換流閥觸發(fā)光纖故障分析與電場仿真

楊知非， 董曼玲， 杜君莉， 郭培， 王棟

(國網(wǎng)河南省電力公司電力科學(xué)研究院， 鄭州 450052)

直流輸電技術(shù)相對于交流而言，具有長距離輸電能量損耗低、輸電線路穩(wěn)定性好等優(yōu)點，適合于中國資源分布不均而導(dǎo)致的長距離輸電限制問題[1-4]。換流閥作為直流輸電的核心設(shè)備，起著整流、逆變、開關(guān)等關(guān)鍵作用[5-8]。文獻[5]針對特高壓換流閥狀態(tài)評估中原始數(shù)據(jù)不均衡、模型難以解釋等問題，提出一種基于輕量梯度提升機與Shap歸因分析的特高壓換流閥狀態(tài)評估方法。文獻[6]針對換流閥模塊的倒角剖分問題，采用了適合大規(guī)模問題求解的多極子加速曲面邊界元法，分析了不同倒角下拐角處電場的變化情況。文獻[7]采用計算流體動力學(xué)數(shù)值模擬方法，合理設(shè)計了換流閥冷卻系統(tǒng)中離子交換器的規(guī)格和內(nèi)部結(jié)構(gòu)。文獻[8]為解決現(xiàn)有換相失敗預(yù)防控制在某些故障情況下啟動不及時的問題,通過引入換相電流時間面積判據(jù)，提出了一種啟動更加迅速的換相失敗預(yù)防控制改進策略。

光直接觸發(fā)晶閘管是伴隨電子技術(shù)而出現(xiàn)的一個關(guān)鍵，采用光觸發(fā)后，系統(tǒng)的穩(wěn)定性逐步提高，電路結(jié)構(gòu)得到簡化，故障出現(xiàn)的概率大大減小，系統(tǒng)的可靠性有了一個全新的進步[9]。

目前，國內(nèi)外學(xué)者針對閥廳內(nèi)部的電場仿真做了大量的研究。文獻[10]以±1 100 kV直流換流閥模塊內(nèi)部金屬部件和層間絕緣子為研究對象，采用SolidWorks及Ansys 混合建模技術(shù)，建立了研究對象的三維模型。對該模型進行了單閥直流耐壓試驗仿真和交流耐壓試驗仿真，得到其電場分布結(jié)果，根據(jù)此結(jié)果對模型進行了絕緣優(yōu)化。文獻[11]根據(jù)±800 kV多端柔直換流站直流場的設(shè)計方案和設(shè)備布置，建立了三維全場域有限元仿真模型，計算分析了運行工況下直流場中各均壓屏蔽裝置的電位、電場分布，基于控制場強提出了典型金具的差異化優(yōu)化思路與改進方向。然而，很少有學(xué)者對晶閘管觸發(fā)光纖的電場分布進行研究?，F(xiàn)將以現(xiàn)場故障為實例，對晶閘管觸發(fā)光纖進行電場仿真，同時考慮了光纖材料電阻率改變對電場畸變的影響以及光纖電位未被鉗制情況下對電場分布的影響，有效分析了光纖故障點處局部放電的原因。

1 換流閥結(jié)構(gòu)

某±120 kV換流站換流閥為光觸發(fā)換流閥。該換流閥每相閥塔共4層，包括4個單閥，每個單閥含2個閥段，每個閥段含11個晶閘管級(3根觸發(fā)光纖、11根回報光纖、2根反向恢復(fù)保護光纖、1根觸發(fā)回檢光纖)；每個晶閘管級包括1個晶閘管、1個晶閘管電壓監(jiān)測(thyristor voltage monitoring, TVM)板、1根回報光纖，如圖1所示。

圖1 閥體光纖蓋板位置Fig.1 Position of optical fiber cover plate

每個單閥觸發(fā)、回報光纖使用波紋管單獨包裹成束后，逐層向上匯集，并在波紋管外部包裹一層防火布，光纖束在每層閥屏蔽罩處使用光纖蓋板固定(每個蓋板固定的光纖數(shù)量一致)，并通過蓋板中的泡沫塑料(材質(zhì)PE 45 EVA，半導(dǎo)體材料，具有鉗制電位作用)實現(xiàn)等電位，如圖2所示。

