基于數(shù)值仿真的換流變閥側(cè)出線裝置絕緣性能驗證系統(tǒng)研發(fā)

張陵 許廣虎 何長根 金銘 吳標 姜杏輝

摘? 要：研發(fā)了一種基于數(shù)值仿真的換流變閥側(cè)出線裝置絕緣性能驗證系統(tǒng)，由油箱、升高座、套管、出線裝置尾端均壓球等部分組成。其中獨立實驗裝置以交流百萬伏均壓球、均壓管設(shè)計為原型，通過仿真計算，設(shè)計出適合特高壓閥出線裝置試驗的整體結(jié)構(gòu)方案。研發(fā)特高壓換流變閥出線裝置的獨立試驗裝置，有助于單獨檢驗閥出線裝置的絕緣性能，也助于推進關(guān)鍵組件的國產(chǎn)化研制進程，提升企業(yè)的科技創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞：特高壓換流變壓器? 數(shù)值仿真? 絕緣性能? 獨立實驗裝置

中圖分類號：TM401.2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2021）02（a）-0035-05

Development of insulation performance verification system for converter valve side outlet device based on? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? numerical simulation

ZHANG Ling1? XU Guanghu2? HE Changgen1? JIN Ming2? WU Biao2? JIANG Xinhui3*

（1.State Grid Xinjiang Electric Power Co.， Ltd.， Urumqi， Xinjiang Uygur Autonomous Region， 830002 China2.Electric Power Science Research Institute State Grid Xinjiang Electric Power Co.， Ltd. ， Urumqi， Xinjiang Uygur Autonomous Region， 830002 China3.Huadian Electric Power Technology Research Institute， Wenzheng college， Suzhou University， Suzhou， Jiangsu Province，215104 China）

Abstract： A verification system for the insulation performance of the outlet device on the converter valve side based on numerical simulation has been developed， which is composed of a fuel tank， a riser， a casing， and a pressure equalizing ball at the end of the outlet device.? Among them， the independent experimental device is based on the design of AC million volt equalizing ball and equalizing pipe. Through simulation calculation， an overall structure scheme suitable for the test of the UHV valve outlet device is designed.The research and development of an independent test device for the outlet device of the UHV converter variable valve helps to independently test the insulation performance of the outlet device of the valve. It also helps to promote the localization of key components and enhance the company's technological innovation capabilities.

Key Words： UHV converter transformer; Numerical simulation; Insulation performance; Independent experimental device

無論整流站還是逆變站，換流變都是必不可少的核心設(shè)備，起著電氣連接換流閥與交流系統(tǒng)的功能，并為換流閥提供換相電壓[1]。換流變壓器中的閥側(cè)組部件在運行中要長期承受高幅值的交直流疊加的工作電壓、高次諧波以及各種過電壓，還要承受啟動、停運和極性反轉(zhuǎn)等動態(tài)直流電壓，對其閥側(cè)絕緣結(jié)構(gòu)的絕緣性能具有極高的要求。出線裝置是連接換流變壓器本體與高壓套管的關(guān)鍵組部件，由油+紙板（圍屏）層級結(jié)構(gòu)構(gòu)成，對于換流變壓器其閥側(cè)出線裝置電場分布在交流電壓下由材料介電常數(shù)決定，在直流電壓下由材料的電導(dǎo)率決定，在反轉(zhuǎn)電壓下考慮結(jié)構(gòu)的暫態(tài)特性和穩(wěn)態(tài)特性，所以換流變壓器閥側(cè)出線裝置的絕緣技術(shù)被視為換流變壓器核心技術(shù)。

目前國內(nèi)外各生產(chǎn)廠商關(guān)于換流變壓器裕度設(shè)計均基于仿真計算，即基于某絕緣結(jié)構(gòu)模型、給定各材料電導(dǎo)率、介電常數(shù)模型邊界條件，通過有限元計算方法求解模型在交流、直流、極性反轉(zhuǎn)電壓下的電場分布，并考核關(guān)鍵部位的電場強度，沿面爬電電場強度，國內(nèi)外尚無在實際出線裝置上開展絕緣裕度試驗先例。由于特高壓電壓等級下出線裝置絕緣結(jié)構(gòu)的特殊性、工藝控制的復(fù)雜性，出線裝置質(zhì)量管控難度較大[2]，目前世界上也沒有任何試驗設(shè)備可以脫離主機獨立的對特高壓換流變閥側(cè)出線裝置進行試驗。這就造成了出線裝置的質(zhì)量風險難以完全受控，一旦出線裝置出現(xiàn)問題將帶來不可挽回的巨額損失[3]，所以對于特高壓換流變壓器的核心部件套管及出線裝置獨立進行裝配前的試驗尤為重要。

