支柱绝缘子对交流滤波器断路器电场分布的影响研究

李歆蔚 黄杨珏 谭令其

支柱绝缘子对交流滤波器断路器电场分布的影响研究

李歆蔚 黄杨珏 谭令其

（广东省电力装备可靠性企业重点实验室（广东电网有限责任公司电力科学研究院），广州 510080）

交流滤波器断路器是特高压直流输电系统交流滤波器场的重要组成部分，是系统无功功率变化时保证交流滤波器可靠频繁投切的重要电气设备。近年来，±800kV换流站内屡次出现交流滤波器断路器在投切过程中发生击穿及爆裂的现象，严重威胁着直流输电系统的安全稳定运行。为分析其原因，本文基于PSCAD/EMTDC搭建某±800kV直流输电系统及交流滤波器断路器电磁暂态仿真模型，结合在运交流滤波器断路器的外绝缘分布特征，仿真分析交流滤波器断路器双断口电压特征；根据交流滤波器断路器灭弧室的内部结构和参数，搭建了Ansys有限元仿真模型，仿真计算了灭弧室内电场强度分布。

换流站；交流滤波器断路器；绝缘支柱；PSCAD/EMTDC；有限元

0 引言

近年来，随着特高压直流输电工程的兴起和发展，国内逐步完成了高压远距离电能输送的任务，实现了“西电东送”的跨区域合理分配，带来了巨大的国民经济效益[1-2]。交流滤波器（AC filter, ACF）断路器的主要功能在于投切交流滤波器，满足系统无功需求。由于其一端连接交流母线，另一端连接交流滤波器，切断容性负载后承受交直流混合叠加电压[3]，且开断频繁，因此常常出现内外绝缘击穿事故[4-7]。据统计，某些换流站内屡次出现了交流滤波器断路器闪络击穿引起爆炸的事故，严重威胁着换流站的安全稳定运行[8]。分析其原因，除了可能由于灭弧室内绝缘裕度较低，或电弧灼烧后的金属微粒引起电场强度畸变，断路器外绝缘污秽分布不均导致双断口不均匀分压也是一项重要原因，因此有必要针对外绝缘染污分布不均对内绝缘电场强度分布的影响展开深入分析。

国内已有一些学者对断路器的绝缘性能做出了研究。文献[9]仿真计算了交流母线单相或三相故障后交流滤波器断路器投切产生的最大容性恢复电压，计算了暂态恢复电压和容性开断电流值，总结出了恢复电压的估值公式。文献[10]根据事故详细报告全面总结归纳出了四类典型内外绝缘故障原因，并对瓷柱式断路器提出了绝缘改进方向。文献[11]分析了一起滤波器故障的录波和保护动作，找出了交流滤波器断路器的外瓷套闪络原因为极端天气和染污。文献[12]在直流系统简化为理想电压源的基础上搭建了交流滤波器仿真模型，计算分析了交流滤波器断路器两个断口并联电阻取值相等和不相等情况对暂态恢复电压的影响，但没有考虑支柱绝缘子等效电阻对电压分布的影响。综上，目前国内对交流滤波器断路器的研究主要集中在开断后几微秒至几毫秒的恢复电压研究上，缺乏对交流滤波器断路器外瓷套染污不均引起的击穿问题的内外绝缘综合研究。由于断路器灭弧室击穿事故多发生在电流过零点后的几毫秒内，需要分析该时段内灭弧室的电压与电场强度情况。

基于上述分析，本文根据实际参数利用PSCAD/ EMTDC仿真软件搭建±800kV直流系统模型及完整交流滤波器电磁暂态计算模型，分析交流滤波器断路器的外绝缘染污试验结果，并计算交流滤波器断路器开断后双断口电压分布。以断口电压为边界条件，根据灭弧室有限元仿真模型计算灭弧室内电场强度分布，对交流滤波器断路器的绝缘强度进行由外至内的综合分析。

1 仿真模型建立

1.1 直流系统仿真模型

某±800kV特高压直流输电工程额定输送功率5 000MW，额定直流电流3.125kA，额定触发角为15°。直流线路全长1 451km，导线型号为LBGJ—180—20AC，直流电阻0.709 8W/km。两端换流变压器均采用单相双绕组布置，其中逆变站侧单台容量250MV·A，短路阻抗18%。整流站和逆变站交流母线最高运行电压550kV，文中采用交流侧相电压计算基准值为449kV。

以逆变站交流滤波器场断路器为研究对象，共有四大组交流滤波器接于交流母线上，大组交流滤波器里包括A型、B型、C型三种类型小组交流滤波器，交流滤波器断路器根据系统下发的无功功率调节指令，保证每一小组交流滤波器的独立通断。受端换流站交流滤波器元件参数及组数见表1。

