超特高壓閥側套管的絕緣配合與電熱場分析

隋彬，曹建軍

(二灘水電開發有限責任公司，四川 成都 610031)

1 引言

我國的水力和煤炭資源主要分布在西部，電力負荷主要在東部。西電東送是我國電力系統的主要格局。輸電容量大、距離長使已有的500kV電壓等級難以支撐，必須發展更高電壓等級的特高壓輸變電系統。特高壓±800kV級直流輸電代表著當今世界輸變電技術的最高水平，±800kV干式直流套管作為直流輸變電工程中大型電力設備換流變壓器、平波電抗器的重要組件，以及閥廳穿墻用套管，已成為制約我國特高壓直流輸電發展的瓶頸。在直流套管方面，代表世界最高技術水平的ABB公司、SIEMENS公司已具備生產±600kV換流變壓器套管、平波電抗器套管和穿墻套管的技術。其中ABB公司主要生產高壓直流油浸紙式套管;SIEMENS公司主要生產高壓直流環氧浸漬干式套管，但都技術壟斷。

高壓和特高壓換流變壓器設計制造的難點在絕緣技術，而絕緣的關鍵部位在閥側出線裝置。閥側出線裝置指閥繞組引出線與套管連接處的絕緣結構，包括均壓電極和多層紙板圍屏，它與套管密切配合，組成一個復雜的油紙絕緣系統，承受著該處嚴酷的電場應力，保障閥繞組端部出線安全引出。

換流變壓器閥側絕緣在運行中要長期承受高幅值的直流和交流工作電壓以及各種過電壓，還要承受啟動、停運和極性反轉等動態直流電壓。當換流變壓器負荷和溫度變化引起電阻率變化時，也會在絕緣中引起動態直流電氣應力。在1976年和1984年的CIGRE文件中都提出:為了考核絕緣的承受能力，換流變壓器出廠時除進行沖擊試驗外，還要進行長時直流電壓試驗和極性反轉試驗。前一試驗主要代表長期直流工作電壓的作用，后一試驗主要代表動態直流電壓的作用。兩項試驗的試驗電壓都涉及了交流電壓分量。2000年IEC提出的換流變壓器標準中增加了1h交流電壓試驗，以彌補前兩項試驗對油隙考核的不足［1］。因此，套管絕緣設計的首要目標是順利通過這3項試驗。

2 套管結構

套管有兩種結構:

圖1是HSP公司生產的±800kV GSETF/t的結構圖。

圖1 HSP公司生產的±800kV GSETF/t的結構圖

套管內絕緣設計:(7)為絕緣主體是由特殊皺紋紙在真空下浸漬環氧樹脂，同時由鋁箔逐步分層，促使主絕緣體電壓分布均勻。

換流變和套管的連接處，由于其復雜的絕緣結構使得該處的電場和熱場容易不均勻而導致產生局部放電或是擊穿。

本文重點對套管連接處電場和熱場做出分析和研究。

圖2 為ABB公司GGF套管

3 電場分布

通過ANSYS仿真得到電場分布。通過對ANSYS的二次開發［2］，對套管電場分布得到較為精確的分布。文獻［3－5］對高壓直流套管做了有限元的仿真都是簡單的考慮固定的常數或是在不同的電阻率比值下的仿真。

直流電場:根據文獻［6］，得出在直流電壓下電場分布如圖3和4，電場分布主要取決于材料的電阻率，即為阻性分布。

圖3 環氧樹脂和油的電阻率比為100的時候的電場分布圖

圖3是套管在選取環氧樹脂和油的電阻率比為100的時候的電場分布圖。

圖4是套管在選取環氧樹脂和油的電阻率比為10的時候的電場分布圖。

極性反轉電場:根據文獻［3］，得出在極性反轉下電場分布如圖5。極性反轉開始在120s內從－Upr線性反轉到+Upr并穩定一段時間。對比仿真計算結果可以看出在極性反轉試驗電壓反轉過程中，套管尾部的電場分布規律比較相似，電容芯子內導電桿附近的電場較高，電容芯子導電桿附近極板下端部電場比較集中，套管尾部均壓球附近的電場分布比較集中。其電場強度極大值點出現在均壓球包覆層上下弧面外側。

圖4 環氧樹脂和油的電阻率比為10的時候的電場分布圖

圖5 極性反轉下電場分布

4 熱場分布

熱場的分布可以同過有限元的仿真和熱電類比的方法來計算。對于熱場的有限元仿真還沒有查到相關的文獻，這里主要介紹熱電類比的方法。

其基本原理如下，若描述2個物理量的微分方程形式相同，且幾何形狀和邊界條件相似，則兩者方程的解析解和實驗解可以通用［7］。熱路和電路的物理量滿足上述3個條件，因此可以參照電路的物理量形式來描述熱路的物理量［8，9］，即熱電類比法。熱路和電路的對照關系如表1所示。