1? 絕緣性能驗證系統(tǒng)方案設(shè)計

1.1 系統(tǒng)功能

在絕緣性能驗證系統(tǒng)中對閥側(cè)套管及出線裝置獨立進行閥側(cè)交流外施耐壓、直流外施耐壓等試驗，可提前對閥側(cè)套管及閥側(cè)出線裝置的安全可靠性進行驗證，可實現(xiàn)對閥側(cè)套管及出線裝置獨立考核，保證閥側(cè)套管及出線裝置電氣性能的可靠，降低由于閥側(cè)套管及出線裝置質(zhì)量問題帶來的風險。

1.2 主要性能要求

（1）電氣性能。

特高壓換流變壓器的重量大于500t，其出線裝置在長期的運行工況中，既要耐受各種可能發(fā)生的過電壓作用，又要承受長期交流工頻電壓的作用，還要經(jīng)受直流及極性反轉(zhuǎn)電壓的作用，而出線裝置這些電氣性能的檢驗，主要依靠各種過電壓試驗來保證[4]。

針對特高壓換流變閥側(cè)出線裝置的絕緣性能，研發(fā)一款全新的國產(chǎn)化獨立試驗裝置，對其進行1h交流長時外施1297kV電壓的試驗考核，已檢驗有無局放產(chǎn)生，然后再對閥出線裝置進行整體其它絕緣試驗，確保出線裝置電氣性能的可靠性。

（2）機械性能。

獨立試驗裝置的開發(fā)必須考慮運輸過程中的顛簸以及其它沖擊的狀態(tài)下，有足夠的機械強度，并要求滿足以下條件：

（1）均壓球、均壓管不產(chǎn)生機械變形;

（2）均壓球、均壓管外糊絕緣層不產(chǎn)生裂紋、縫隙;

（3）絕緣筒支撐件不傾斜、位移、脫落;

（4）絕緣筒不產(chǎn)生裂紋、縫隙、位移，粘接部位不開裂。

1.3 設(shè)計方案

在長時工頻耐壓試驗中，為了不對換流變壓器其它組部件造成損壞，單獨對出線裝置進行試驗，設(shè)計制造了一套特高壓出線裝置獨立試驗系統(tǒng)。該系統(tǒng)由油箱、升高座、套管、出線裝置尾端均壓球等部分組成，獨立試驗系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2? 基于數(shù)值仿真的閥側(cè)出線實驗裝置可靠性評估及基礎(chǔ)研究

有限元法是一有著廣泛用和堅實理論基礎(chǔ)的數(shù)值計算方法，它在工程領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，常常用于新產(chǎn)品的研發(fā)和復(fù)雜工程技術(shù)問題的解決[5-6]。模型中各部分所涉及的絕緣材料主要有變壓器油、紙漿、成型件，所使用的絕緣材料屬性如表1所示。由于特高壓絕緣裝置使用多層成型件分割油隙，每層成型件間可近似為均勻電場，根據(jù)屏障間油隙的試驗數(shù)據(jù)，將1h外施工頻耐壓、雷電全波沖擊耐壓、雷電載波沖擊耐壓、操作沖擊耐壓折算為1min外施工頻耐壓。折算完后最大值為1488.7kV，仿真時取1500kV。在外施工頻電壓下，處于不同電位的導(dǎo)體間的電位差隨時間的變化緩慢，可以將短時工頻耐壓下的電場近似為靜電場。

根據(jù)電場仿真計算結(jié)果，最大場強位置處電力線上電位分布情況如圖2所示，場強分布情況如圖3所示。

由于電壓不能躍變，所以圖2的電位分布曲線是一條連續(xù)的曲線，而交流下的場強分布與介電常數(shù)成反比，所以圖3的場強分布曲線在每個成型件的位置都會有一個躍變。采樣及安全裕度校核結(jié)果如表2所示。

由表2可以看出，油中最大場強為6.57kV/mm，第二、三層油隙有最小安全系數(shù)分別為1.20和1.22，最大場強和最小安全系數(shù)均滿足設(shè)計裕度要求。

3? 換流變閥側(cè)出線裝置絕緣性能驗證系統(tǒng)制造

由于該試驗裝置整體場強較高，須完全控制試驗裝置各部位均無缺陷，才能保證產(chǎn)品的質(zhì)量。絕緣件制造廠的制造能力、技術(shù)水平成為生產(chǎn)制造時的重點管控點。

