±550kV直流氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備長期帶電試驗研究

姚 璇 南振樂 杜文娟 張博雅 李奕萱

±550kV直流氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備長期帶電試驗研究

姚 璇1南振樂1杜文娟1張博雅2李奕萱2

（1. 西安西電開關(guān)電氣有限公司，西安 710077； 2. 西安交通大學(xué)電力設(shè)備電氣絕緣國家重點實驗室，西安 710049）

現(xiàn)有海上風(fēng)電送出換流平臺的直流側(cè)均采用常規(guī)敞開式設(shè)備及電氣連接布局，設(shè)備占用空間大。為了有效減小平臺面積及質(zhì)量，采用直流氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備（GIS）替代原有敞開式設(shè)備。直流GIS絕緣件長期運行在單極性直流電壓下，表面會產(chǎn)生電荷積聚，從而改變沿面電場分布，降低絕緣子沿面閃絡(luò)電壓。目前，暫無關(guān)于直流GIS的國際、國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)，缺乏系統(tǒng)、全面的試驗指導(dǎo)，開展長期帶電試驗考核可有效驗證直流GIS的可靠性、穩(wěn)定性。本文圍繞長期帶電試驗方案及試驗樣機(jī)展開研究，基于多物理場耦合仿真結(jié)果，提出長期帶電試驗方案，并設(shè)計樣機(jī)形態(tài)。

海上風(fēng)電柔性直流輸電；直流氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備（GIS）；表面電荷積聚；長期帶電試驗

0 引言

海上風(fēng)電作為一種清潔、綠色和可再生的自然能源，支撐節(jié)能減排及雙碳戰(zhàn)略的實施，高壓大容量海上柔性直流技術(shù)和輕型化海上平臺是海上風(fēng)電發(fā)展的必然選擇，特別是具有豐富海上風(fēng)電資源的地區(qū)，是未來海上風(fēng)電發(fā)展的核心[1]。我國深遠(yuǎn)海的風(fēng)電資源儲量豐富，規(guī)?；Ｉ巷L(fēng)電送出是必然趨勢，海上風(fēng)電柔性直流輸電送出的關(guān)鍵技術(shù)及裝備制造尤為重要[2]，現(xiàn)有設(shè)備仍有不足。直流場設(shè)備是海上平臺的重要組成部分，尤其是直流場中用于開關(guān)操作和測量保護(hù)的空氣絕緣設(shè)備。傳統(tǒng)敞開式空氣絕緣設(shè)備占用空間較大，不利于海上平臺的發(fā)展。直流氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備（gas insulated switch, GIS）具有可靠性高、耐候性好、空間占用小的優(yōu)點，不僅有助于減小換流站面積，還有利于降低大容量、離岸遠(yuǎn)的海上風(fēng)電場的設(shè)施投資成本[3]。

國外及國內(nèi)已對直流GIS開展了相關(guān)基礎(chǔ)研究及設(shè)備研制工作，目前尚無實際工程應(yīng)用，缺乏運行經(jīng)驗，因此歐洲PROMOTioN項目、CIGRE技術(shù)手冊均明確了直流GIS完成長期帶電試驗的必要性。

針對尚無直流GIS標(biāo)準(zhǔn)的難題，本文圍繞長期帶電試驗方案及試驗樣機(jī)設(shè)計開展研究，采用電場-熱場耦合仿真的方法，建立直流GIS盆式絕緣子電荷積聚及熱傳遞模型，研究盆式絕緣子內(nèi)部溫度梯度對體積電導(dǎo)率的影響，計算表面電荷積聚飽和時間，分析長期帶電試驗不同周期的可行性及有效性。結(jié)合直流GIS運行特點及應(yīng)用場景，研究其絕緣性能的綜合考核方法，提出長期帶電試驗方案來驗證直流GIS的可靠性，并根據(jù)實際試驗場地、試驗接線方式等因素設(shè)計長期帶電試驗樣機(jī)，以全面驗證直流GIS各個部件在長期直流場下運行的性能，為未來工程應(yīng)用提供運行數(shù)據(jù)及經(jīng)驗。

1 直流電-熱多場耦合模型

1.1 表面電荷積聚過程

直流GIS與交流GIS最大的不同在于，直流電場條件下，絕緣件內(nèi)部及表面產(chǎn)生的電荷積聚會局部改變電場分布，從而可能降低沿面閃絡(luò)電壓，極端情況下甚至導(dǎo)致放電或擊穿，使直流GIS無法長期穩(wěn)定運行[4]。因此，在進(jìn)行直流GIS長期試驗方案研究前，需要明確電荷積聚及影響機(jī)理，建立考慮絕緣氣體中帶電粒子運動的物理過程的仿真模型[5]，并在該模型中考慮絕緣件體積電導(dǎo)率與溫度的關(guān)系?；诖四Ｐ?，計算盆式絕緣子表面電荷飽和時間，為長期帶電試驗的時間選擇提供理論依據(jù)。