2021年7月，換流閥C相第四層晶閘管634、635故障，單閥晶閘管失去冗余，手動切換系統(tǒng)后故障仍然存在。

報文中634、635編碼分別對應(yīng)換流閥C相第四層單閥V14、V15晶閘管級，現(xiàn)場開展C相閥塔外觀檢查，重點檢查V14和V15晶閘管、TVM板、阻尼電容及電容托架等，均未見異常，閥控VBE系統(tǒng)無告警，如圖3、圖4所示。

現(xiàn)場對C相第四層單閥全部22個晶閘管級進行晶閘管阻抗及觸發(fā)試驗，均正常，并對該閥段晶閘管級進行均壓試驗，各晶閘管級間電壓分布均勻，判斷此單閥晶閘管、阻尼回路、多模星型耦合器(multi-mode star couple,MSC)光分配器、MSC光分配器至晶閘管門極觸發(fā)光纖均正常。

圖2 光纖結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Optical fiber structure diagram

圖3 VBE屏柜無告警Fig.3 VBE cabinet no warning

圖4 C相Y橋閥5組件外觀檢查Fig.4 Visual inspection for phase C Y-bridge valve 5 assembly

現(xiàn)場對V14、V15晶閘管級外施交流電壓，在VBE閥基電子設(shè)備側(cè)無光信號反饋。檢查C相第四層單閥內(nèi)所有回報光纖衰耗，僅發(fā)現(xiàn)V14、V15晶閘管回報光纖異常。

為檢查光纖故障位置，將C相閥塔光纖蓋板全部打開，發(fā)現(xiàn)第三層單閥的蓋板內(nèi)V14、V15晶閘管回報光纖表皮存在表皮脫落現(xiàn)象，如圖5所示。對其他單閥光纖蓋板全部打開檢查，未發(fā)現(xiàn)明顯異常(三相閥塔內(nèi)共計30個蓋板)。

圖5 第三層屏蔽罩蓋板內(nèi)回報光纖表皮脫落Fig.5 The skin of the optical fiber in the cover plate of the third layer shield falls off

2 光纖樣品形貌分析

針對此故障，現(xiàn)場截取了外皮破損的回報光纖，及對應(yīng)光纖蓋板處黑色泡沫塑料，開展上述樣品的宏觀及微觀形貌分析。

2.1 宏觀形貌分析

通過宏觀觀察，發(fā)現(xiàn)故障點處回報光纖整體體積膨大，且沿長度方向直徑明顯縮小。針對故障點回報光纖體積膨大情況，沿長度方向解剖，對內(nèi)部光纖進行目視檢查。圖6所示為解剖后裸露的內(nèi)部光纖形貌圖，可以看出內(nèi)部光纖在同樣位置存在體積膨大，直徑隨長度方向顯著縮小，光纖出現(xiàn)拉絲現(xiàn)象，說明故障點處光纖整體出現(xiàn)熔融現(xiàn)象。

2.2 微觀形貌分析

針對故障點處回報光纖外皮燒蝕情況，利用掃描電鏡開展了微觀形貌分析，得到圖7所示故障點處回報光纖典型區(qū)域微觀形貌圖，從圖7(a)和圖7(b)可看出，故障點處前端直徑逐漸變細，前端有凹坑，說明外皮熔融程度較高，出現(xiàn)軟化和流動現(xiàn)象。

圖7(c)所示為故障點回報光纖體積膨大處表面微觀形貌圖，可看出表面存在熔融區(qū)域和燒蝕坑，對熔融區(qū)域[圖7(d)、圖7(e)]和燒蝕坑[圖7(f)]進行微觀形貌分析，可以看出熔融區(qū)域表面已燒蝕完全，燒蝕坑部分區(qū)域未燒蝕完全，說明故障點光纖熔融程度沿長度方向減弱。針對破損處位置黑色半導(dǎo)體材料部分燒損情況，進一步截取表面燒損部位和下部正常狀態(tài)部位，利用掃描電鏡開展燒損前后半導(dǎo)體材料形貌對比分析。

