特高壓換流站閥廳電場分布特性研究

摘 要：特高壓換流站的閥廳是直流輸電工程的至關(guān)重要組成部分之一，其中設(shè)備復(fù)雜且緊密相連，同時與外界隔絕。因此，必須認(rèn)真研究閥廳內(nèi)設(shè)備表面的電場強度對設(shè)備正常運行的影響。本文以800kV直流換流站閥廳為對象，采用多物理場仿真軟件COMSOL，對閥廳內(nèi)設(shè)備的電場強度進(jìn)行了詳細(xì)計算。仿真計算結(jié)果為特高壓直流工程的設(shè)計和建設(shè)提供了重要的參考依據(jù)，尤其是相關(guān)金具的設(shè)計。本文為提高特高壓換流站的性能和可靠性，并降低潛在故障的風(fēng)險提供了有力支持。該工作對推動直流輸電技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用具有重要作用。

關(guān)鍵詞：換流站閥廳；金具；電場計算；COMSOL

中圖分類號：TM 72" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

換流站是高壓和特高壓輸電工程的核心組件，能夠合并整流和逆變功能，將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，并將直流電轉(zhuǎn)換為交流電[1]。特高壓換流站的閥室在特高壓直流輸電系統(tǒng)中具有重要作用，其正常運行對閥室內(nèi)部環(huán)境的要求非常嚴(yán)格。內(nèi)部電場分布復(fù)雜，未受監(jiān)控和約束時易發(fā)生設(shè)備尖端電場畸變和電暈放電。電暈放電不僅會引起光污染、噪聲問題，還會導(dǎo)致設(shè)備變形、壽命縮短并增加維護(hù)成本，同時隨著的高頻脈沖也會嚴(yán)重影響監(jiān)控設(shè)備和電能損耗。因此，分析和計算高壓閥室金屬表面電場的影響對限制電暈放電引起的電能損耗和高頻電磁干擾至關(guān)重要，對特高壓直流輸電系統(tǒng)的換流站閥室金屬部分進(jìn)行設(shè)計與驗證具有實際意義。

本文以800kV直流換流站閥廳為研究對象，完成了如下任務(wù)。1）在COMSOL仿真軟件平臺建立了800kV特高壓換流站閥廳的仿真模型，包括金具設(shè)備和空氣域。本文介紹了一次電氣設(shè)備的結(jié)構(gòu)、仿真模型尺寸參數(shù)的選擇，并在COMSOL中完成了總體模型的建立。2）對建立的閥廳模型進(jìn)行仿真，記錄正常運行情況下直流換流站閥廳的電壓和電場強度分布情況，并結(jié)合理論知識對最大場強進(jìn)行了分析。

1 閥廳模型的建立

本文使用COMSOL Multiphysics進(jìn)行模型建立。

1.1 設(shè)備模型簡化

本次模型設(shè)計在保證與實際結(jié)構(gòu)相符的前提下，簡化了部分設(shè)備結(jié)構(gòu)，降低了模型剖分難度[2]。與正常運行無關(guān)的設(shè)備，如巡視走廊未被建模。閥塔內(nèi)靜電屏蔽的晶閘管模型被忽略。連接設(shè)備的小型金具、線夾和支架等未被納入建模。由于研究焦點是金具表面電場強度，因此絕緣子套管和支柱被適度簡化。高壓絕緣子傘裙直接省略，穿墻套管上的傘群被建模為圓柱。材料、幾何形狀等屬性已整理并簡化[3]。

閥廳內(nèi)器件簡化后模型和材料情況見表1。

1.2 閥廳內(nèi)部設(shè)備建模

1.2.1 整體模型

根據(jù)工程設(shè)計圖紙和相關(guān)文獻(xiàn)，特高壓閥廳內(nèi)部各種設(shè)備和布置方式均來源于真實圖紙和相關(guān)文獻(xiàn)。所建立的閥廳模型內(nèi)部三維視圖如圖1所示。閥廳長85m，寬40.93m，高30m[4]。

