of the converter valve in insulation type test.The results show that the insulation strength of the air gap distance to the ground of converter valve，the air gap between layers of converter valve，the air medium outside of converter valve can meet the requirements of the converter valve in insulation type test，which can ensure safe and reliable operation of the converter valve.

flexible looped network controller；unified power flow controller（UPFC）；modular multilevel voltage sourced converter；insulation type test；electric field calculation

TM761

：A

：2096－3203（2017）02－0076－06

張 棟

張 棟（1977—），男，江蘇鹽城人，工程師，從事電力系統(tǒng)自動(dòng)化工作；

歐陽(yáng)有鵬（1985—），男，湖北襄陽(yáng)人，工程師，從事柔性直流輸電和無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)研究工作；

尚慧玉（1982—），女，江西南昌人，高級(jí)工程師，從事電力系統(tǒng)運(yùn)行管理工作；

趙宏偉（1982—），男，河北張家口人，高級(jí)工程師，從事電網(wǎng)運(yùn)行方式分析和控制研究工作；

謝曄源（1978—），男，江西九江人，高級(jí)工程師，從事柔性直流輸電、柔性交流輸電和無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)研究工作；

朱銘煉（1985—），男，江蘇靖江人，工程師，從事柔性直流輸電技術(shù)研究工作。

（編輯 徐林菊）

2017－01－04；

2017－02－11

中國(guó)南方電網(wǎng)重點(diǎn)科技項(xiàng)目（GZHKJ 00000101）