基于数值仿真的换流变阀侧出线装置绝缘性能验证系统研发

张陵 许广虎 何长根 金铭 吴标 姜杏辉

摘  要：研发了一种基于数值仿真的换流变阀侧出线装置绝缘性能验证系统，由油箱、升高座、套管、出线装置尾端均压球等部分组成。其中独立实验装置以交流百万伏均压球、均压管设计为原型，通过仿真计算，设计出适合特高压阀出线装置试验的整体结构方案。研发特高压换流变阀出线装置的独立试验装置，有助于单独检验阀出线装置的绝缘性能，也助于推进关键组件的国产化研制进程，提升企业的科技创新能力。

关键词：特高压换流变压器  数值仿真  绝缘性能  独立实验装置

中图分类号：TM401.2                         文献标识码：A                    文章编号：1674-098X（2021）02（a）-0035-05

Development of insulation performance verification system for converter valve side outlet device based on                              numerical simulation

ZHANG Ling1  XU Guanghu2  HE Changgen1  JIN Ming2  WU Biao2  JIANG Xinhui3*

（1.State Grid Xinjiang Electric Power Co.， Ltd.， Urumqi， Xinjiang Uygur Autonomous Region， 830002 China2.Electric Power Science Research Institute State Grid Xinjiang Electric Power Co.， Ltd. ， Urumqi， Xinjiang Uygur Autonomous Region， 830002 China3.Huadian Electric Power Technology Research Institute， Wenzheng college， Suzhou University， Suzhou， Jiangsu Province，215104 China）

Abstract： A verification system for the insulation performance of the outlet device on the converter valve side based on numerical simulation has been developed， which is composed of a fuel tank， a riser， a casing， and a pressure equalizing ball at the end of the outlet device.  Among them， the independent experimental device is based on the design of AC million volt equalizing ball and equalizing pipe. Through simulation calculation， an overall structure scheme suitable for the test of the UHV valve outlet device is designed.The research and development of an independent test device for the outlet device of the UHV converter variable valve helps to independently test the insulation performance of the outlet device of the valve. It also helps to promote the localization of key components and enhance the company's technological innovation capabilities.

Key Words： UHV converter transformer; Numerical simulation; Insulation performance; Independent experimental device

無论整流站还是逆变站，换流变都是必不可少的核心设备，起着电气连接换流阀与交流系统的功能，并为换流阀提供换相电压[1]。换流变压器中的阀侧组部件在运行中要长期承受高幅值的交直流叠加的工作电压、高次谐波以及各种过电压，还要承受启动、停运和极性反转等动态直流电压，对其阀侧绝缘结构的绝缘性能具有极高的要求。出线装置是连接换流变压器本体与高压套管的关键组部件，由油+纸板（围屏）层级结构构成，对于换流变压器其阀侧出线装置电场分布在交流电压下由材料介电常数决定，在直流电压下由材料的电导率决定，在反转电压下考虑结构的暂态特性和稳态特性，所以换流变压器阀侧出线装置的绝缘技术被视为换流变压器核心技术。

目前国内外各生产厂商关于换流变压器裕度设计均基于仿真计算，即基于某绝缘结构模型、给定各材料电导率、介电常数模型边界条件，通过有限元计算方法求解模型在交流、直流、极性反转电压下的电场分布，并考核关键部位的电场强度，沿面爬电电场强度，国内外尚无在实际出线装置上开展绝缘裕度试验先例。由于特高压电压等级下出线装置绝缘结构的特殊性、工艺控制的复杂性，出线装置质量管控难度较大[2]，目前世界上也没有任何试验设备可以脱离主机独立的对特高压换流变阀侧出线装置进行试验。这就造成了出线装置的质量风险难以完全受控，一旦出线装置出现问题将带来不可挽回的巨额损失[3]，所以对于特高压换流变压器的核心部件套管及出线装置独立进行装配前的试验尤为重要。