直流GIS內(nèi)部的電荷積聚主要是由于氣體側(cè)帶電粒子的電離、擴(kuò)散、復(fù)合、固體側(cè)電荷注入、材料缺陷導(dǎo)致的局部放電等，由固體側(cè)傳導(dǎo)電流I，氣體側(cè)傳導(dǎo)電流G，以及絕緣子表面?zhèn)鲗?dǎo)電流S綜合作用，基于這三種傳導(dǎo)機(jī)制，建立盆式絕緣子界面電荷積聚模型。氣固界面電荷密度s由式（1）計算[6]。

式中：In、Gn分別為固體側(cè)、氣體側(cè)傳導(dǎo)電流的法向值；S為絕緣子表面電阻率；t為切向電場強(qiáng)度。

由于絕緣子表面電導(dǎo)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其體積電導(dǎo)率，在仿真計算中一般不考慮。

固體側(cè)傳導(dǎo)電流I為

式中：為電通量密度；V為絕緣子的體積電導(dǎo)率；為絕緣子表面電場強(qiáng)度。

氣體側(cè)傳導(dǎo)電流G為

式中：為單元電荷；+、-分別為正、負(fù)離子遷移率，取值為0.048cm2/(V?s)；+、-分別為正、負(fù)離子擴(kuò)散系數(shù)；+、-分別為正、負(fù)離子密度，可由式（4）、式（5）進(jìn)行計算[7]。

式中，IP為氣體中離子對的生成速率，本文取30/(cm3?s)。

正、負(fù)離子的擴(kuò)散系數(shù)可根據(jù)Einstein方程計算得出，即

式中：為玻耳茲曼常數(shù)；為溫度。

1.2 熱傳遞過程

在諸多物理因素中，溫度對電荷積聚的影響最為重要。溫度場的存在不僅會影響固體絕緣材料的電導(dǎo)率，也會影響氣體中離子濃度的分布，引起電場分布的改變[8]。直流GIS中的熱量傳遞綜合了傳導(dǎo)、對流及輻射三種換熱方式。

根據(jù)傅里葉定律，存在高壓電極與絕緣子間的熱傳導(dǎo)、絕緣子與外殼間的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)，中心導(dǎo)體因焦耳損耗發(fā)熱，作為熱源項，絕緣子與外殼間的損耗可以忽略不計。介質(zhì)間的傳導(dǎo)過程由導(dǎo)熱系數(shù)計算得出。

對流是直流GIS中最為重要的傳熱過程，包括SF6氣體與中心導(dǎo)體、絕緣子與外殼、外殼與外界空氣的對流傳熱。其中，GIS內(nèi)部SF6氣體的流動由導(dǎo)體發(fā)熱引起，屬于自然對流[9]。

直流GIS中高壓導(dǎo)桿與絕緣氣體、外殼與大氣、絕緣子與絕緣氣體間的輻射換熱量r可由Stefan- Boltzman方程描述，即

1.3 電-熱耦合仿真模型

本文根據(jù)實際盆式絕緣子尺寸建立直流GIS幾何模型如圖1所示，由中心導(dǎo)體、盆式絕緣子、屏蔽罩、接地外殼及嵌件等組成，中心導(dǎo)體與接地外殼間的內(nèi)腔充有氣壓為0.5MPa的SF6絕緣氣體。

圖1 直流GIS幾何模型

在仿真模型中，設(shè)置中心導(dǎo)體與外殼材料為鋁，盆式絕緣子材料為環(huán)氧樹脂，相對介電常數(shù)為5，SF6絕緣氣體的相對介電常數(shù)為1.002。為了簡化計算，本文假定，暫不考慮直流GIS中場致發(fā)射、材料缺陷引起的局部放電等。

2 仿真結(jié)果

2.1 環(huán)氧樹脂絕緣材料參數(shù)測試結(jié)果

對三種環(huán)氧樹脂絕緣材料試樣EP-K、EP-H23、EP-H13，分別在25℃、40℃、60℃、80℃、100℃和120℃進(jìn)行測試，三種材料的區(qū)別僅為氧化鋁摻雜比例不同。三種試樣體積電阻率與溫度的關(guān)系曲線如圖2所示，隨著溫度的增加，三種試樣的電阻率均逐漸下降，且電阻率下降速度逐漸加快。在25℃時，三種試樣的電阻率均為1016W?cm左右，而到120℃時，電阻率均為1014W?cm左右。因此，可以初步得出結(jié)論：隨著溫度升高，絕緣材料的體積電阻率逐漸變小，即體積電導(dǎo)率逐漸變大。