圖8所示為燒損前后破損處位置的黑色半導(dǎo)體材料微觀形貌圖。從圖8(a)圖中可看出，正常黑色半導(dǎo)體材料多孔結(jié)構(gòu)，孔壁薄，相互連接。在燒損后，如圖8(b)所示，多孔結(jié)構(gòu)塌陷，孔壁交聯(lián)在一起，表面聚集大量顆粒物，說明破損處光纖蓋板位置黑色半導(dǎo)體材料表面燒蝕嚴重。

綜上所述，故障點處光纖是由局放放電而導(dǎo)致的燒蝕。下文將針對觸發(fā)光纖進行電場仿真，以此來分析發(fā)生局部放電的原因。

圖6 解剖后裸露的內(nèi)部光纖形貌圖Fig.6 Morphology of bare optical fiber after dissection

圖7 故障點處回報光纖微觀形貌圖Fig.7 Micrograph of optical fiber at fault point

圖8 破損處塑料泡沫材料燒損前后微觀形貌Fig.8 Microstructure of plastic foam before and after damage

3 光纖樣品仿真計算

3.1 數(shù)學(xué)模型

3.1.1 有限元法介紹

在數(shù)值計算方法中，有限元法應(yīng)用非常廣泛。其優(yōu)勢在于靈活性，極適宜于具有復(fù)雜邊界條件的數(shù)學(xué)物理方程問題。特別當計算區(qū)域的結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜時，應(yīng)用有限元法顯得更為方便靈巧。文獻[12]以220 kV油紙電容式套管為研究對象，利用有限元法對套管溫度場進行了計算。文獻[13]以輸電線路復(fù)合絕緣子為研究對象，通過建立起傘裙完整狀態(tài)、不同破損位置及程度狀態(tài)時的有限元電場仿真模型，對比分析了前后狀態(tài)的電場分布特征。

電磁場的計算問題即是一個求解位場邊值問題。若給定二位邊值問題[14]為

(1)

式(1)中：ε為介電常數(shù)；φ為電位；f為一已知函數(shù)；n為平面的法向量。

則其等價于下屬問題的求解，即

(2)

式(2)中：J、W為能量函數(shù)。

有限元方法即從求解能量極值函數(shù)入手，可以看出能量函數(shù)J(φ)，對應(yīng)于不同的電位函數(shù)φ(它們都應(yīng)滿足同一邊界條件)就有不同的積分值，所以它是一個以函數(shù)作變量的函數(shù)，稱為泛函數(shù)，簡稱為泛函。上述等價問題稱之為邊值問題的等價變分問題。也就是說，邊值問題的解函數(shù)，可以通過求解變分問題(泛函的極值函數(shù))來獲得。

3.1.2 電場控制方程

場計算模型包含控制方程(麥克斯韋方程組)、本構(gòu)關(guān)系及邊界條件等三要素[14]，本文換流閥及光纖模型主要承受直流電壓，可以按照直流電場來分析。

其控制方程為

?·J=0

(3)

?·E=0

(4)

式中：J為電流密度矢量，A/m2；E為電場強度，V/m。

場量與媒質(zhì)特性關(guān)系(本構(gòu)方程)式為

J=γE

(5)

式(5)中：γ為媒質(zhì)的電導(dǎo)率，S/m。

場強E可以表示為電位φ的梯度，即

E=-?φ

(6)

導(dǎo)出方程

?2φ=0

(7)

式(7)中：?2為拉普拉斯算子。電位φ的拉普拉斯方程為

(8)

電磁場理論中，電場具有三類邊界條件：

第一類為狄里赫希邊界條件，即給定邊界上的電位值為

φ|Γ1=φ

(9)

式(9)中：Γ為模型邊界。

第二類為諾以曼邊界條件，即給定電位的法向?qū)?shù)：

(10)

式(10)中：r、z為柱坐標下的表示。

第三類邊界條件為混合邊界條件，即第一類與第二類邊界條件的線性組合。

3.2 仿真建模

為了便于計算，在不影響計算精度的情況下適當?shù)暮喕Ｐ?，以?層屏蔽罩為研究對象，建立第2、3、4層屏蔽罩模型、光纖模型、卡扣蓋板及底座模型，仿真模型整體及重點部位如圖9所示。

圖9 光纖仿真模型圖Fig.9 Optical fiber simulation model diagram

建模時，屏蔽罩尺寸、蓋板及底座尺寸參數(shù)均嚴格按照設(shè)計圖紙和現(xiàn)場實測值設(shè)置。由于單根光纖的尺寸過細，在大尺度建模分析中很難做到單根超細光纖的建模及剖分處理，故本模型中將34根光纖視為1整束光纖進行等效建模，尺寸按照波紋管尺寸設(shè)置。