1  绝缘性能验证系统方案设计

1.1 系统功能

在绝缘性能验证系统中对阀侧套管及出线装置独立进行阀侧交流外施耐压、直流外施耐压等试验，可提前对阀侧套管及阀侧出线装置的安全可靠性进行验证，可实现对阀侧套管及出线装置独立考核，保证阀侧套管及出线装置电气性能的可靠，降低由于阀侧套管及出线装置质量问题带来的风险。

1.2 主要性能要求

（1）电气性能。

特高压换流变压器的重量大于500t，其出线装置在长期的运行工况中，既要耐受各种可能发生的过电压作用，又要承受长期交流工频电压的作用，还要经受直流及极性反转电压的作用，而出线装置这些电气性能的检验，主要依靠各种过电压试验来保证[4]。

针对特高压换流变阀侧出线装置的绝缘性能，研发一款全新的国产化独立试验装置，对其进行1h交流长时外施1297kV电压的试验考核，已检验有无局放产生，然后再对阀出线装置进行整体其它绝缘试验，确保出线装置电气性能的可靠性。

（2）机械性能。

独立试验装置的开发必须考虑运输过程中的颠簸以及其它冲击的状态下，有足够的机械强度，并要求满足以下条件：

（1）均压球、均压管不产生机械变形;

（2）均压球、均压管外糊绝缘层不产生裂纹、缝隙;

（3）绝缘筒支撑件不倾斜、位移、脱落;

（4）绝缘筒不產生裂纹、缝隙、位移，粘接部位不开裂。

1.3 设计方案

在长时工频耐压试验中，为了不对换流变压器其它组部件造成损坏，单独对出线装置进行试验，设计制造了一套特高压出线装置独立试验系统。该系统由油箱、升高座、套管、出线装置尾端均压球等部分组成，独立试验系统内部结构如图1所示。

2  基于数值仿真的阀侧出线实验装置可靠性评估及基础研究

有限元法是一有着广泛用和坚实理论基础的数值计算方法，它在工程领域发挥重要作用，常常用于新产品的研发和复杂工程技术问题的解决[5-6]。模型中各部分所涉及的绝缘材料主要有变压器油、纸浆、成型件，所使用的绝缘材料属性如表1所示。由于特高压绝缘装置使用多层成型件分割油隙，每层成型件间可近似为均匀电场，根据屏障间油隙的试验数据，将1h外施工频耐压、雷电全波冲击耐压、雷电载波冲击耐压、操作冲击耐压折算为1min外施工频耐压。折算完后最大值为1488.7kV，仿真时取1500kV。在外施工频电压下，处于不同电位的导体间的电位差随时间的变化缓慢，可以将短时工频耐压下的电场近似为静电场。

根据电场仿真计算结果，最大场强位置处电力线上电位分布情况如图2所示，场强分布情况如图3所示。

由于电压不能跃变，所以图2的电位分布曲线是一条连续的曲线，而交流下的场强分布与介电常数成反比，所以图3的场强分布曲线在每个成型件的位置都会有一个跃变。采样及安全裕度校核结果如表2所示。

由表2可以看出，油中最大场强为6.57kV/mm，第二、三层油隙有最小安全系数分别为1.20和1.22，最大场强和最小安全系数均满足设计裕度要求。

3  换流变阀侧出线装置绝缘性能验证系统制造

由于该试验装置整体场强较高，须完全控制试验装置各部位均无缺陷，才能保证产品的质量。绝缘件制造厂的制造能力、技术水平成为生产制造时的重点管控点。

3.1 生产流程

独立试验装置的制造分为模具结构设计、原材料的选择与加工、单个零部件制造、零部件组装四个步骤。

模具结构设计：模具的设计既要保证产品的尺寸，又要符合湿法成型工艺。结构的合理性直接关系到试验装置上绝缘零部件的质量，从而影响整个试验装置的质量。

原材料的选择与加工：原材料选用电子级100%未漂硫酸盐针叶木浆。在湿纸制造过程中，采用特定的浆种配比、大回流串联磨浆工艺、多级浆料净化工艺、工艺用水的去离子处理等措施，保证纸板湿纸和湿法成型原料的质量符合特高压出线装置制造的要求。

