±1100kV特高压直流换流站均压装置概念设计及结构优化

张炜 常林晶 杨国华 彭宗仁 王加龙 刘桂华

【摘 要】本文针对特高压直流换流站直流金具均压装置进行概念设计，选取典型均压装置进行分析对比，对均压装置电场强度集中的区域进行优化，降低均壓装置的最大电场强度。通过仿真分析，进行优化设计，对几种典型结构进行分析对比，确定±1100kV均压装置的推荐结构。对优化后的均压装置进行试制，并进行试验验证，确定±1100kV特高压换流站典型均压装置的结构。本项目的研究对于±1100kV特高压直流工程均压装置设计具有指导意义，对推动特高压直流输电技术的进步和发展具有重大意义。

【关键词】换流站;均压装置;仿真分析;直流金具

中图分类号： TM723 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）24-0106-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.24.049

【Abstract】This paper introduces the conceptual design of the shielding device for DC fittings of UHVDC converter station. Select a typical shielding device for analysis and comparison. The area of ？？the shielding device where the electric field strength is concentrated is optimized to reduce the maximum electric field strength of the shielding device. Through simulation analysis， the optimized design was carried out， several typical structures were analyzed and compared， and the recommended structure of ±1100kV shielding device was determined. The optimized shielding device has been prototyped and tested to determine the structure of a typical shielding device for a ±1100kV UHV converter station. The research of this project has guiding significance for the design of ±1100kV UHV DC engineering shielding device， and is of great significance for promoting the progress and development of UHV DC transmission technology.

【Key words】UHV DC; Shielding device; Simulation analysis; DC fittings

0 前言

在±1100kV 直流工程中，直流电压由±800kV提升到±1100kV，相应极线操作冲击耐受电压也由1600kV 提升至2100kV。由于输电电压的提高，给设计带来了更大的难度。直流场设备±800kV工程中均位于户外，受安装环境的影响，多采用环形均压装置，但对于±1100kV工程来说，极线上的电压非常高，局部电场强度达到深度饱和状态，为了提高设备的耐压强度，极线设备采用户内安装。对于直流场极线区域的设备，例如±1100kV隔离开关，平波电抗器、PLC电抗器等设备，由于顶部尺寸过大，采用上、下环结构不能把顶部高压导体完全屏蔽在均压装置之内，极易产生放电现象，必须重新设计。同时直流滤波电容器由户外移至户内，均压装置也需要进一步优化，以满足±1100kV的需要。对于阀厅内的设备，接地开关静触头安装位置位于支柱绝缘子开洞附近，由于该区域为电场强度集中区域，对于±1100kV来说，该位置极易发生放电现象，因此接地开关静触头金具也需要重新设计。对于支柱绝缘子和悬吊绝缘子球类屏蔽金具来说，在±800kV换流站阀厅中部分均压装置直径已达到1800mm，±1100kV均压装置尺寸将会有较大增加。均压装置尺寸增大，结构更加复杂，加工难度也随之增大，加工精度和表面质量都难以保证。所以，不能简单通过放大均压装置尺寸来满足±1100kV工程的要求，必须要对金具外形进行优化设计，例如从单一球结构变化为复杂的空间曲面结构，以降低均压装置的表面场强。随着电压的升高、安装环境以及布置方式的改变，需要对部分均压装置进行重新设计。

1 概念设计

针对±1100kV工程设备特点及布置，选取几种典型设备进行概念设计。

1.1 阀厅接地开关金具

对于阀厅内接地开关来说，±800kV接地开关静触头安装孔通常是根据现场安装时动触头的运动轨迹，在均压装置相应的位置进行开孔，该通常位于绝缘子安装孔附近，但是对于±1100kV来说，开孔位置接近于电场集中的区域，由于该处电场处于深度饱和状态，极易发生放电现象，所以±1100kV接地开关静触头安装孔专门进行设计，开洞远离支柱绝缘子安装孔，同时该洞进行倒角处理，大大提高该装置的耐压能力，如图1所示。

1.2 户内直流场隔离开关金具

对于户内直流场隔离开关，在±800kV工程中，采用管径250mm或300mm、环径3000mm的双环结构进行均压屏蔽。由于隔离开关高压部分尺寸较大、结构较为复杂，加之动触头需要有活动的空间，采用双环结构无法有效地把高壓部分有效地屏蔽。对于±1100kV工程，为了提高防电晕能力，拟采用蘑菇头结构，把整个高压导体包络在一个封闭的均压装置内，如图2所示。

1.3 阀厅支柱绝缘子金具

对于阀厅内管母支撑均压装置，±800kV特高压输电工程采用球形均压装置，均压装置电场强度集中的地方通常位于绝缘子安装孔的倒角区域，特别是如果该区域安装时需要开洞，将进一步恶化电场。鼓型金具、蘑菇头/环组合以及凹底形结构把底部电场集中的区域改为平板结构，相当于增大了该区域的曲率半径，有效地改善了该位置的电场分布，详细结构如图3所示。