表1 熱路和電路物理量對照表

根據熱電類比原理，由U=IR可得θH=qHRH，由I=CdU/dt可得 qH=CHdθH/dt。

基爾霍夫電壓定律和基爾霍夫電流定律同樣可類比到熱路:在任何時刻，對任一閉合回路對任一結點，其中，m為閉合回路的結點數，z為與結點相連接的支路數，θHk和qHj分別為閉合回路結點k處的溫度和與結點相連的第j支路的熱流量。

圖6 熱電類比方法模型圖

圖7 套管暫態的熱分布

根據以上基本原理可以建立如圖6的熱電類比方法，通過仿真可以得出暫態的熱分布，結果如圖7。但是其中的時間常數難準確的得到。文獻［10］提出了穩態的套管熱分布的計算方法，給出了熱阻的計算方法，文獻［11］提出了套管瞬態的熱分布情況，加入了熱容的概念，沒有提出參數的具體算法，仿真出了瞬態的熱分布情況。

5 熱電耦合

由于套管芯子在電場的作用下發熱致使套管熱場發生變化，電介質的電阻率又和溫度有關系致使電阻改變，電阻的改變致使電場改變，導致一系列的變化。

為了得到溫度對電場的影響，有許多文獻是在不同的溫度下計算出電阻率再進行電場分布的計算或是仿真，沒有點對點的對整個流程就行分析。

文獻［10］提出了電熱耦合的解析解，其主要方程為:

得出溫度的大致分布如圖8。

圖8 某時間點的溫度分布

圖8得到的溫度分布只是某個時間點的溫度分布情況，沒有在一個時間段里對其分布做出分析。

文獻［2］提出通過對ANSYS的二次開發，根據電場、溫度和電導率的關系對各個單元的電場進行賦值這樣可以比較準確的得到套管的電場數值解。但目前還沒有相關的對熱場的分布的仿真。為此可以對套管的瞬態熱場分布進行仿真，并與文獻［11］得到的結論進行對比。

6 結論

本文對閥側套管的結構進行了簡單的介紹，分別給出了HSP和ABB公司生產的適用于±800kV換流變的閥側套管結構圖。對直流電壓和極性反轉下電場的分布做了分析。最后簡述了國內外對套管熱場分布的研究情況，確立可以在ANSYS的基礎上對套管進行有限元電熱耦合分析，并分析電熱場最后提供使得套管的絕緣配合到達最佳的效果的理論依據。

［1］IEC 61378－2 Converter Transformers－2:Transformers for HVDC applications［S］，2001.

［2］羅隆福.高壓直流穿墻套管非線性電場的求解［J］.高電壓技術，2002(5):3－5.

［3］劉鵬.極性反轉試驗中，±800kV換流變壓器套管尾部的電場分布研究［J］.電瓷避雷器，2009(3):1－8.

［4］張瑞峰，劉云鵬，邵士雯.+800kV特高壓直流復合絕緣子電場有限元分析［J］.華東電力，2011(7):1116－1119.

［5］江汛.復合高壓套管的電場計算和分析［J］.高電壓技術，2004(3):17－19.

［6］Peng Liu，Electric Field Calculation and Structural Optimization of ±800kV Converting Transformer Bushing Outlet Terminal［C］.8th International Conference on Properties and applications of Dielectric Materials，2006:840－843.

［7］劉鑒民.傳熱傳質原理及其在電力科技中的應用分析［M］.北京:中國電力出版社，2006.

［8］SWIFT G W，MOLINSKI T S，LEHN W.A Fundamental Approach to Transformer Thermal Modeling-Part I:Theory and Equivalent Circuit［J］.IEEE Transactions on Power Delivery，2001，16(2):171－175.

［9］SWIFT G W，MOLINSKI T S，BRAY R，et al.A Fundamental Approach to Transformer Thermal Modeling-Part II:Field Verification［J］.IEEE Transactions on Power Delivery，2001，16(2):176－180.

［10］Jyothi，N S，Ramu，T S，Mandlik，M.Temperature Distribution in Resin Impregnated Paper Insulation for Transformer Bushings［J］.IEEE Transactions on Dielectric s and Electrical Insulation，2010，8(6):931－938.

［11］Shibao Zhang.Evaluation of Thermal Transient and Overload Capability of High-Voltage Bushings With ATP［J］.IEEE Transactions on Power Delivery，2009，24(3):1295－1301.