復(fù)雜天氣下直流穿墻套管電場(chǎng)分布仿真研究

邱文嚴(yán)， 陳軍鋒， 周文正

（1.鄭州電力高等?？茖W(xué)校，河南 鄭州 450000；2.中國(guó)南方電網(wǎng)超高壓輸電公司，廣東 廣州 510641；3.華南理工大學(xué) 電力學(xué)院，廣東 廣州 510641）

0 引 言

為實(shí)現(xiàn)電力資源的合理分配，建設(shè)輸送容量大、距離遠(yuǎn)的特高壓直流輸電線路勢(shì)在必行。隨著電網(wǎng)覆蓋范圍越來(lái)越廣，超高壓電網(wǎng)已經(jīng)成為連接各省電網(wǎng)公司的紐帶，經(jīng)常需要穿越一些地理環(huán)境復(fù)雜、環(huán)境惡劣的區(qū)域?！?00 kV超高壓直流穿墻套管作為換流站中直流場(chǎng)和高、低端閥廳的連接設(shè)備，在整個(gè)直流輸電工程換流站中處于關(guān)鍵的“咽喉”位置，其在覆冰、降雨等工況下的絕緣狀態(tài)直接影響著電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[1-2]。因此，開展超高壓直流穿墻套管在復(fù)雜工況下的電位電場(chǎng)分布仿真研究，對(duì)覆冰、降雨量大地區(qū)直流穿墻套管的設(shè)計(jì)和運(yùn)維具有重要的參考價(jià)值。

高壓直流穿墻套管通常采用純SF6氣體絕緣與環(huán)氧芯體SF6氣體復(fù)合絕緣兩種絕緣形式。純SF6氣體絕緣穿墻套管具有質(zhì)量相對(duì)較輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、力學(xué)性能優(yōu)異、散熱條件好、通流能力強(qiáng)等特點(diǎn)，是高壓直流穿墻套管比較可行的方案[3]。復(fù)合絕緣子作為套管外絕緣，具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、耐污性能好以及運(yùn)行維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，在高壓穿墻套管中應(yīng)用廣泛[4]。研究者們針對(duì)直流穿墻套管的結(jié)構(gòu)、絕緣子覆冰情況以及均壓屏蔽罩設(shè)計(jì)等問題開展了相關(guān)的研究工作[5]。文獻(xiàn)[6]針對(duì)FXBW-110/70型復(fù)合絕緣子，研究了覆雪對(duì)其電場(chǎng)分布的影響規(guī)律，提出可通過(guò)增大空氣間隙以降低覆雪后絕緣子的沿面電場(chǎng)強(qiáng)度。文獻(xiàn)[7]建立了±500 kV超高壓干式直流穿墻套管模型，仿真結(jié)果表明套管高場(chǎng)強(qiáng)區(qū)集中在屏蔽層翻邊位置及套管兩端端頭位置，提出使用均壓環(huán)和屏蔽環(huán)能有效提高套管的絕緣穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[8]以LXY-120型絕緣子為研究對(duì)象，對(duì)不同環(huán)境條件下絕緣子覆冰類型及增長(zhǎng)特性進(jìn)行仿真計(jì)算與試驗(yàn)驗(yàn)證，得到絕緣子覆冰范圍、厚度與環(huán)境因素的關(guān)系。文獻(xiàn)[9]仿真了不同破損程度、不同破損位置復(fù)合絕緣子傘裙的破損狀態(tài)，得到了沿干弧路徑和沿面路徑上的電場(chǎng)強(qiáng)度和電位分布曲線。文獻(xiàn)[10]將流體力學(xué)用于分析水滴碰撞現(xiàn)象，提出絕緣子覆冰等效直徑的概念，研究了桿徑、傘間距、傘傾角和傘徑對(duì)等效直徑的影響。文獻(xiàn)[11]設(shè)計(jì)了一種新型穿心結(jié)構(gòu)帶環(huán)形電阻片的500 kV防雷防冰閃復(fù)合絕緣子，在覆冰厚度為10 mm且冰棱長(zhǎng)度為10 cm的情況下，絕緣子表面最大場(chǎng)強(qiáng)均小于空氣起暈與擊穿場(chǎng)強(qiáng)，為重冰多雷地區(qū)的輸電線路保護(hù)提供了參考。文獻(xiàn)[12-15]針對(duì)特高壓換流站中直流穿墻套管屏蔽罩、均壓環(huán)、金具、復(fù)合絕緣子等開展了相關(guān)研究，仿真結(jié)果與優(yōu)化措施旨在保證直流穿墻套管的絕緣狀態(tài)符合設(shè)計(jì)需求。

