±1100kV直流阀厅金具电场仿真设计

贾　伟　牛万宇　王帮田　黄晔矿　王金芳

（许继集团有限公司，河南 许昌 461000）

±1100kV直流阀厅金具电场仿真设计

贾伟牛万宇王帮田黄晔矿王金芳

（许继集团有限公司，河南 许昌 461000）

阀厅金具作为直流输电工程换流站阀厅设备电气连接及固定用装置，连接和组合换流站阀厅电力系统中各类装置，以传递机械、电气负荷及实现某种防护作用。其表面电晕直接影响着阀厅及其设备的表面电场分布，对其表面电场进行仿真具有重要意义。本文基于Infolytica ElecNet电场仿真软件对阀厅金具电场仿真影响因素空气包大小、电极长短进行了研究。结果表明：随着空气包的增大，其表面电场逐渐减少，直至趋于一稳定值；金具表面电场与电极长度无关，其影响可忽略不计。根据研究成果给出了±1100kV直流阀厅金具管母外接头电场仿真结果，对±1100kV特高压直流输电工程阀厅金具的研制具有重要指导作用。

Infolytica；±1100kV；特高压直流输电；阀厅金具；管母外接头；表面电场

换流站阀厅金具作为连接阀厅各类电气设备之间的装置，是直流输电工程换流站中不可缺少的设备。承担着各类电气设备之间的电气交换及支撑防护作用，其关键技术一直被国外厂家掌握，产品严重依赖进口，特别是±800kV以上特高压直流输电工程阀厅金具的供应一直被RIBE公司所垄断，价格昂贵其难以服务到位，严重制约着换流变压器研制的自主化、国产化，对其进行国产化研制具有重大意义。

目前，国内南京线路器材厂、四平线路器材厂已完成±800kV特高压直流输电工程阀厅金具的研究，但尚未工程业绩，对于±1100kV阀厅金具国内外均处于研究阶段。

其制约因素主要为阀厅金具表面电场的确定。国外RIBE公司作为世界上最早从事金具研究和生产的公司之一，对直流阀厅金具研究较早，其生产的阀厅金具不仅在国外市场处于垄断地位，在中国±800kV直流输电工程也处于绝对垄断地位。RIBE公司通过与杜伊斯堡-埃森大学合作，对±800kV直流输电工程阀厅金具表面电场进行了深入研究，并通过实验进行了验证［11-16］，其研发产品已在向上、锦屏、浙溪、糯扎渡等±800kV直流输电工程进行了广泛应用。但其公开发表的文献较少，其可参考的文献目前主要是试验报告。

国内武汉大学电气工程学院王栋、杜志叶等通过对换流站阀厅系统进行建模，采用静电场瞬时加载法，通过Matlab对阀厅内部全模型进行了电场仿真，通过仿真技术可以得到阀厅内部电场分布云图，并通过云图查看阀厅内部金具电场分布情况，对阀厅内部金具总体布局控制具有一定的指导意义［18-20］，但对具体单个阀厅金具表面电场设计控制采用此方法不太合适。

Infolytica有限元分析软件因其在磁场、电场、热场等仿真方面的优异表现，被ABB、H. Weidmann AG、AREVA T&D、中国西电集团、中国电力科学院、西安交通大学等国内外单位采用，并根据仿真研究发表了大量研究成果［6-10］，其对具体设备表面电场仿真具有一定优势。本文基于Infolytica ElecNet电场仿真软件对单个具体阀厅金具电场仿真影响因素进行了研究，并根据国家电网公司2011年5月份颁布的《±1100千伏特高压直流输电工程设备研制技术规范-套管册》技术规范，结合在高压直流输电工程方面的现场经验，给出了准东-重庆±1100kV特高压直流输电工程阀厅管母外接头电场仿真结果，以供换流站阀厅金具设计参考。

1　金具电场仿真影响因素

基于Infolytica ElecNet电场分析软件特点［6］，根据特高压直流阀厅结构特点及运行方式［18-20，23，25，27］，其电场仿真影响因素主要有：

1）仿真电压。为电场仿真所施加电压，取决于金具本身设计电压，仿真时为定值。

2）金具结构及布置。为电场仿真所加载模型，取决于金具结构设计，一般仿真前确定，仿真时为定值。

3）金具材料属性。为电场仿真所加材料，静电场仿真时主要与材料相对介电常数有关，由其材料本身属性决定，仿真时为定值。

4）空气包大小。为电场仿真时设备（金具）周围空气范围，取决于阀厅设计（为保证人员安全，必须保证金具放电安全距离），仿真时空气包接地。其大小取决于阀厅空间大小及金具对地（墙）距离，大小变化影响金具仿真结果，实际仿真时取金具对地（墙）最小距离。