圖2 三種試樣體積電阻率與溫度的關(guān)系曲線

2.2 電-熱耦合仿真結(jié)果

通過COMSOL建立電場-熱場的耦合仿真模型，驗證絕緣子在零負(fù)載（0A）和高負(fù)載（5 000A），即存在溫度梯度的情況下，盆式絕緣子表面的電場分布及電荷密度分布。仿真過程中，環(huán)境溫度為313K，激勵為±550kV直流電壓，中心電極施加電流。假設(shè)直流GIS處于室內(nèi)且環(huán)境干燥，不考慮風(fēng)速及太陽輻射等外界因素。直流GIS溫度分布如圖3所示，絕緣子體積電導(dǎo)率如圖4所示。

圖3 直流GIS溫度分布

圖4 絕緣子體積電導(dǎo)率

由圖3和圖4可知，直流GIS溫度達(dá)到穩(wěn)定后，呈現(xiàn)由中心導(dǎo)體到接地外殼逐漸下降的趨勢[10]，在GIS內(nèi)部形成溫度梯度；溫度的變化導(dǎo)致盆式絕緣子體積電導(dǎo)率也發(fā)生變化，高壓端側(cè)的盆式絕緣子體積電導(dǎo)率高于接地外殼側(cè)的。在電流作用下，絕緣子內(nèi)部體積電導(dǎo)率由1.8×10-14S/m升至最高4.2× 10-14S/m，并且電導(dǎo)率的分布呈現(xiàn)非均勻性[11]。

電壓為+500kV時零負(fù)載及高負(fù)載情況下的絕緣子表面電荷密度如圖5所示，圖中的橫坐標(biāo)為歸一化距離，即測量點的坐標(biāo)/總長度。

圖5 零負(fù)載及高負(fù)載情況下的絕緣子表面電荷密度

對比零負(fù)載及高負(fù)載兩種情況下的電荷分布可以看出，溫度梯度會導(dǎo)致表面電荷分布發(fā)生變化[12]。在直流電壓作用下，絕緣子上表面大部分區(qū)域積聚了負(fù)電荷，只有在接近接地外殼附近電荷極性會發(fā)生反轉(zhuǎn)；下表面則幾乎全部積聚了正電荷；施加負(fù)載，上、下表面電荷密度略有增加[13]。因此，長期帶電試驗中需考慮同時施加直流電壓及電流的工況，驗證存在溫度梯度時盆式絕緣子的絕緣性能。

2.3 電荷積聚飽和時間

溫度變化引起絕緣子體積電導(dǎo)率變化，從而進(jìn)一步影響絕緣子表面電荷積聚過程[14]，改變其飽和時間。因此，對溫度梯度下的盆式絕緣子表面電荷積聚過程進(jìn)行仿真，計算表面電荷的飽和時間，與不考慮溫度場下的飽和時間進(jìn)行對比。表面電荷飽和時間如圖6所示。

圖6 表面電荷飽和時間

通過仿真計算可以得出，在施加直流電壓后，絕緣子表面電場達(dá)到穩(wěn)態(tài)。一般認(rèn)為盆式絕緣子表面平均電場強(qiáng)度的變化值小于10%時達(dá)到穩(wěn)態(tài)[15]，計算公式為

由電-熱耦合仿真計算可知，不帶電流（零負(fù)載）表面電荷飽和時間約為8×104s，即約22h；施加直流電流（高負(fù)載）飽和時間會縮短，為3×104s，即約8h。由此可得，由于絕緣子內(nèi)部存在溫度梯度而導(dǎo)致體積電導(dǎo)率發(fā)生變化，溫度越高，體積電導(dǎo)率越大，電荷飽和時間越小，同時盆式絕緣子表面平均電場強(qiáng)度相應(yīng)增大[16]。

參考文獻(xiàn)[5]提到，絕緣子的體積電導(dǎo)率較小，其達(dá)到穩(wěn)定的時間較長，因此實際試驗方案中需要根據(jù)不同體積電導(dǎo)率選擇合適的周期時間。根據(jù)仿真結(jié)果可知，本次選用的盆式絕緣子的表面電荷積聚大約在一天內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定，如果同時施加直流電壓及直流電流，穩(wěn)定時間會縮短至幾小時，因此長期帶電試驗中的直流運行時間設(shè)置需讓絕緣件電場達(dá)到穩(wěn)態(tài)，且在穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下運行足夠時間，才能達(dá)到驗證的目的。