目前針對(duì)交流輸電線路絕緣子覆冰、高壓直流穿墻套管均壓環(huán)、屏蔽罩設(shè)計(jì)等已有相關(guān)研究工作[16-18]，相比之下特、超高壓直流穿墻套管在復(fù)雜工況下的研究稍顯不足，且未涉及不同覆冰、降雨條件下的直流穿墻套管狀態(tài)。本文針對(duì)±400 kV直流穿墻套管在覆冰、降雨等復(fù)雜天氣下的絕緣狀態(tài)展開研究，建立超高壓直流穿墻套管有限元仿真模型，研究多種覆冰、降雨條件下直流穿墻套管傘裙的沿面電位與電場(chǎng)分布，得到不同覆冰、降雨條件下的電場(chǎng)分布規(guī)律，為覆冰多雨地區(qū)直流輸電線路外絕緣的選擇和設(shè)計(jì)提供參考。

1 電場(chǎng)基本理論

為研究超高壓直流穿墻套管的電位與電場(chǎng)分布，需采用靜電場(chǎng)仿真理論建立控制方程。時(shí)域有限差分法、模擬電荷法和有限元法是靜電場(chǎng)分析的常用方法，本研究進(jìn)行超高壓直流穿墻套管電場(chǎng)仿真時(shí)施加±400 kV直流電壓，并通以額定的直流電流，故可采用相應(yīng)的靜電場(chǎng)方法求解。根據(jù)高斯定律以及電流的連續(xù)性方程可求出電場(chǎng)在直流電壓下的分布情況[19]，如式（1）所示。

在不同介質(zhì)連續(xù)交界面上的電場(chǎng)分布如式（2）所示。

式（1）～（2）中：E為電場(chǎng)強(qiáng)度；ε0為真空介電常數(shù)；εr為相對(duì)介電常數(shù)；n為分界面的法向方向；E1、E2為分界面兩側(cè)的電場(chǎng)強(qiáng)度；D1、D2則為兩側(cè)介質(zhì)垂直于界面的電位移矢量；ρ為空間電荷體密度。

電位函數(shù)φ滿足式（3），其中ε為介電常數(shù)。

2 穿墻套管結(jié)構(gòu)模型

±400 kV超高壓直流穿墻套管由空心復(fù)合絕緣子、穿墻套管、屏蔽罩、中心導(dǎo)體和均壓環(huán)等部件組成，如圖1所示。高壓穿墻套管為非對(duì)稱結(jié)構(gòu)，戶外側(cè)長(zhǎng)于戶內(nèi)側(cè)?？招膹?fù)合絕緣子與中心導(dǎo)體、穿墻套筒、均壓環(huán)、屏蔽罩均為同軸，其表面?zhèn)闳共牧线x用憎水性好的硅橡膠材料，內(nèi)側(cè)為環(huán)氧玻璃絲筒，傘裙增大了爬電距離可在一定程度上避免沿面閃絡(luò)。穿墻筒體鑲嵌在墻壁上，中心導(dǎo)體貫穿整個(gè)直流穿墻套管，單屏蔽結(jié)構(gòu)布置在中心導(dǎo)體兩端以及中間穿墻部位，起到改善電場(chǎng)分布的作用。套管中心為導(dǎo)電銅桿，與墻體連接部位為鑄鋁材質(zhì)，套管內(nèi)部填充SF6絕緣氣體，套管兩端為鋁制的均壓環(huán)。

圖1 ±400 kV超高壓直流穿墻套管仿真模型Fig.1 Simulation model of ±400 kV ultra-high voltage DC wall bushing