零部件制造：独立的试验装置是由成型件和机加工件组成的，均压球为曲面成型结构件，为此设计制造了专用金属模具，并使用材质均匀的紫铜板拉伸拼装焊接成型。制作成型的均压球内外表面抛光，使其满足产品所需的电气性能要求。

零部件组装：以上零部件在制作完成后需放置在恒温恒湿房内静置，在所有零部件水分均衡的情况下。需要独立的二次无尘房内根据图纸要求逐层装配，在装配过程中除需进行常规的尺寸核验，更为重要的是每层需要进行X光的拍摄。

3.2 制造工艺特点

特高压绝缘成型件分为三大类：机加工成型件、模压成型件、湿法成型件。国内几大家绝缘制造龙头企业依托自身的制造经验、设备能力、研发能力找出了限制国内绝缘成型件的关键因素：（1）湿法成型件厚度的控制、R角开裂、变形的因素直接影响着产品的电气性能。（2）层压机加工成型件使用的粘结剂极大的影响了绝缘材料的整体性能。（3）模压成型件的DP值直接影响产品的电气性能。

传统的湿法成型件原材料湿纸通过普通湿抄工艺获得，该工艺存在的缺陷是由于纸纤维排列方向一致，在制作成型件时R角部位由于干燥收缩因素有易开裂的风险。本项目湿纸是通过低密柔性纸生产工艺制造，成品湿纸由于内部纤维存在互锁形态故具有层间粘合力强，可塑性更高的优点。

湿法成型件形状特殊，必须设计压力模型来保证湿法成型件在脱水工序表面受到相同的压力。通过在正压密封容器内物体任何部位受到压力恒定的原理，我们自主设计了正压湿法成型件脱水工装模型，使用该模型保证了产品各个部位密度的一致性。

本文运用了自行研发的新型混合型低温粘结剂，在满足电气性能的同时兼顾粘结剂粘结后产品的机械性能。我们自主研发了自带胶水补给、上胶量控制、单板清洁、胶水清洁多功能一体的自动涂胶设备，通过设备保证层压绝缘制品每层间上胶量完全一致。在涂胶后热压的工艺线路上增加养生工艺，留有足够的养身周期使胶水完全渗入纸板层内。大大提升了热压制品的机械性能。热压工艺上采用了电脑自动控制分多阶段在整个热压过程中分别设置升温-缓压-保温-释放不同的工艺参数。精确控制酚醛液态胶水的热固工艺执行，大大降低了层压制品开裂的风险。

此外还引进了DP测试设备，通过产品在不同温度、不同时间下DP值的波动规律制定了成熟的工藝规范，同时配合自动温控、时控压机避免了由于人为操作不当导致的成型件质量波动。

4  结语

本文通过特高压换流变压器阀出线装置独立试验装置国产化的研制研究，设计制造特了高压出线装置独立试验装置，其电气性能和生产制造工艺完全符合满足设计需求，最终研制的独立试验装置连同特高压阀出线装置一次性通过1小时外施工频耐压试验考核，充分说明了国产化独立试验装置生产研制完全可行、可靠。

参考文献

[1] 杨雪飞，孙上元.换流变阀侧套管故障原因分析与处理[J].电工技术，2020（3）：112-113.

[2] 曹燕明，武炬臻，樊纪超，等.均压球长油隙绝缘计算与试验研究[J].变压器，2019，56（10）：65-68.

[3] 武炬臻，李洪，曹燕明，等.直线型纸筒结构阀出线装置的绝缘优化与试验研究[J].变压器，2019，56（12）：40-43.

[4] Zhang L， Shuai Y， Han X， Yang C， Hu X， Wu H. Valve side lead exit insulation design used in ±800 UHV converter transformer[C]， International Conference on Condition Monitoring and Diagnosis， 2016：452-455.

[5] 谭黎军，俞英中，曹燕明，等.基于有限元法的绝缘装置介电强度校核[J].变压器，2019，56（10）：15-19.

[6] Thomas H R， Zhou Z. Minimum time-step size for diffusion problem in FEM analysis[J]. International Journal for Numerical Methods in Engineering， 2015， 40（20）：3865-3880.