3.1 生產(chǎn)流程

獨立試驗裝置的制造分為模具結(jié)構(gòu)設(shè)計、原材料的選擇與加工、單個零部件制造、零部件組裝四個步驟。

模具結(jié)構(gòu)設(shè)計：模具的設(shè)計既要保證產(chǎn)品的尺寸，又要符合濕法成型工藝。結(jié)構(gòu)的合理性直接關(guān)系到試驗裝置上絕緣零部件的質(zhì)量，從而影響整個試驗裝置的質(zhì)量。

原材料的選擇與加工：原材料選用電子級100%未漂硫酸鹽針葉木漿。在濕紙制造過程中，采用特定的漿種配比、大回流串聯(lián)磨漿工藝、多級漿料凈化工藝、工藝用水的去離子處理等措施，保證紙板濕紙和濕法成型原料的質(zhì)量符合特高壓出線裝置制造的要求。

零部件制造：獨立的試驗裝置是由成型件和機加工件組成的，均壓球為曲面成型結(jié)構(gòu)件，為此設(shè)計制造了專用金屬模具，并使用材質(zhì)均勻的紫銅板拉伸拼裝焊接成型。制作成型的均壓球內(nèi)外表面拋光，使其滿足產(chǎn)品所需的電氣性能要求。

零部件組裝：以上零部件在制作完成后需放置在恒溫恒濕房內(nèi)靜置，在所有零部件水分均衡的情況下。需要獨立的二次無塵房內(nèi)根據(jù)圖紙要求逐層裝配，在裝配過程中除需進行常規(guī)的尺寸核驗，更為重要的是每層需要進行X光的拍攝。

3.2 制造工藝特點

特高壓絕緣成型件分為三大類：機加工成型件、模壓成型件、濕法成型件。國內(nèi)幾大家絕緣制造龍頭企業(yè)依托自身的制造經(jīng)驗、設(shè)備能力、研發(fā)能力找出了限制國內(nèi)絕緣成型件的關(guān)鍵因素：（1）濕法成型件厚度的控制、R角開裂、變形的因素直接影響著產(chǎn)品的電氣性能。（2）層壓機加工成型件使用的粘結(jié)劑極大的影響了絕緣材料的整體性能。（3）模壓成型件的DP值直接影響產(chǎn)品的電氣性能。

傳統(tǒng)的濕法成型件原材料濕紙通過普通濕抄工藝獲得，該工藝存在的缺陷是由于紙纖維排列方向一致，在制作成型件時R角部位由于干燥收縮因素有易開裂的風險。本項目濕紙是通過低密柔性紙生產(chǎn)工藝制造，成品濕紙由于內(nèi)部纖維存在互鎖形態(tài)故具有層間粘合力強，可塑性更高的優(yōu)點。

濕法成型件形狀特殊，必須設(shè)計壓力模型來保證濕法成型件在脫水工序表面受到相同的壓力。通過在正壓密封容器內(nèi)物體任何部位受到壓力恒定的原理，我們自主設(shè)計了正壓濕法成型件脫水工裝模型，使用該模型保證了產(chǎn)品各個部位密度的一致性。

本文運用了自行研發(fā)的新型混合型低溫粘結(jié)劑，在滿足電氣性能的同時兼顧粘結(jié)劑粘結(jié)后產(chǎn)品的機械性能。我們自主研發(fā)了自帶膠水補給、上膠量控制、單板清潔、膠水清潔多功能一體的自動涂膠設(shè)備，通過設(shè)備保證層壓絕緣制品每層間上膠量完全一致。在涂膠后熱壓的工藝線路上增加養(yǎng)生工藝，留有足夠的養(yǎng)身周期使膠水完全滲入紙板層內(nèi)。大大提升了熱壓制品的機械性能。熱壓工藝上采用了電腦自動控制分多階段在整個熱壓過程中分別設(shè)置升溫-緩壓-保溫-釋放不同的工藝參數(shù)。精確控制酚醛液態(tài)膠水的熱固工藝執(zhí)行，大大降低了層壓制品開裂的風險。

此外還引進了DP測試設(shè)備，通過產(chǎn)品在不同溫度、不同時間下DP值的波動規(guī)律制定了成熟的工藝規(guī)范，同時配合自動溫控、時控壓機避免了由于人為操作不當導(dǎo)致的成型件質(zhì)量波動。

4? 結(jié)語

本文通過特高壓換流變壓器閥出線裝置獨立試驗裝置國產(chǎn)化的研制研究，設(shè)計制造特了高壓出線裝置獨立試驗裝置，其電氣性能和生產(chǎn)制造工藝完全符合滿足設(shè)計需求，最終研制的獨立試驗裝置連同特高壓閥出線裝置一次性通過1小時外施工頻耐壓試驗考核，充分說明了國產(chǎn)化獨立試驗裝置生產(chǎn)研制完全可行、可靠。

參考文獻

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