特高压±1 600 kV直流发生器空间电场分布仿真分析

张宗喜，甘德刚，朱天宇

(国网四川省电力公司电力科学研究院，成都　610072)

特高压±1 600 kV直流发生器空间电场分布仿真分析

张宗喜，甘德刚，朱天宇

(国网四川省电力公司电力科学研究院，成都610072)

摘要：特高压直流输电是国家电网公司跨区域远距离输电的重要手段，±1 600 kV特高压直流电压发生器是提供直流高压试验电压的重要设备，主要用于直流电气设备的检测试验。为保障直流输电设备的安全运行，采用空间电场分析软件对直流发生器开展周围空间的电场分布进行数值模拟研究，分析其曲率半径的变化，电场强度的变化规律及影响因素，为直流电压发生器的试验室布局及编制现场试验安全规程提供了有利的数值依据，并针对性提出电场分布优化的措施。

关键词：直流电压发生器；电场计算；电晕；电场优化

四川作为我国的重要水电能源基地，同时又位于西电东送工程的送端，区域内在建多个电源点，包括锦屏、向家坝、溪洛渡等重大工程。高电压等级输变电设备安全可靠的稳定运行是在实施“西电东送、全国联网”特高压直流输电工程中的首要前提条件[1]。目前四川电网已建成3座±800kV特高压换流站。±1 600kV特高压直流电压发生器是提供直流高压试验电压的重要设备，主要用于直流电气设备的试验，是四川特高压试验基地建设的关键试验设备。设备电晕对将来要进行的试验研究结果会带来很大影响，而电晕的强烈程度直接取决于发生器部件的表面场强分布。为更好地向特高压输变电设备提供技术支撑，需要开展±1 600kV直流发生器空间电场分布仿真分析，这对直流电压发生器的选型、试验室布局及编制现场试验安全规程具有重要意义。

1直流电压发生器原理

±1 600kV特高压直流电压发生器采用4级倍压回路。直流电压发生器的原理是通过倍压整流电路构成，以倍压整流回路为基本单元形成n级倍压单元，空载时最高输出直流电压为2nU-ΔU(U为充电变压器输出电压幅值)。交流电源的正半波和负半波都可以向倍压回路的电容C进行充电，同时直流电压发生器本体设计的滤波电容使电压脉动和电压降落能够得到充分的优化改善。直流电压发生器的原理图如图1所示。

图1　直流电压发生器原理图

直流电压发生器空载时各级倍压单元输出电压及倍压电路输出电压的降落ΔU和脉动振幅σU的公式如下：

(1)

式中n——级数；Iav——输出电流平均值；f——电源频率；C——右边各级电容器的电容量。

直流电压发生器额定输出电压为1 600kV，额定输出电流为30mA。本体为两柱式结构，交流柱和直流柱对称布置，顶部均压环的直径为6.1m，本体的总体高度为12.1m，对应的分压器顶部均压环直径为3.8m，由6级阻容分压单元串级组成，高度为12.1m；直流电压发生器本体与分压器之间由保护电阻相连，同时本体和分压器与接地柱顶罩均由不锈钢管焊接而成，进而减小在高电压下电晕的强度。

2电场计算理论方法与仿真建模

由于直流电压发生器边界较为复杂，用解析法难以得出其表达式，所以本次计算采用数值法。在数值法中又可以分为有限差分法(FDM)、有限单元法(FEM)、边界元素法(BEM)、矩量法(MOM)等多种形式，本文对空间电场的计算选用有限单元法(FEM)。静电场能量可表示为待定电位函数及其导数的积分式。同时对于电、磁场边值来说，静电学中的汤姆逊定理即是描述静电现象的最小作用原理，即处于介质中一个固定的带电导体系统，其表面上电荷的分布，应使合成的静电场具有最小的静电能量[2-6]。

2.1理论计算分析

在只考虑屏蔽电极单独作用时的变化规律。对屏蔽电极而言，其形状与一椭圆旋转体相似，因此首先可用椭圆旋转体的理论场强计算公式对其场强大小进行估计，在椭球导体表面上(θ=0)的电场强度为：

(2)

(3)

式中a，b，c——椭圆旋转体的长短轴(b=c)；V0——椭圆旋转体表面的电位大小。

在椭球面上，

(4)

(5)

(6)