2 仿真分析

结合概念设计，我们选取支柱绝缘子球型屏蔽罩作为典型均压装置进行研究。

根据±1100kV布置及设备图纸，建立单根±1100kV支柱绝缘子球型屏蔽罩的电场计算等效模型，其中：管母中心对地18m，对墙壁距离19m，对天花板距离20m。其模型示意如下图所示。±1100kV支柱绝缘子球型屏蔽罩的初始设计方案为直径2000mm、开孔直径d=360mm、倒角半径r=100mm的标准球形结构。绝缘子法兰根部距第一片伞的距离为450mm，法兰顶部距管母中心为650mm。绝缘子连接孔的开孔直径为d，倒角半径为r。

分别对高压侧导体加载直流电压及操作冲击电压进行计算，为便于结果对比分析，加载的直流稳态电压幅值及冲击电压峰值均为2600kV，同时，对地面加载0电位。计算屏蔽罩及绝缘子电场分布。计算结果如下图所示。

根据计算结果，操作冲击电压峰值2600kV下，支柱绝缘子球形屏蔽罩电场强度最大值为2466V/mm，出现在开孔倒角处，绝缘子护套表面电场强度最大值为1609V/mm，出现在绝缘子第一片伞根部。为了降低均压装置的最大电场区域的电场强度，需要对该区域进行优化，拟采用以下两种结果进行研究，平底形结构和凹底形结构，如图6所示。

计算模型中，开孔直径d=360mm、倒角半径r=100mm，绝缘子结构、安装位置等参数与球型屏蔽罩的计算模型相一致。

计算时，对模型高压侧各部分加载冲击电压峰值2600kV，计算结果如下图所示。

由计算结果可得，当加载冲击电压峰值2600kV时，支柱绝缘子鼓屏蔽罩表面电场强度最大值为1785V/mm，出现在屏蔽罩上、下边沿;开孔倒角处表面场强最大值为1441V/mm。支柱绝缘子凹底型屏蔽罩表面电场强度最大值为1988V/mm，出现在屏蔽罩下边沿，高于平底型屏蔽罩;开孔倒角处表面场强最大值为952V/mm，小于使用平底型屏蔽罩时的对应位置电场强度计算结果。

截取图8图中所示曲线位置的屏蔽罩表面路径上的电场强度分布计算结果，对比分析了标准球形与“鼓型”屏蔽装置表面及开孔位置的电场强度分布规律。如图 9所示。

结果表明：标准球形屏蔽装置在绝缘子倒角位置出现的场强“尖峰”，在使用鼓型屏蔽装置时已得到有效抑制。优化设计的“鼓型”结构可使屏蔽装置表面电场分布更为均匀。支柱绝缘子屏蔽装置采用“鼓型”结构时，其表面场强最大值出现于屏蔽装置外侧而非绝缘子连接孔倒角位置。

3 分析对比

在加载电压（2600kV）、开孔直径d（360mm）与倒角半径r（100mm）相同的条件下，比较±1100kV极母线支柱绝缘子配置球型、平底型、凹底型屏蔽罩时各部分电场强度计算结果，如表1所示。

从表中可以看出，配置平底型与凹底型屏蔽罩，相比于原球型屏蔽罩可有效降低开孔倒角位置的表面电场强度，屏蔽罩整体表面场强最大值已不再出现于开孔倒角位置，同时，绝缘子护套表面电场强度也有一定的降低。当屏蔽罩开孔直径d=360mm，倒角半径r=100mm时，平底型屏蔽罩表面电场强度略低于球型屏蔽罩，开孔处电场强度可降低约40%。当屏蔽罩开孔直径d=360mm，倒角半径r=100mm时，凹底型屏蔽罩表面电场强度最大值相比于原球型屏蔽罩高约7%，而开孔处电场强度可降低约60%。

4 试验验证

我们对于优化后的平底型均压罩和隔离开关蘑菇头金具进行了试制，并进行了无线电干扰试验，试验结果表明，优化后的结构具有良好的防电晕和无线电干扰性能，试件性能较同类设备均压装置有大幅提升。

5 结论

综合考虑，平底型屏蔽罩整体性能较为均衡，绝缘子配置平底型屏蔽罩后，可有效降低屏蔽装置的最大电场，同时屏蔽球表面和绝缘子表面最大值未明显增加。建议±1100kV绝缘子采用平底型屏蔽球，隔离开关采用蘑菇头型屏蔽罩。本文的研究为±1100kV特高压换流站的金具设计提供了思路和方向。

【参考文献】

[1]赵婉君.高压直流输电工程技术[M].中国电力出版社，2011.

[2]张福轩，陈东，余军，郭贤珊，乐波，付颖，王加龙.±1100kV户内直流场全域均压电极设计、仿真及优化研究[J].中国电机工程学报，2017（20）.

[3]乐波，陈东，付颖，郭贤珊，黄道春，谢一鸣.±1100kV换流站直流场金具表面电场仿真静态场等效方法[J].电网技术，2017（11）.