1.2.2 閥塔

換流閥是換流站閥廳內(nèi)完成換流工作的關(guān)鍵設(shè)備，外部結(jié)構(gòu)由屏蔽罩、屏蔽層和閥塔避雷器組成。閥塔內(nèi)有6層晶閘管，作為保護(hù)的避雷器與其并聯(lián)。由于晶閘管是閥廳內(nèi)的精密結(jié)構(gòu)，因此其外部必須有大量屏蔽保護(hù)金具。根據(jù)靜電屏蔽原理可知，其內(nèi)部電場強度較小，設(shè)計中可直接忽略不計，而對應(yīng)的外部金具的場強較大，是本次設(shè)計的分析對象，因此建模時忽略閥廳內(nèi)部晶閘管、冷卻管建模，并保留屏蔽罩、屏蔽層和避雷器[2]。閥塔的尺寸為長7.1m、寬6.7m、高8.7m[3]，被懸掛在距地面大約10m的位置。所建立模型如圖2所示。

1.2.3 穿墻套管

套管的導(dǎo)桿通常位于其內(nèi)部，并與閥塔的頂部連接，這一連接通常由均壓環(huán)等均壓設(shè)備組成。為降低內(nèi)存使用量，對絕緣子等影響較小的部分進(jìn)行了適度簡化。細(xì)節(jié)尺寸如下[2]。1）D/Y換流變穿墻套管：芯棒直徑0.1m，外部絕緣1m。2）800kV穿墻套管：芯棒直徑0.1m，外部絕緣1.1m。3）對于400kV穿墻套管，采用模型比例縮小操作，在800kV穿墻套管的基礎(chǔ)上實現(xiàn)。

該尺寸設(shè)置允許更準(zhǔn)確地模擬不同部分的電場分布，考慮了套管、導(dǎo)桿和均壓設(shè)備等因素。通過將絕緣子等效為同心圓柱體，并省略支撐均壓環(huán)的連接金具，能夠準(zhǔn)確地捕捉到關(guān)鍵區(qū)域的電場強度分布，對提高特高壓換流站的電場管理和優(yōu)化設(shè)計具有一定技術(shù)意義。所建立模型如圖3所示。

1.2.4 D/Y側(cè)其他金具

D/Y側(cè)金具如均壓球、均壓環(huán)和管母建模如圖4所示，主要分為2個部分。三角形連接側(cè)即D側(cè)，此部分主要與外界換流變壓器400kV側(cè)鏈接，同時還要消除其中的諧波。星形連接側(cè)即Y側(cè)，此部分主要與外界換流變壓器800kV側(cè)鏈接，同時還要防止單相接地故障。兩者雖鏈接方式不同，但采用的器材尺寸相同。其中管母外徑為0.3m，內(nèi)徑為0.1m[2]。其詳細(xì)建模如圖4所示。

2 邊界條件和電壓的設(shè)定

2.1 邊界條件的設(shè)定

靜電場與時域無關(guān)，描述靜電場“共性”的方程是Poisson方程和laplace方程，二者均屬于一元二次線性偏微分方程，這類偏微分方程的定解條件是在場域V的邊界S上給定的邊界條件包括3種類型。1）第一類邊界條件（狄利赫萊（Dirichlet）條件）：已知場地邊界S上各點的電位勢值。2）第二類邊界條件（紐曼（Neumann）條件）：已知場邊界S上點電位勢的法向?qū)?shù)。3）第三類邊界條件（混合條件，又稱羅賓（Robin）條件）：第一類和第二類邊界條件的線性組合。

由于本次研究的閥廳只進(jìn)行直流高壓下的電場強度計算，因此只需要滿足第一類邊界條件，即閥廳墻壁和地面電位設(shè)為0V，以此作為閥廳計算模型的外邊界條件。