3.3 材料參數(shù)賦值

屏蔽罩在運行中主要承受的為直流電壓，因此其電場分布與材料電阻率直接相關(guān)，故在本模型中，各種材料電阻率設(shè)置如表1所示。其中光纖、防火棉及半導(dǎo)體材料的電阻率按照現(xiàn)場實測取值，空氣電阻率按理想絕緣氣體取值。

表1 材料參數(shù)Table 1 Material parameters

3.4 網(wǎng)格剖分

由于光纖固定架及光纖相對于整體模型體積較小，為了保證網(wǎng)格形狀的完好性以及計算模型的準確性，在網(wǎng)格剖分之前，需添加網(wǎng)格控制框，如圖10所示。同時，仿真結(jié)果分析主要在3號屏蔽罩附近，需在此增加屏蔽罩網(wǎng)格控制框，如圖11所示。

為了加載邊界條件(0電位)，在整體模型的無窮遠處建立整體0電位點，根據(jù)電場計算經(jīng)驗，一般建立整體模型3～5倍尺寸的邊界條件控制框即可保證計算結(jié)果的準確性如圖12所示。

整體模型及網(wǎng)格控制框建立之后即可對模型進行剖分，剖分遵循由內(nèi)到外、有密到疏的原則。

光纖固定架及防火棉、半導(dǎo)體、固定架網(wǎng)格控制框的剖分如圖13所示，網(wǎng)格尺寸為10 mm，網(wǎng)格量為120 891。屏蔽罩的網(wǎng)格剖分：由于每個屏蔽罩為等電位，且為不太關(guān)注的區(qū)域，因此不需要大量的網(wǎng)格剖分屏蔽罩，在此設(shè)置網(wǎng)格尺寸為10 cm，如圖14所示，網(wǎng)格量為33 267。

依照由內(nèi)到外、由密到疏的原則，進行網(wǎng)格控制框的剖分，網(wǎng)格剖分結(jié)束后，總網(wǎng)格量為1 921 490，其中光纖網(wǎng)格占比為65.4%，光纖網(wǎng)格數(shù)過半，保證了光纖電場計算的準確度。

圖10 光纖固定架及光纖網(wǎng)格控制框Fig.10 Optical fiber holder and optical fiber grid control frame

圖11 屏蔽罩網(wǎng)格控制框Fig.11 Shield grid control frame

圖12 邊界條件控制框Fig.12 Boundary condition control frame

圖13 光纖固定架及防火棉、半導(dǎo)體、固定架網(wǎng)格控制框的剖分Fig.13 Meshing of optical fiber holder, fireproof cotton, semiconductor and grid control frame