3 長期帶電試驗

根據(jù)PROMOTioN項目、CIGRE技術(shù)手冊及現(xiàn)有資料，直流GIS的長期帶電試驗在通過完整的性能（型式）試驗后進(jìn)行，并不是強(qiáng)制要求完成。

因為缺乏直流GIS運行經(jīng)驗，進(jìn)行長期帶電試驗的目的是驗證產(chǎn)品在有限時間內(nèi)在模擬實際運行工況下的可靠性，以及是否出現(xiàn)超出現(xiàn)有認(rèn)知的問題[17]，為工程應(yīng)用提供指導(dǎo)?；谝陨夏康?，在設(shè)計長期帶電試驗方案時，主要從以下幾個方面考慮：

1）試驗條件（電流、電壓等）盡可能與實際運行條件一致或更嚴(yán)苛。

2）試驗方案應(yīng)驗證實際運行中可能出現(xiàn)的各種復(fù)雜工況。

3）達(dá)到穩(wěn)定運行狀態(tài)后，要能持續(xù)一定時間。

4）試驗樣機(jī)應(yīng)包含實際產(chǎn)品中所有元件。

5）試驗樣機(jī)包含的各元件數(shù)量足夠多，以驗證產(chǎn)品制造、工藝的分散性影響。

6）試驗樣機(jī)形態(tài)盡量與產(chǎn)品實際運行時保持一致。

7）試驗中需完成必要操作，驗證實際運行可能帶來的影響，比如絕緣拉桿機(jī)械操作的可靠性[18]。

8）完成所有試驗后，驗證在有限的試驗期間，產(chǎn)品的絕緣性能是否明顯下降。

3.1 長期帶電試驗方案

在充分考慮上述各種影響因素的情況下，本文研究制定較為詳細(xì)、全面的長期帶電試驗方案。首先將長期帶電試驗分為以下三個步驟。

1）預(yù)試驗：確認(rèn)樣機(jī)裝配是否符合要求。

2）長期試驗：按試驗程序進(jìn)行，驗證設(shè)備可靠性。

3）狀態(tài)檢查：帶電試驗后，確定樣機(jī)狀態(tài)。

長期帶電試驗具體內(nèi)容見表1。

表1 長期帶電試驗具體內(nèi)容

長期帶電試驗程序見表2，每個周期可以視具體情況進(jìn)行增減或調(diào)換試驗順序。基于2.3節(jié)的仿真結(jié)果可知，在零負(fù)載工況下，盆式絕緣子表面電場穩(wěn)定時間約為22.2h，在高負(fù)載工況下，時間縮短為約8h，參考CIGRE技術(shù)手冊，設(shè)置30天為一個完整周期，以確保盆式絕緣子可以達(dá)到穩(wěn)態(tài)并持續(xù)運行一定時間，模擬實際運行工況，驗證其穩(wěn)定性。

表2 長期帶電試驗程序

表2中，n為額定電壓，即550kV，t為額定電壓的1.2倍，即660kV；HL為高負(fù)載工況，樣機(jī)中流過3 150A的直流電流；ZL為零負(fù)載工況，樣機(jī)中無電流流過；SI為額定操作沖擊耐受電壓試驗；LI為額定雷電沖擊耐受電壓試驗。長期帶電試驗中，有4個周期的持續(xù)運行電壓為660kV，較實際運行工況更加嚴(yán)苛。

綜合考慮樣機(jī)所包含元件的運行特點，長期帶電試驗時長設(shè)置為半年（180天），分為六個循環(huán)周期，零負(fù)載和高負(fù)載工況交替進(jìn)行，同時保證正負(fù)極性均在零負(fù)載和高負(fù)載工況下運行過。