表1 受端换流站交流滤波器元件参数及组数

逆变站交流母线电气主接线如图1所示。

图1 逆变站交流母线电气主接线

1.2 交流滤波器断路器仿真模型

为了保证交流滤波器断路器双断口的动态电压分布计算的准确性，需要建立详细的直流系统模型和断路器等效模型。

1）断路器外绝缘仿真模型

以7号母线某一小组交流滤波器断路器为例，建立的断路器外绝缘等效仿真模型如图2所示。

图2 断路器外绝缘等效仿真模型

图2中，1和2为断口均压电容，容值2 000pF。1、2、0分别为断路器交流母线侧、滤波器侧断口及支柱绝缘子的表面等效电阻，设计值为20GW。

2）断路器内绝缘仿真模型

考虑到本文的研究对象交流滤波器断路器由多种介质组成，且介质间形状不规则，本文采用有限元法计算灭弧室内部电场强度[13]。在有限元软件中建立灭弧室三维仿真模型如图3所示，主要参数见表2。

图3 灭弧室三维仿真模型

表2 断路器建模主要参数

断路器的主要绝缘介质有弧触头的聚四氟乙烯喷口、瓷套和SF6气体，各材料的相对介电常数r分别取2.5、6和1。

2 交流滤波器断路器外绝缘电阻测量试验

交流滤波器断路器事故发生后，运行人员对故障断路器进行了泄漏电流检测试验，试验将直流高压施加于连接断口及支柱绝缘子的三联箱位置，用微安表测量由瓷套表面污秽导电粒子定向移动形成的泄漏电流。断口的电气特性可用等效电阻来代替，泄漏电流与施加直流电压成正比例关系。将电压升至250kV持续1min待泄漏电流稳定后记录泄漏电流，整理试验结果见表3。

表3 断路器各部件全泄漏电流检测值

由表3可知，断路器支柱绝缘子的表面泄漏电流远大于断口泄漏电流。由双断口瓷柱式断路器的结构可知，垂直布置的支柱绝缘子比水平放置的断口外瓷套更易积污，交流滤波器断路器在开断后承受交直流混合电压，单一断口可能会承担分压不均带来的击穿风险。

交流滤波器断路器在开断过程中承受交直流混合叠加电压，断口并联电容平衡两断口交流电压，而直流电压的分布与外绝缘表面绝缘情况密切相 关[14-15]。在实际运行中，雨水、污秽导致断路器表面容易出现局部电弧，断路器表面绝缘电阻急剧下降。人工污秽试验结果表明，断口表面电阻在湿润、污秽的条件下会下降至兆欧级。

根据试验结果，采用叠加法对断路器双断口的交直流混合电压进行理论分析。考虑灭弧室两端均压电容的设置，双断口灭弧室交流电压能在不均匀系数为1.05的条件下大致相等，而直流电压受双断口和绝缘支柱外瓷套表面等效电阻的影响，断路器等效电路如图4所示。

图4 断路器等效电路

图4中，1、2、0分别为交流母线侧断口、滤波器侧断口、支柱绝缘子表面等效电阻，(0)为断路器开断后瞬间滤波器高压端电压，其值取交流系统运行最高线电压有效值550kV。考虑在电压峰值时刻开断的最严苛工况，根据简化电路及叠加定理可推导出滤波器侧断口电压为

3 仿真结果分析

3.1 断口电压计算

交流滤波器断路器事故中表现为灭弧室爆裂，需根据仿真模型计算断口电压。A型、B型及C型滤波器对系统的无功补偿量相等，但考虑到元件参数不同，对相同外绝缘条件下开断三种滤波器进行了仿真计算，计算结果见表4。

表4 开断A型、B型、C型滤波器断口电压计算结果

由表4可知，A、B、C型小组滤波器断路器开断后电压差异不明显。因此下面以A型小组滤波器断路器为例分析支柱绝缘子外绝缘电阻的影响。

参照外绝缘试验结果，断口表面电阻和支柱绝缘子电阻在雨天污秽的条件下下降至兆欧级，仿真支柱绝缘子表面电阻0从10MW～1GW变化的各个工况，以0分别为80MW和10MW为例，小组滤波器的断口电压分布如图5所示。

由图5可知，当绝缘支柱等效电阻0为10MW时，断口稳态电压为579kV，比阻值为80MW的断口稳态电压483kV升高了19.9%。由于断口电阻为MW级，断口并联电容及滤波器主电容构成的回路放电时间常数为s级，因此断口电压迅速过渡到稳态。同时由于绝缘支柱电阻的作用，双断口电压分离，滤波器侧断口稳态电压要高于母线侧断口电压。