5）电极长短。为电场仿真电压导体加载体，影响空气包轴向长度，与金具所连接设备之间所连接导体有关。

6）接地方式。为电场仿真零电位连接方式，其接地方式不同直接影响着仿真结果，仿真时以金具实际接地为准，根据阀厅金具布置特点，本文重点研究空气包接地方式对其影响，即空气包接地。

由上可知，仿真电压、金具结构及布置、金具材料属性由产品结构及材料决定，为产品本身属性，仿真时直接给出，为定值，由设计决定，电场仿真时直接根据设计加载。空气包大小、电极长短、接地方式由电场仿真加载决定，其加载方式不一样，仿真结果就会不一样，为变量，由仿真加载方式决定，仿真时需要根据产品结构及布置，按照产品实际运行情况选择合适的加载方式进行仿真。

根据上述分析，本文将验证空气包大小、电极长短、接地方式对阀厅金具仿真时的影响。

2　仿真模型

换流站阀厅金具作为连接阀厅各类电气设备之间的装置。常见主要有外接头、内接头、管母连接金具、球防护连接金具、均压环防护连接金具，以及其他软连接金具等，其主要起连接、支撑和防护作用，连接时又要兼顾防护［21-27］。本文主要研究基于Infolytica ElecNet电场分析软件的金具电场仿真影响因素，为清晰的表现其影响情况，本文采用常见的管母与管母连接金具进行研究分析说明［17-26］。

本文按照糯扎渡工程江门换流站428金具点位，并参照文献［12］RIBE公司《Corona Tests on 800kV Busbar Connectors （DC Test）》关于管母线外接头试验布置图1、图2进行模型设置。

图1　外接头试验全景图

图2　试验布置图

具体为，本文以阀厅带环428金具为例进行分析，结构如图3所示，管母外径为φ 450mm，均压环外径为φ 2000mm，管母长度由加载条件决定。

图3　428金具仿真模型

3　电极长短对电场仿真的影响

1）加载条件

（1）仿真电压：直流1500kV。

（2）金具布置情况：如图4所示。

（3）金具材料属性：见表1。

（4）空气包大小：空气包半径取23m。

（5）电极长短：见表2（轴向长度）。

（6）接地方式：空气包接地。

表1　仿真模型零件材料

图4　仿真加载图

加载条件说明：除电极长短为变量外，其他参数均为定值；仿真电压参照文献［28-30］要求，对1100kV阀厅金具取直流电压1500kV，为消除空气包大小对电场仿真结果的影响，依据下文空气包大小对电场仿真结果的影响结论，本文空气包大小取18m。

特别说明：由本类金具结构可知，电极长短即管母长短，为便于论述，如无特殊说明，下文管母长度即代表电极长度。

2）仿真结果

仿真结果如表2及图5、图6所示。

表2　仿真模型表面最大电场值

图5　仿真电位图

图6　仿真结果

根据对图5、图6及表2分析可知：

（1）由图5知，直流电压下，最高电位集中于均压环外表面，随着距离外表面距离的增加，电位逐渐减少，直至降为零，最高电压与所加电压一致，下文同理，不再论述。

（2）由图6可知，最大电场位于均压环外表面，同时随着距离均压环外表面的距离增加，电场逐渐减少，与图5电位分布一致。

（3）由图6及表2可知，随着管母长度的增加，其均压环表面最大电场变化很小，基本上位置在20kV/cm，考虑到仿真误差，可认为电场没有变化，即在误差范围内，可认为管母长短对其电场分布没有影响。

3）结论

由上述分析可知，最大电场分布与电位分布有关，与电极长短无关，最高电位与所加电压一致，即在同一仿真条件下，电压不变，最大电场分布与电极长短无关。考虑到仿真效率及实际情况，建议仿真时，管母长短按照模型实际长短进行选取，当管母长度大于10m时，建议管母长度取10m。

4　空气包大小对电场仿真的影响

1）加载条件

（1）仿真电压：直流1500kV。

（2）金具布置情况：如图7所示。

（3）金具材料属性：见表1。

（4）空气包大小：见表3。

（5）电极长短：10m。

（6）接地方式：空气包接地。

特别说明：由图1和图2可知，实际中空气包是立方体，为方便建模，本文以圆柱体代替，其中圆柱直径取矩形对地最小边长度。

图7　仿真加载图

2）仿真结果

仿真结果如表3及图8、图9所示。

图8　仿真结果

图9　直流电压下最大电场特性曲线

表3　仿真模型表面最大电场值

根据图8、图9及表3分析可知：

（1）由图8可知，最大电场位于均压环外表面，同时随着距离均压环外表面的距离增加，电场逐渐减少。

（2）由图8、图9及表3可知，空气包大小不同，最大电场不同，随着空气包外径的增加，其均压环表面最大电场变化越来越小。由此可知，电场与空气包大小有关，并随着空气包逐渐增加，最终电场趋于一稳定值。