第一個周期正負(fù)極性各15天，施加額定電壓550kV，驗證產(chǎn)品耐受額定電壓的可靠性。

第二個周期零負(fù)載，施加正極性1.2倍的額定電壓，驗證在更高運行電壓下，產(chǎn)品的絕緣性能。

第三、四個周期各30天，施加直流電流和負(fù)、正極性的1.2倍額定電壓，在比實際運行工況更嚴(yán)苛的條件下，對產(chǎn)品進(jìn)行驗證。

第五個周期零負(fù)載，施加負(fù)極性1.2倍的額定電壓，驗證在更高運行電壓下，經(jīng)過高負(fù)載運行后的絕緣性能。

第六個周期，額定電壓、高負(fù)載條件下運行，正負(fù)極性各15天，驗證產(chǎn)品在各種嚴(yán)酷工況考核后，仍然可以在額定工況下安全運行。

考慮到避雷器運行電壓為550kV，不可長期運行在660kV電壓下，因此在試驗的第二至第五周期不帶避雷器運行，用隔離開關(guān)隔開。

完成每個周期試驗后，對樣機(jī)中所有的機(jī)構(gòu)，包括隔離開關(guān)、接地開關(guān)、快接地開關(guān)及并列開關(guān)，進(jìn)行5次分合操作，模擬運行過程中操作對產(chǎn)品的影響。每個周期結(jié)束后，通過直流疊加雷電和操作沖擊試驗，驗證產(chǎn)品的絕緣性能是否下降。

長期帶電試驗樣機(jī)形態(tài)如圖7所示，本次設(shè)計的長期帶電試驗樣機(jī)整體形態(tài)呈Ｕ形布置，主要元件包括戶外套管、戶內(nèi)套管、避雷器、隔離開關(guān)、接地開關(guān)、電流互感器、長母線、直流并列開關(guān)、快速接地開關(guān)、電壓互感器、二次控制柜及智能檢測柜。

圖7 長期帶電試驗樣機(jī)形態(tài)

試驗樣機(jī)配置智能在線監(jiān)測系統(tǒng)，包括SF6氣體狀態(tài)、局部放電、機(jī)械特性及紅外測溫監(jiān)測，可進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控并存儲數(shù)據(jù)[19]。

3.2 長期帶電試驗分析

現(xiàn)場試驗過程中，同時施加直流電流與電壓，根據(jù)導(dǎo)體上紅外測溫傳感器存儲的數(shù)據(jù)，導(dǎo)體溫度達(dá)到穩(wěn)定所需時間約為6h，如圖8所示。由于試驗在戶外進(jìn)行，穩(wěn)定時間受環(huán)境溫度影響。

完成30天的帶電試驗后，在+550kV的直流電壓基礎(chǔ)上疊加±1 675kV的雷電沖擊電壓，波形如圖9所示。試驗中無放電，設(shè)備絕緣性能得到了有效驗證。

圖8 導(dǎo)體溫度穩(wěn)定時間

圖9 直流電壓疊加雷電沖擊電壓波形

4 結(jié)論

本文首先通過建立電-熱場的多物理場耦合仿真模型，對直流場下GIS的絕緣薄弱點，即盆式絕緣子，進(jìn)行仿真研究，確定了盆式絕緣子在零負(fù)載和高負(fù)載時的電荷飽和時間，以及長期帶電周期試驗天數(shù)。

由于目前暫無直流GIS試驗標(biāo)準(zhǔn)，本文對CIGRE、IEC交流相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行研究，同時基于仿真結(jié)果，研究制定了直流GIS的長期帶電試驗方案，并設(shè)計了試驗樣機(jī)，充分、全面地驗證了直流GIS在運行過程中的絕緣問題，以保證其絕緣性、可靠性及穩(wěn)定性。本文所設(shè)計的試驗樣機(jī)已在戶外試驗現(xiàn)場完成了幾個周期的帶電試驗，目前運行穩(wěn)定。試驗完成后，可為未來工程應(yīng)用提供參考。

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Study on long-term live test for ±550kV DC gas insulated switchgear

YAO Xuan1NAN Zhenle1DU Wenjuan1ZHANG Boya2LI Yixuan2

(1. Xi’an XD Switchgear Electric Co., Ltd, Xi’an 710077; 2. State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049)

The existing converter platform of the offshore wind power all adopts conventional open equipment and electrical connection layout, which occupies the large space. In order to reduce the platform space and weight, the DC gas insulated switchgear (GIS) is used to replace the original open equipment. Insulation parts operate under the unipolar DC voltage for a long time, which generates surface charge accumulation, thus changing the electric field distribution and reducing the flashover voltage. There is no international and domestic standard for DC GIS, and systematic test guidance and operation experience are short. The long-term live test (prototype installation test) can effectively verify the reliability and stability of DC GIS. This paper focuses on the long-term test scheme and prototype, based on the multi-physical field coupling simulation, proposes the test scheme, and designs the prototype form.

high voltage direct current transmission for offshore wind power; DC gas insulated switch (GIS); surface charge accumulation; long-term live test

2023-11-03

2023-12-04

姚 璇（1994—），女，陜西省西安市人，碩士，工程師，主要從事直流高壓開關(guān)設(shè)備仿真、設(shè)計的工作。