由此可见，在椭球面上，Emax出现在轴半径最长之处。由于主要关注的是最大电场强度，所以可通过式(3)和式(4)求出椭圆旋转体的最大电场强度[7-11]。

2.2仿真分析模型

参照特高压直流电压发生器的制造参数，在仿真分析中电容器柱采用介质填充模拟，相对介电常数ξr取2.55。金属法兰和顶部均压环ξr为1。同时考虑到在有限元计算中只能处理有限区域空间问题，由于计算精度和计算时间的限制，经分析计算区域的边界取为30m、高30m的圆柱域边界，内部介质为空气。直流发生器仿真模型如图2所示。

图2　直流发生器仿真模型

3空间电场分布仿真分析

3.1直流电压发生器空间电场分布

通过静电场仿真软件对参照直流电压发生器实际参数建立的模型开展空间电场分布的仿真分析，可以较为清晰地了解发生器各部分的电场分部情况。在发生器本体及分压器支柱法兰未采取均压环时，仿真结果如图3所示。

图3　发生器整体电场分布图

通过电场强度探针来测量直流电压发生器周围电场强度值的大小，此时的最大电场强度出现在直流发生器本体及分压器第4级法兰附近，约为15.66kV/cm；再向下其电场强度值有所减小，在第3个法兰位置可测量到的最大电场强度为11.5kV/cm，第4个法兰位置可测量到的最大电场强度为6.2kV/cm；再向下已很小，可不考虑。这些高场强的分布主要是因为法兰上的高电压和其自身的尺寸小曲率半径小造成的。

参考目前直流高压发生器的设计最大场强一般控制在10kV/cm左右，显然通过仿真分析发生器本体出现的最大场强超出了这一要求。由于影响电场分部的主要因素是电压和电极的尺寸及形状，为进一步改善直流发生器本体电场的分布，对该电压发生器本体和分压器的本体连接处的法兰加装均压环等措施来改善电场分部。通过分析计算对应发生器本体和分压器的防晕均压环的管径取为300mm。加装均压环后局部见图4。

图4　发生器及分压器加装均压环图

经仿真分析，得到改进后发生器整体电场分布图如图5所示。

图5　改进后发生器整体电场分布图

此时通过电场强度测试探针测量直流电压发生器周围的电场强度值的大小，最大电场仍处于发生器本体及分压器的顶部，约为12.1kV/cm。为了保留一定的裕度，可以考虑在此处增加一均压环，使其电场强度能进一步降低。但将法兰形状改变后，直流柱的最大电场强度未超过8.9kV/cm，则满足常规设计的要求。

3.2实际应用

对发生器本体支柱法兰加装均压环等措施后，该直流高压发生器于2012年12在四川电力科学研究院高压试验室正式投入运行，并通过对具体高压直流电气设备开展了试验室试验，目前设备运行正常，未出现因电晕的影响造成试验数据异常的现象。

4结语

在影响直流电压发生器空间电场强度的分布因素中，屏蔽电极所占比重最大，支架的影响较微弱。由于支架本身具有高电压，形状较小，所以最大电场反而产生在其法兰表面，因此应对法兰的曲率半径大小和表面光洁度引起重视；均压环可改变电场的分布，在对电场局部调整中作用较大。通过对法兰处加装均压环和优化均压环的曲率半径大小进行仿真计算，使得直流电压发生器的空间电场控制在10kV/cm附近，对应本体和分压器的防晕均压环的管径大约取为300mm。

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(本文编辑：赵艳粉)

Simulation Analysis of UHV ±1600kV DC Generator Electric Field Distribution

ZHANG Zong-xi, GAN De-gang, ZHU Tian-yu

(SichuanElectricPowerResearchInstitute,Chengdu610072,China)

Abstract:UHVDC (ultra high voltage direct current) is an important method for State Grid Corporation of China to achieve inter-regional long-distance power transmission. ±1600kV UHVDC generator is an important equipment to provide HVDC test voltage, mainly used for testing the DC electrical equipment. In order to guarantee the safe operation of DC transmission equipment, this paper uses electric field analysis software to simulate the electric field distribution in the space around the DC generator and carry out numerical analysis. Through analyzing changes in the radius of curvature and variation of the electric field strength and influencing factors, it provides a favorable numerical basis for laboratory layout of DC voltage generator and preparation of safety regulations in field trials. Finally the targeted measures to optimize the electric field distribution is proposed.

Key words:DC voltage generator; field calculation; corona; field optimization

DOI：10.11973/dlyny201603018

作者简介：张宗喜(1984)，男，高级工程师，从事高电压绝缘与在线检测及诊断工作。

中图分类号：TM83

文献标志码：A

文章编号：2095-1256(2016)03-0340-04

收稿日期：2016-02-23