（3）由图8（f）、（g）、（h）及图9可知，当空气包外径在16m、18m、20m时，均压环外表面电场变化很小，考虑到仿真误差，可认为，最大电场在空气包外径为18m时达到稳定值，不再变化。

3）结论

由上述分析可知，电场分布与空气包大小有关，当空气包大小增大到18m时，均压环表面电场最大值不再变化。建议仿真时，当金具所处空间小于18m时，需考虑空气包大小，仿真时按照实际大小进行空气包建模；当所处空间大于18m时，空气包外径大小取18m。

5　准东-重庆±1100kV特高压直流输电工程阀厅管母线外接头电场仿真设计

基于上述分析及结论，结合准东-重庆±1100kV特高压直流输电工程特点，就准东-重庆±1100kV特高压直流输电工程阀厅管母线外接头加载条件，给出以下建议，供阀厅金具设计参考。

1）仿真电压

按照文献［28］技术规范规定，准东-重庆最高连续直流电压Umax为1122kV。按照文献［30］电晕试验要求，试验电压为金具最大运行电压的125%，则电晕试验电压Ud为1402.5kV，考虑到安全裕度，本文取设计电压为1500kV。

2）电极长短

建议根据管母实际长度进行选取，本文仿真时取10m。

3）空气包大小

由文献［23］可知，±1100kV特高压直流输电工程操作冲击电压为2100kV，按照文献［29］，考虑到安全裕度1.5，计算得±1100kV高端阀厅金具对地距离不小于20m，按照本文第4节分析结论，考虑到电场仿真时，空气包外径达到18m时，电场已无变化，本文取空气包大小为18m。

4）仿真模型

管母外径450mm，外接头外径530mm。

5）金具布置

金具布置如图10所示。

图10　仿真加载图

6）其他加载条件

其他加载条件同本文第4节加载条件。

7）仿真结果

仿真结果如图11所示。

图11　仿真结果

由图11可知，在直流1500kV电压下，450mm的管母，在管母外接头外径为530mm情况下，最大电场位于抱箍边界处，其值约为19.1kV/cm，小于20kV/cm，供阀厅金具管母外接头设计参考。

6　结论

1）本文对阀厅金具电场仿真影响因素进行了研究分析，结果表明，基于Infolytica ElecNet电场分析软件对阀厅金具进行电场仿真时需考虑电极长短、空气包大小对电场仿真的影响。

2）最大电场分布与电位分布有关，与电极长短无关，最高电位与所加电压一致，即在同一仿真条件下，电压不变，最大电场分布与电极长短无关。

3）随着空气包逐渐增大，金具表面电场逐渐减少，直至趋于一稳定值。

4）根据研究结果，结合±1100kV特高压直流输电工程实际情况，给出了准东-重庆±1100kV特高压直流输电工程阀厅金具外接头仿真结果，供± 1100kV特高压直流输电工程阀厅金具电场设计时参考。

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Electric Field Simulation for ±1100kV DC Valve Hall Fittings

Jia Wei Niu Wanyu Wang Bangtian Huang Yekuang Wang Jinfang
（XJ Group Corporation， Xuchang， He'nan 461000）

The valve hall fittings as HVDC converter stations valve hall equipment electrical connections and fixing devices ， connections and combinations converter station valve hall all types of power system devices to transfer mechanical， electrical load and achieve some kind of protection. It is important to study distribution simulation of its surface electric field on account of a direct impact on its surface corona valve hall and its equipment surface electric field. Based on Infolytica ElecNet electric field simulation software， we investigated air packet size， electrode length. The results show that： with the increase of the air bag， the surface electric field decreases， until tends to a constant value； it has nothing to do with the length of the electrode. According to the research results，we provide electric field simulation results of ±1100kV DC valve hall fittings busbar coupler， the results have an important role in guiding to develop ±1100kV UHV DC transmission project valve hall fittings.

infolytica； ±1100kV； UHV DC； valve hall fittings； busbar coupler； surface field

贾 伟（1965-），男，硕士，高级工程师，主要从事高、低压成套开关设备以及特高压直流输电直流场设备的研发主持工作。