根据GB/T 11022—2011，550kV交流断路器断口额定短时工频耐受电压有效值为680kV。而仿真结果表明断路器在初次开断后10ms断口电压峰值达到500kV，稳态电压最大值为579kV，未超过标准值。因此，断路器内部灭弧室绝缘裕度不足很有可能是导致事故频发的直接原因。

3.2 断路器灭弧室内绝缘强度

由于断路器事故多发生在电流开断后5～10ms内，且常以灭弧室爆炸的形式产生，此时动触头处于分闸运动状态，需要对灭弧室内电场分布进行计算分析，判断电场强度最大值否满足要求。以滤波器侧断口为仿真研究对象，支柱绝缘电阻为10MW时，计算断路器开断后5～10ms内灭弧室电场强度变化如图6所示。

以开断8ms时刻为例，灭弧室电场强度云图和等位线分布如图7所示。

由图7可知，灭弧室内最大电场强度出现在静弧触头表面，最大值为21.4kV/mm。文献[16-17]提出SF6气体中不均匀系数＜5时可认为属于稍不均匀场，尽管此时断路器断口间处于交直流电压叠加的工况。但电压变化频率仍为工频50Hz，故采用工频交流频率下稍不均匀场中的SF6气体工程击穿电场强度公式评估灭弧室内部绝缘裕度，即

图6 断路器开断后5～10ms内灭弧室电场强度变化

图7 开断8ms时刻断路器电场分布云图和等位线分布

式中：为击穿电场强度（kV/mm）；为SF6气体绝对压力（MPa）。

根据式（2）可知，SF6气体在0.6MPa气体压力下的击穿电场强度为26.9kV/mm。峰值电压下对应的灭弧室内最大电场强度为21.4kV/mm，绝缘裕度不足20%。若在恶劣条件下，支柱绝缘电阻进一步下降，或是灭弧室内存在金属微粒等缺陷，极易导致灭弧室内电场畸变[18]，进而引发断口击穿，因此该裕度是远远不够的。实际运行中应加强交流滤波断路器支柱绝缘子的巡视、清理工作或采取断口并联电阻等均压措施来避免滤波器侧断口开断后承受过高的交直流混合电压。

4 结论

本文根据某直流工程交流滤波器断路器及直流系统参数建立了断口电压仿真计算模型，并建立了灭弧室三维有限元电场强度计算模型，根据仿真计算结果得出的主要结论如下：

1）在染污严重情况下，支柱绝缘子等效绝缘电阻可降至兆欧级。在支柱绝缘子等效绝缘电阻为10MW～1GW的范围内，交直流混合电压及支柱绝缘子表面染污共同导致滤波器侧断口电压比母线侧断口电压更高。

2）550kV交流滤波器断路器开断后，断口电压升高，但断口短时耐受电压并未超过标准规定值。

3）在交流滤波器断路器开断后5～10ms内，灭弧室内电场强度最大值出现在静弧触头表面，未超过电场强度击穿值，然而在支柱绝缘子表面等效电阻为兆欧级时，绝缘裕度不超过20%，绝缘裕度不足可能是引起断路器击穿的原因。

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Influence of post insulators on electric field distribution of AC filter circuit breakers

LI Xinwei HUANG Yangjue TAN Lingqi

(Guangdong Key Laboratory of Power Equipment Reliability Enterprises (Electric Power Research Institute of Guangdong Power Grid Corporation), Guangzhou 510080)

The AC filter circuit breaker is an important part of the AC filter field of the high-voltage DC transmission system, and it is an important electrical equipment that ensures the frequent switching of the AC filter caused by the system reactive power change. In recent years, there have been repeated occurrences of breakdown and bursting of AC filter circuit breakers in the switching process of ±800kV converter stations, which seriously threatens the safe and stable operation of the DC transmission system. In order to analyze the reasons, this paper builds a ±800kV DC transmission system and an AC filter circuit breaker electromagnetic transient simulation model based on PSCAD/EMTDC. Combined with the distribution characteristics of the external insulation of the AC filter circuit breaker in operation, the single-break voltage characteristics of the AC filter circuit breaker are simulated and analyzed. Based on the internal structure and parameters of the AC filter circuit breaker arc extinguishing chamber, an Ansys finite element simulation model is built, and the electric field strength distribution in the arc extinguishing chamber is simulated and calculated.

converter station; AC filter circuit breaker; insulation pillar; PSCAD/EMTDC; finite element

南方电网公司科技项目（GDKJXM20180128）

2020-09-25

2020-12-21

李歆蔚（1994—），女，湖北荆门人，硕士，主要从事直流输电技术方面的研究工作。