圖14 屏蔽罩的剖分Fig.14 Meshing of shield

3.5 電位加載

換流閥上整體電位為120 kV，每個屏蔽罩之間的電壓為40 kV。遵循電場計算中電位加載原則，以及實際運行工況，電位加載如下。

(1)在第2層屏蔽罩上加載40 kV電壓；

(2)在第3層屏蔽罩上加載80 kV電壓；

(3)在第4層屏蔽罩上加載120 kV電壓；

(4)在邊界條件控制框上加載0電位；

(5)將光纖固定架與第3層屏蔽罩電位進行耦合。

4 仿真結(jié)果分析

4.1 理想結(jié)構(gòu)情況下的電場分析

在下述理想結(jié)構(gòu)條件下開展電場仿真分析。

(1)每層閥塔的光纖排列整齊緊湊，光纖之間無間隙。

(2)每根光纖電阻率分布一致，且設(shè)為1×1 012 Ω·m。

(3)光纖與蓋板及其底座接觸良好，即光纖電位被鉗制。

閥塔整體電位分布如圖15所示，可以看出，電位分布主要集中在三個屏蔽罩之間，可視為三個平板電容器。

3號屏蔽罩附近及蓋板附近光纖電位分布如圖16所示，可以看出，3號屏蔽罩、光纖蓋板及其底座的電位相同均為80 kV，整體上光纖電位自上而下均勻遞增。

圖15 整體電位分布Fig.15 Overall potential distribution

圖16 第三層屏蔽罩附近電位分布Fig.16 Potential distribution near the third layer shield

3號屏蔽罩附近及光纖電場分布如圖17所示，可以看出，3號屏蔽罩、蓋板及其固定架等電位，電場強度為0，光纖上電場強度最大值為0.037 kV/mm。

圖17 3號屏蔽罩附近電場分布Fig.17 Electric field near the third layer shield

圖18 光纖序號圖Fig.18 Order number of optical fiber

由此可知，在光纖正常安裝的情況下，并不會產(chǎn)生局部放電。

4.2 不同光纖電阻率差異對電場分布的影響

光纖在實際運行過程中，常常由于外界環(huán)境及電場的作用而使得光纖電阻率分布非線性。本節(jié)將比較不同光纖電阻率差異對于電場分布的影響，如圖18所示，為方便仿真，將第三層屏蔽罩處的每根光纖等分為上下兩部分，依次編號為1～4號光纖，其中1、3號為一條光纖，2、4號為一條光纖，通過光纖蓋板將其隔開。

根據(jù)實測數(shù)據(jù)，光纖電阻率為106～1012Ω·m，由于蓋板上下部分光纖電場分布相同，這里僅分析1、2號光纖。

4.2.1 不同光纖電阻率不一致時

設(shè)1號光纖電阻率為1012Ω·m，且均勻分布，2號光纖電阻率為106Ω·m，且均勻分布。仿真結(jié)果如圖19所示，可以看出，兩根光纖電位分布一致，呈沿軸向均勻壓降的線性關(guān)系，而電場強度相等，沿軸向均為0.037 kV/mm。

這主要是因為兩根不同光纖首尾兩端電位相同，而空氣電阻率遠大于光纖，光纖在空氣中相當于良導(dǎo)體，單根光纖的電位分布僅決定自身電阻率的均勻度，而與其他光纖的電阻率大小無關(guān)。不同光纖間只要保證各自光纖沿軸向方向電阻率是均勻分布的，兩根光纖上相同位置的電位和電場分布便是相同的。

圖19 改變1、2號光纖電阻率后光纖電位與電場分布Fig.19 Distribution of fiber potential and electric field after changing the resistivity of No. 1 and No. 2 fiber

圖20 1號光纖上下兩部分比例圖Fig.20 Cale diagram of upper and lower parts of No.1 optical fiber

4.2.2 同一光纖電阻率分布不一致時

研究2號光纖電阻率均勻分布且電阻率為1012Ω·m，1號光纖電阻率分布不一致時的電場分布情況。將1號光纖分為上下兩部分，其中1號光纖靠近蓋板部分占光纖總長度的10%，如圖20所示。賦予1號光纖上下兩部分不同的電阻率值，開展兩種極端情況下的電場分析。

(1)1號光纖上部光纖電阻率為1012Ω·m，下部光纖電阻率為106Ω·m。仿真結(jié)果如圖21所示，可以看出，1號光纖軸向電場強度最大值為0.04 kV/mm，相較于電阻率均布分布的電場畸變率8.1%；兩根光纖軸向路徑上電位、電場分布如圖22所示，兩者相同位置上最大電壓差為1.06 kV，根據(jù)空氣的擊穿場強，當兩根光纖未有效接觸，且兩者間距小于0.35 mm，會引發(fā)光纖之間的局部放電。

1號光纖上下部電阻率分別為1012、106 Ω·m圖21 兩根光纖電位與電場分布Fig.21 Tential and electric field distribution of two optical fibers

1號光纖上下部電阻率分別為1012、106 Ω·m圖22 兩根光纖軸向路徑上電位與電場對比Fig.22 Comparison of potential and electric field on the axial path of two optical fibers

(2)1號光纖下部光纖電阻率設(shè)為1012Ω·m，上部光纖電阻率設(shè)為106Ω·m。仿真結(jié)果如圖23所示，可以看出，1號光纖電位分布非線性，軸向電場強度最大值為0.54 kV/mm，相比光纖電阻率分布均勻情況下的電場強度，其畸變率為1 359.5%。