2.2 電壓的設(shè)定

由于本文采用的是簡化后的閥廳模型，多種設(shè)備進(jìn)行了設(shè)備和簡化，因此采用的電壓節(jié)點不應(yīng)過多。過多的節(jié)點會導(dǎo)致操作煩瑣、計算復(fù)雜，甚至可能導(dǎo)致仿真失敗，影響計算準(zhǔn)確性。因此將10個關(guān)鍵節(jié)點的電壓作為主要加載電壓。這10個節(jié)點包括800kV出線端電壓、400kV出線端電壓、塔連母線電壓、“Y”形側(cè)的三相閥塔進(jìn)線端電壓、“Y”形側(cè)中性點電壓、“D”形側(cè)的三相閥塔進(jìn)線端電壓和閥塔屏蔽層電壓，應(yīng)均勻加載，屏蔽球電壓應(yīng)與管母相同，墻壁和其他接地點電壓設(shè)為0。

3 閥廳場強分布和最大場強分析

基于COMSOL的AC/DC靜電場模塊，設(shè)立邊界條件、施加電壓，并使用穩(wěn)態(tài)求解器求解閥廳內(nèi)全模型電勢和電場強度，分別如圖5、圖6所示。

根據(jù)上文設(shè)置的零電位墻壁邊界，套管與墻壁間的電位差急劇增加，引起穿墻套管內(nèi)電場強度顯著上升。這不僅會對其他設(shè)備的電場干擾造成不必要影響，還干擾了電場的顯示和標(biāo)記。因此，為準(zhǔn)確反映閥廳內(nèi)的電場情況，使用COMSOL進(jìn)行三維繪圖時忽略套管絕緣子和芯棒的影響。

圖5和圖6顯示了電勢和電場的最大值和最小值，最大電場強度出現(xiàn)在400kV管母屏蔽球附近，為1.06×104kV/m。該高電場強度源于閥塔屏蔽層施加的高電壓，同時距離閥廳墻壁非常近，導(dǎo)致電場強度發(fā)生明顯畸變。

由于對閥廳內(nèi)模型進(jìn)行了大幅度簡化，并對部分模型如塔連管母類金具進(jìn)行了倒圓角處理，因此并未出現(xiàn)金具表面電場強度過大的情況，但對套管的絕緣進(jìn)行了大幅簡化，因此與實際閥廳的偏差增大，如果后續(xù)需要進(jìn)行深入研究，可將重心分析各類套管單個絕緣子子模型電場強度。

這一結(jié)果對特高壓換流站的設(shè)計和運行具有實際意義。高電場強度區(qū)域可能會引起電暈放電，增加設(shè)備維護(hù)成本和縮短壽命。此外，電場的非均勻分布可能影響設(shè)備正常運行，降低系統(tǒng)穩(wěn)定性。因此，在特高壓換流站設(shè)計和布局中需要更細(xì)致地考慮電場強度分布，以減少不均勻性，保證設(shè)備安全可靠運行。該結(jié)果可為優(yōu)化特高壓換流站電場管理、減少電暈放電引起的電能損耗和設(shè)備故障風(fēng)險并提高輸電系統(tǒng)效率和可靠性提供參考。

4 結(jié)論

通過COMSOL多物理場仿真軟件，本文全面分析了±800kV換流站閥廳內(nèi)金具表面電場。在仿真計算中，本文采取了精細(xì)的尺寸設(shè)置，如套管的導(dǎo)桿、絕緣子等，以準(zhǔn)確模擬各部分的電場分布。最大電場強度出現(xiàn)在Y側(cè)B相下方，約為1.06×104kV/m，而其他區(qū)域的電場強度均＜500kV/cm。

這一發(fā)現(xiàn)為特高壓換流站的設(shè)計和運行提供了重要信息。首先，高電場強度區(qū)域容易引起電暈放電，從而增加維護(hù)成本并縮短設(shè)備壽命。其次，電場強度的非均勻分布可能影響設(shè)備的正常運行和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

因此，本文具有一定的理論和實際意義。理論上，深入了解了電場分布，可為電暈放電和電磁干擾等問題提供更深入的研究基礎(chǔ)。實際應(yīng)用方面，該研究結(jié)果可用于特高壓直流輸電系統(tǒng)的電場管理和設(shè)備設(shè)計優(yōu)化，降低電能損耗和維護(hù)成本，提高系統(tǒng)的可靠性和效率。未來可進(jìn)一步研究改進(jìn)策略，以進(jìn)一步優(yōu)化特高壓換流站的性能，并保證其可持續(xù)、高效運行。

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