±1100 kV户内平波电抗器均压装置表面电场分析与验证

2018-04-12奚晶亮刘成柱王国金张月华王银岭

电力勘测设计 2018年3期

奚晶亮，刘成柱，王国金，张月华，张猛，王银岭

(北京电力设备总厂有限公司，北京 102401)

1 概述

随着电力系统的不断发展，直流输电技术日趋成熟，可靠性日益提高。±1100 kV电压等级的直流工程与现在已投运的±800 kV直流工程相比，它的输电容量提升50%，经济输电距离由原来的2000 km提升到3000～5000 km，大幅提高了直流输电效率和输电走廊利用率，节约了土地资源。

平波电抗器作为直流输电不可或缺的主设备之一，肩负着抑制换流器直流侧电流和电压脉动等重要作用。随着直流系统电压等级提升至±1100 kV，平波电抗器表面电场强度进一步升高，发生电晕放电的可能性增大。当采用户内布置时，如果平波电抗器表面电场强度过高，会使得平波电抗器对阀厅的钢结构放电，会对阀厅内所有设备的安全稳定运行产生不利影响。为消除电晕放电影响，就需要扩大阀厅的结构高度和宽度，以增大平波电抗器对钢结构的绝缘净空间隙，这就会造成阀厅建设成本的增加。因此，合理设计和布置均压屏蔽装置对于控制户内布置的平波电抗器表面电场强度就显得尤为重要。

本文结合对±800 kV平波电抗器均压屏蔽装置表面电场分布的研究成果，针对±1100 kV平波电抗器的均压屏蔽装置在均压环管径、安装节径、布置位置等方面进行了研究和优化。利用ANSYS MAXWELL有限元分析软件，建立平波电抗器的整体三维计算模型，分析均压屏蔽装置中不同位置均压环的表面电场强度分布规律，为±1100 kV平波电抗器均压屏蔽装置的设计提供参考。

2 平波电抗器均压屏蔽装置设计

2.1 电晕放电现象

当在电极两端加上较高但未达击穿的电压时，如果电极表面附近的局部电场很强，则电极附近的气体介质会被局部击穿而产生电晕放电现象。当电极的曲率半径很小时，其附近的场强特别高，很容易发生电晕放电。

2.2 电晕产生的机理

电晕即局部放电，是指当电场强度超过某一临界值时，在绝缘系统中气体瞬时电离引起的一种局部放电现象。电晕产生有两个主要的因素：一是空气隙的存在；另一个是电场强度超过了空气隙的击穿电压。在绝缘材料的内部、电极之间都会存在一定的空气隙，当作用在这些空气隙上的电压应力超过气体的击穿电压时，气体就会被击穿，形成电晕。

2.3 电晕放电形成条件

电晕放电是极不均匀电场所特有的一种自持放电形式，是极不均匀电场的特征之一。它与其他形式的放电有本质的区别，电晕放电时的电流强度并不取决于电路中的阻抗，而取决于电极外气体空间的电导，这就取决于外加电压、电极形状、极间距离、气体的性质和密度等。通常以开始出现电晕时的电压称为电晕起始电压，它低于击穿电压，电场越不均匀，两者的差值越大。

并不是所有的气体放电都表现为电晕放电形式，只有在极不均匀电场中的气体，当场强足够大时，才会形成电晕。也就是说，只有当极间距离对起晕电极表面最小曲率半径的比值大于一定值时，电晕才有可能发生；若比值小于此值，气隙将发生火花击穿。

2.4 平波电抗器均压屏蔽装置设计

为防止平波电抗器尖端电晕放电现象的发生，在平波电抗器各关键部位设置了多根大曲率的均压环。结合平波电抗器的线圈结构特点，均压屏蔽装置由七层均压环组成，为便于分析，将其依次标记为1号到7号，见图1，每层均有12根均压环围成一个圆形。其中，线圈本体有四层均压环，绝缘支撑体系有三层均压环，第二圈绝缘子均压环对绝缘子下法兰零电位点的垂直距离≥13 m。

图1 均压屏蔽装置布置方案(极母线侧)

2.5 平波电抗器电气参数

平波电抗器的电气参数，主要包括电压参数和绝缘水平参数，详见表1和表2。

表1 电压参数

表2 绝缘水平参数

3 平波电抗器电场计算等效模型

3.1 理论模型

平波电抗器的电场分布特性是基于麦克斯韦方程组中的高斯电通定律，即满足：

平波电抗器周围空气可近似为各向同性的均匀介质，即满足媒质方程：

由于静态电场属于无旋场，因此满足方程：

对公式(3)等式两边取散度即可得：

将公式(4)带入到公式(1)中可得静电场的泊松方程：

式(1)～(5)中：ρ为电荷体密度；D为电通密度；E为电场强度；ε为空气的介电常数；φ为标量电位。

3.2 等效模型的建立

在±1100 kV换流站高端阀厅中，共使用四台平波电抗器。其中每两台串联在一起接入直流系统中。结合阀厅内实际布局情况，建立±1100 kV平波电抗器等效模型见图2。

图2 ±1100 kV平波电抗器模型(极母线侧)

3.3 均压环结构参数

各层均压环的结构参数见表3。

表3 均压环结构参数

3.4 模型的前处理

电抗线圈及其均压环工作在同一电位，考虑到电场分布主要是由线圈本体和均压环决定的，相关支撑零部件对其影响很小，故线圈模型只保留线圈本体和均压环，删去其他不必要的结构(见图3)。

图3 线圈模型的前处理

同时，对仿真计算结果影响较小的支撑体系拉筋和支柱绝缘子的伞裙也进行了忽略简化。

3 电场仿真结果

基于ANSYS MAXWELL有限元分析软件对平波电抗器电场分布进行了三维仿真计算。计算时，平波电抗器高压侧施加电压为1227 kV，整体电位和电场分布计算结果见图4和图5。

图4 ±1100 kV平波电抗器整体电位分布云图

图5 ±1100 kV平波电抗器整体电场分布云图

通过对±1100 kV户内布置平波电抗器电位和电场分布仿真计算结果进行分析，可以看出±1100 kV户内布置平波电抗器电位分布较为均匀，电场强度较低，均压屏蔽装置设计合理，各层均压环电场分布见图6～图9。

图6 第一层和第二层均压环电场分布云图

图7 第三层和第四层均压环电场分布云图

图8 第五层和第六层均压环电场分布云图

图9 第七层均压环电场分布云图

根据仿真计算结果，表面最大场强值位于顶部第一层均压环半球形端部位置，表面最大场强值见表4。

表4 各层均压环表面最大场强值

结合以上仿真计算结果，±1100 kV户内布置平波电抗器整体电位分布均匀，电场强度主要分布在均压环表面。分析数据可以看出，顶部第一层均压环表面电场强度最高，达到了1151.95 V/mm，与±800 kV平波电抗器均压环表面最大电场强度值1300 V/mm相比，前者数值更小。因此，可以得出：±1100 kV户内布置平波电抗器均压屏蔽装置设计合理，电场强度值较低，满足工程设计要求。