利用有限元仿真軟件COMSOL進(jìn)行電場(chǎng)仿真，假設(shè)覆冰層為棱狀，且均勻分布在穿墻套管傘裙之上，通過(guò)設(shè)置覆冰層的相對(duì)介電常數(shù)與電導(dǎo)率來(lái)模擬覆冰層的存在。在網(wǎng)格剖分時(shí)，為了提高精確度，在仿真計(jì)算過(guò)程中使用不同網(wǎng)格類型，最小單元格為邊長(zhǎng)1.75 mm的等邊三角形，最大單元格為邊長(zhǎng)468 mm的等邊三角形，最大單元增長(zhǎng)率為1.2，曲率因子為0.25。超細(xì)化網(wǎng)格設(shè)置在傘裙的頂部和底部、套管內(nèi)單屏蔽彎曲處、覆冰層接觸套管處，網(wǎng)格分布較為緊密，而空氣域網(wǎng)格較為稀疏，這有利于提高關(guān)鍵部位的計(jì)算精度。端部均壓環(huán)和中心導(dǎo)體施加高電位，穿墻套筒與墻體施加零電位。套管模型涉及的電介質(zhì)物理參數(shù)見表1。從工程近似角度需對(duì)仿真模型進(jìn)行如下簡(jiǎn)化：①忽略周圍其他設(shè)備對(duì)穿墻套管電場(chǎng)的影響；②通過(guò)建立合適的人工邊界代替無(wú)窮邊界求解模型；③考慮重力的作用，研究穿墻套管軸線以上部分覆冰、雨水的影響[20]。

表1 直流穿墻套管的材料參數(shù)Tab.1 Material parameters of DC wall bushing

3 電場(chǎng)仿真分析

基于上述模型，對(duì)直流穿墻套管的電位、電場(chǎng)分布進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖2所示。從圖2可以看出，直流穿墻套管的電位呈“U”型分布，兩端均壓環(huán)、金屬法蘭以及導(dǎo)體電壓為400 kV，沿著中間穿墻套筒與墻體接地方向降低為零電位。而最大電場(chǎng)強(qiáng)度位于穿墻筒體屏蔽罩端部圓弧處，其值為6.8 kV/mm，而直流穿墻套管進(jìn)出線端的電場(chǎng)強(qiáng)度由于均壓環(huán)的改善作用，分布較為均勻。從進(jìn)線端到出線端，空心復(fù)合絕緣子傘裙的沿面電場(chǎng)分布呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，電場(chǎng)強(qiáng)度峰值為1.2 kV/mm，位于屏蔽罩端部圓弧末端對(duì)應(yīng)傘裙位置。

圖2 直流穿墻套管的電位、電場(chǎng)分布Fig.2 Potential and electric field distributions of DC wall bushing

3.1 覆冰橋接情況下穿墻套管的電位及電場(chǎng)分布

不同覆冰形態(tài)對(duì)直流穿墻套管傘裙沿面電位分布有著不同的影響規(guī)律，當(dāng)冰棱生長(zhǎng)到一定的程度時(shí)會(huì)造成橋接，此時(shí)傘裙空氣間隙的減小使得空間電場(chǎng)強(qiáng)度急劇增大，會(huì)引發(fā)空氣擊穿或覆冰閃絡(luò)現(xiàn)象。

干燥與覆冰橋接情況下，直流穿墻套管傘裙的沿面電場(chǎng)分布如圖3所示。由圖3可知，干燥條件下復(fù)合絕緣子傘裙的沿面電位分布線沿著復(fù)合絕緣子傘裙外沿分布，電場(chǎng)強(qiáng)度較大處位于傘裙外端部與屏蔽罩對(duì)應(yīng)傘裙位置，整體呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)；覆冰橋接情況下，傘裙沿面覆冰形成冰棱，冰棱生長(zhǎng)到一定程度直接與傘裙底部相連，絕緣子傘裙的空氣間隙被冰棱橋接，穿墻套管傘裙的電位分布線沿著傘裙與冰棱外沿分布，因冰棱橋接縮短了傘裙之間的空氣間隙，除了位于傘裙外端部與屏蔽罩對(duì)應(yīng)傘裙位置的電場(chǎng)強(qiáng)度較大外，冰棱沿面的電場(chǎng)強(qiáng)度也較大，增大了空氣擊穿的概率。

圖3 干燥與覆冰橋接情況下電場(chǎng)分布圖Fig.3 Electric field intensity distributions under dry and ice-covered conditions