圖24為兩根光纖軸向路徑上電位、電場對比，可以看出，兩根光纖相同位置電位差最大值為13.944 kV。根據(jù)空氣的擊穿場強可知，當兩根光纖未有效接觸，且兩者間距小于4.6 mm，會引發(fā)光纖之間的局部放電。

1號光纖上下部電阻率分別為106、1012 Ω·m圖23 兩根光纖電位與電場分布Fig.23 Potential and electric field distribution of two optical fibers

1號光纖上下部電阻率分別為106、1012 Ω·m圖24 兩根光纖軸向路徑上電位與電場對比Fig.24 Comparison of potential and electric field on the axial path of two optical fibers

綜上所述，同一光纖電阻率分布不一致時，光纖的軸向電場強度將存在畸變，不同光纖之間會產(chǎn)生電壓差，當距離較近，光纖之間的場強大于空氣擊穿場強時，會發(fā)生局部放電。當距離蓋板近的區(qū)域的光纖電阻率較大，而遠離蓋板區(qū)域的光纖電阻率較小時，光纖間更易發(fā)生局部放電。

4.2.3 蓋板處接觸不良對電場分布的影響

本節(jié)將研究光纖與蓋板未有效連接的工況，即蓋板內(nèi)的光纖電位未被有效鉗制到屏蔽罩的電位，分析此工況下蓋板內(nèi)光纖電場分布情況。設(shè)置單一光纖穿過蓋板，并與蓋板間存在間隙(間距為1 mm)未有效接觸，如圖25所示。

圖25 光纖與蓋板未有效接觸Fig.25 The optical fiber is not in effective contact with the cover plate

(1)當光纖電阻率分布一致時，仿真結(jié)果如圖26所示。可以看出，蓋板內(nèi)的光纖電位自上而下從77.1 kV上升到82.9 kV，光纖與蓋板間存在電位差，且蓋板上下兩端的電位差最大，為2.9 kV，電場強度最大值達到了2.9 kV/mm，基本接近空氣的擊穿場強，若光纖與蓋板的距離更近的情況下，光纖與蓋板之間極有可能形成局部放電。

圖26 蓋板內(nèi)光纖電阻率均勻時的電位分布Fig.26 Potential distribution when the resistivity of optical fiber inside and outside the cover plate is uniform

圖27 蓋板內(nèi)光纖電阻率比空氣中光纖電阻率大時的電位分布Fig.27 Potential distribution when the resistivity of optical fiber in cover plate is greater than that of optical fiber in air

(2)當蓋板內(nèi)光纖電阻率與其他部位不同時，即將1號光纖蓋板內(nèi)電阻率設(shè)為1012Ω·m，其他部位電阻率設(shè)為1010Ω·m，此時光纖電位分布如圖27所示?？梢钥闯觯w板中的光纖電位分布為70～91 kV，光纖與蓋板間電位差增大，最大為11 kV，此時光纖與蓋板間的最大電場強度為11 kV/mm，相比于光纖電阻率一致時的電場強度，其畸變率為279.3%，遠超過空氣擊穿場強，更易發(fā)生局部放電。

5 結(jié)論

針對換流閥觸發(fā)光纖的現(xiàn)場故障，通過對光纖故障點處的宏觀與微觀分析，確定其為局部放電故障。利用有限元法對光纖進行電場仿真，分析了不同光纖電阻率差異對電場分布的影響，以及蓋板與光纖接觸不良時對光纖電場分布的影響，得出如下結(jié)論。

(1)當光纖與蓋板接觸良好，且光纖軸向電阻率分布一致時，光纖表面電場強度極低，不會發(fā)生局部放電。

(2)當光纖軸向電阻率分布不一致時，光纖之間同位置處存在電位差，當距離較近，光纖之間的場強大于空氣擊穿場強時，會發(fā)生局部放電。

(3)當光纖與蓋板未有效接觸，蓋板內(nèi)的光纖電位沒有被鉗制時，光纖與蓋板間會存在電位差，且蓋板上下兩端的電位差最大，此處更易發(fā)生局部放電。

(4)定期檢測每根光纖電阻率，防止由于光纖軸向電阻率不一致而導(dǎo)致的光纖與光纖之間產(chǎn)生的局部放電。

(5)在安裝蓋板時，需要保證光纖排列整齊，確保蓋板鉗制每條光纖電位，從而防止光纖與蓋板之間發(fā)生局部放電。