沿水平方向取直流穿墻套管絕緣子傘裙沿面的電場(chǎng)強(qiáng)度如圖4所示。從圖4可以看出，干燥情況下傘裙的沿面電場(chǎng)分布較為均勻，傘裙底部電場(chǎng)較小，傘裙端部電場(chǎng)強(qiáng)度較大，電場(chǎng)分布沿傘裙呈現(xiàn)階躍式變化，電場(chǎng)強(qiáng)度最大值為1.2 kV/mm。而覆冰橋接后傘裙端部電場(chǎng)強(qiáng)度發(fā)生畸變，近屏蔽罩端部的傘裙因冰棱橋接電場(chǎng)強(qiáng)度急劇增大至3.6 kV/mm，超過(guò)了空氣的擊穿場(chǎng)強(qiáng)，將會(huì)在傘裙之間的空氣間隙發(fā)生擊穿現(xiàn)象，造成直流穿墻套管的安全隱患。

圖4 干燥與覆冰橋接情況下絕緣子傘裙沿面電場(chǎng)分布Fig.4 Surface electric field intensity distributions of the composite insulator skirt under dry and ice-covered conditions

3.2 冰棱長(zhǎng)度對(duì)穿墻套管傘裙電場(chǎng)分布的影響

為研究不同冰棱長(zhǎng)度對(duì)套管傘裙沿面電場(chǎng)的影響規(guī)律，假設(shè)覆冰厚度為2 mm[21-22]，改變冰棱長(zhǎng)度為10、20、30、40、50、90 mm（完全橋接），即大傘裙、小傘裙被冰棱橋接的情況進(jìn)行分析。

不同冰棱長(zhǎng)度復(fù)合絕緣子傘裙的沿面電場(chǎng)分布如圖5所示。從圖5可以看出，因增加了傘裙覆冰的厚度，不同冰棱長(zhǎng)度條件下沿面電場(chǎng)強(qiáng)度峰值出現(xiàn)位置存在差異。不同覆冰長(zhǎng)度條件下，沿面整體電場(chǎng)強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，且最大電場(chǎng)強(qiáng)度都位于近屏蔽罩端部傘裙處。冰棱長(zhǎng)度為10、20、30、40、50、90 mm（完全橋接）時(shí)，最大電場(chǎng)強(qiáng)度分別為1.30、1.60、1.75、1.85、2.20、3.60 kV/mm，相對(duì)干燥條件下的最大電場(chǎng)強(qiáng)度分別增大了8.3%、33.3%、45.8%、54.2%、83.3%以及200%，最大電場(chǎng)強(qiáng)度隨著冰棱長(zhǎng)度的增加而增大，在完全橋接條件下，即覆冰厚度為2 mm，冰棱長(zhǎng)度為90 mm時(shí)，冰棱為傘裙之間提供了導(dǎo)電通道，縮短了沿面爬電距離，沿面最大電場(chǎng)強(qiáng)度發(fā)生激增。此外，覆冰厚度的增加也提高了傘裙整體的沿面電場(chǎng)強(qiáng)度，電場(chǎng)線聚集，提高了污穢微粒引起沿面閃絡(luò)與擊穿的風(fēng)險(xiǎn)。

圖5 不同冰棱長(zhǎng)度復(fù)合絕緣子傘裙沿面電場(chǎng)分布Fig.5 Surface electric field distributions of the composite insulator skirt with different length of ice edge

3.3 覆冰厚度對(duì)穿墻套管傘裙電場(chǎng)分布的影響

當(dāng)冰棱完全橋接傘裙之后，覆冰厚度的變化也會(huì)對(duì)傘裙沿面電場(chǎng)分布產(chǎn)生影響。圖6為不同覆冰厚度復(fù)合絕緣子傘裙的沿面電場(chǎng)分布，分別取覆冰厚度為2、4、6、8、10 mm。從圖6可以看出，冰棱橋接狀態(tài)下，隨著覆冰厚度的增加，最大電場(chǎng)強(qiáng)度整體呈輕微增大趨勢(shì)，覆冰厚度為2 mm與4 mm時(shí)對(duì)應(yīng)的最大電場(chǎng)強(qiáng)度分別為3.6 kV/mm與3.7 kV/mm，而覆冰厚度為6、8、10 mm時(shí)的最大電場(chǎng)強(qiáng)度則在3.8 kV/mm附近，表明完全橋接后覆冰厚度的增加對(duì)傘裙沿面電場(chǎng)強(qiáng)度影響較小，當(dāng)覆冰厚度大于6 mm時(shí)，由于覆冰表面水膜的高電導(dǎo)率作用，減小了冰棱上的壓降，導(dǎo)致傘裙沿面電場(chǎng)強(qiáng)度變化趨于穩(wěn)定[2,4]。

圖6 不同覆冰厚度復(fù)合絕緣子傘裙沿面電場(chǎng)分布Fig.6 Surface electric field distributions of the composite insulator skirt with different ice thickness

3.4 雨水量對(duì)穿墻套管傘裙電場(chǎng)分布的影響

為模擬雨水量對(duì)復(fù)合絕緣子傘裙沿面電場(chǎng)的影響，假設(shè)降雨形成橢圓形的水珠，雨水量為2～10 mm，在文中指橢圓形水珠聚集在傘裙底部的高度。圖7為雨水量為10 mm情況下傘裙沿面電場(chǎng)強(qiáng)度分布的局部放大圖，可以看到雨水聚集造成了局部電場(chǎng)畸變，表面電場(chǎng)強(qiáng)度明顯增大。圖8為不同雨水量下絕緣子傘裙的沿面電場(chǎng)分布，由于雨水電導(dǎo)率遠(yuǎn)高于傘裙硅橡膠和覆冰冰棱的電導(dǎo)率，降雨條件下傘裙表面上作用電壓幾乎都施加在空氣間隙上，使得空氣間隙承受的電壓降比干燥和覆冰時(shí)更大。從圖8可以看出，絕緣子傘裙表面最大電場(chǎng)強(qiáng)度隨著雨水量的增加而增大，且相比覆冰條件下，電場(chǎng)強(qiáng)度畸變點(diǎn)增多。在雨水量為2、4、6 mm的條件下，最大電場(chǎng)強(qiáng)度低于空氣擊穿場(chǎng)強(qiáng)，而在雨水量為8 mm和10 mm的條件下，傘裙沿面最大電場(chǎng)強(qiáng)度增大，分別達(dá)到4.3 kV/mm和6.2 kV/mm，且傘裙底部電場(chǎng)強(qiáng)度畸變點(diǎn)增多，使直流穿墻套管傘裙間空氣間隙發(fā)生大量擊穿現(xiàn)象，將造成設(shè)備故障。

圖7 雨水量為10 mm時(shí)復(fù)合絕緣子傘裙的沿面電場(chǎng)強(qiáng)度分布局部放大圖Fig.7 Partial enlarged drawing of surface electric field intensity distribution of the composite insulator skirt with 10 mm of rainfall amount

圖8 不同雨水量下復(fù)合絕緣子傘裙的沿面電場(chǎng)分布Fig.8 Surface electric field distributions of the composite insulator skirt with different amount of rainfall

4 結(jié) 論

（1）直流穿墻套管電位呈現(xiàn)“U”型分布，從進(jìn)線端到出線端空心復(fù)合絕緣子傘裙沿面電場(chǎng)分布呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，干燥條件下絕緣子傘裙最大沿面電場(chǎng)強(qiáng)度為1.2 kV/mm，位于屏蔽罩端部圓弧末端對(duì)應(yīng)傘裙位置。

（2）覆冰條件下，絕緣子傘裙沿面最大電場(chǎng)強(qiáng)度隨著冰棱長(zhǎng)度的增加而增大，在完全橋接條件下，最大電場(chǎng)強(qiáng)度急劇增大至3.6 kV/mm。覆冰厚度對(duì)絕緣子傘裙沿面最大電場(chǎng)強(qiáng)度影響效果不明顯，當(dāng)覆冰厚度大于6 mm時(shí)影響趨于穩(wěn)定。

（3）傘裙沿面最大電場(chǎng)強(qiáng)度隨著雨水量的增加而增大，由于雨水在傘裙底部聚集，造成了局部電場(chǎng)畸變，且電場(chǎng)強(qiáng)度畸變點(diǎn)增多。