浮子型漏水檢測裝置電場分布優化研究

姚 舒，婁彥濤，王江平，王文奇，梁曉文

(中國西電電氣股份有限公司 西電電力系統有限公司，西安 710075)

換流閥作為特高壓直流輸電的核心設備，是實現交直流電轉換的核心功能單元，具有技術難度高、集成度大、跨學科領域多、可靠性要求高等技術特點[1]。

隨著換流閥工程電壓等級和輸送容量的升高，換流閥損耗增大，冷卻容量也隨之增大，對換流閥漏水檢測的可靠性要求也越來越高[2]。漏水檢測裝置是檢測特高壓直流輸電換流閥冷卻回路管道是否漏水的重要設備，換流閥常用的漏水檢測包括兩種：浮子型漏水檢測和棱鏡式漏水檢測。相比棱鏡式漏水檢測，浮子型漏水檢測結構簡單、安全性高。隨著換流閥電壓等級的升高，漏水檢測裝置的結構會嚴重影響到換流閥的電場分布，而電場分布的均勻性會直接影響到換流閥的正常運行[3]。本文主要研究浮子型漏水檢測結構對換流閥電場分布的影響并對其進行優化設計，利用ANSYS仿真軟件對其進行仿真計算，優化后的漏水檢測裝置已通過絕緣型式試驗驗證并應用于工程。

1 電場計算原理

1.1 理論方程

在正常工況下，換流閥周圍的工頻電場是準靜電場，可以近似作為靜電場處理，這些電場的所有場量都不隨時間變化，只是空間坐標的函數[1]，因而麥克斯韋方程可簡化為：

×E=0

(1)

×D=ρ

(2)

由方程(1)可知：E=-φ，且D=εE，代入式(2)，則為

·εφ=-ρ

在場域無點電荷分布時，ρ=0，此時靜電場的基本方程為：

×εφ=0

(3)

1.2 ANSYS有限元法

有限元分析(Finite Element Analysis，FEA)利用數學近似的方法對真實物理體系(幾何和載荷工況)進行模擬，即將求解域看成是由許多稱為有限元的小的互連子域組成，對每一單元假定一個合適的(較簡單的)近似解，然后推導求解這個域總的滿足條件(如結構的平衡條件)，從而得到問題的解，用有限數量的未知量去逼近未知量的真實系統。

ANSYS軟件是ANSYS公司研制的一款通用有限元分析(FEA)軟件，能夠將結構、流體、電場、磁場、聲場融合為一體，本文將采用ANSYS有限元分析軟件對換流閥底屏蔽電場進行仿真計算。

2 換流閥底屏蔽模型

換流閥的屏蔽裝置主要由三部分組成：頂屏蔽、層屏蔽和底屏蔽。對于換流閥屏蔽所關心的是電場強度最大值的分布情況，增加漏水檢測裝置后僅對底屏蔽的電場分布產生影響，為了簡化模型，減少計算量，故只對換流閥底屏蔽進行建模。閥塔漏水檢測裝置位于換流閥底屏蔽的中心位置，如圖1所示，用以檢測換流閥塔管道是否漏水，當底屏蔽積水達到一定程度，漏水檢測裝置就會啟動，發出報警信號。

圖1 底屏蔽模型

圖2 浮子型漏水檢測裝置模型

浮子型漏水檢測裝置主要由三部分組成：浮子、集水裝置和蘑菇頭屏蔽，如圖2所示。蘑菇頭屏蔽用以改善由集水裝置引起的電場變化。

3 邊界條件設置

建立模型后，選擇ANSYS Maxwell中的靜電場進行仿真計算；建立空氣罩作為邊界，空氣罩大小按照±800kV換流閥閥廳底屏蔽對地、對墻的距離進行設置，即距地距離為8米，距離周圍墻壁7米；施加最大直流耐壓試驗值為1306kV；利用自適應網格劃分，網格剖分結果如圖3所示。

圖3 網格剖分結果

4 換流閥底屏蔽絕緣型式試驗下的電場仿真

4.1 電場計算分析

電場仿真過程中，換流閥屏蔽施加的邊界條件都是絕緣型式試驗中的最大值[4]，目的是檢驗在最苛刻的運行條件下換流閥屏蔽的電壓耐受能力，目前對于換流閥表面電場控制值沒有統一標準。文獻[5]在設計1100kV交流線路復合絕緣子均壓環時，選取2.2MV/m作為表面電場的控制值；文獻[6]在800kV特高壓直流線路復合絕緣子均壓環結構的優化研究中，選取2MV/m作為表面電場的控制值；文獻[7]在進行高壓直流換流閥廳內電場分布計算時，選取3.0MV/m作為表面電場的控制值。綜上所述，根據多年的工程經驗及參考文獻，本文選取2000kV/m作為換流閥屏蔽表面電場強度的控制值。

圖4 仿真計算精度

MVU直流耐壓試驗中，高壓端底屏蔽承受最大電壓為1306kV，所以在仿真計算中底屏蔽施加電壓為1306kV。圖4為計算精度結果，系統默認計算迭代數為10。從圖中可知，迭代計算6次后已經達到穩定值，剖分網格數約為48.8萬，系統設置的Energy Error和Delta Energy目標值為1%，迭代6次后該值達到0.38%、0.33%，遠小于目標值，說明計算結果的精度滿足要求。

圖5為不帶漏水檢測裝置的底屏蔽對地電場分布云圖，其最大電場強度值為1380kV/m；圖6為增加漏水檢測裝置后底屏蔽對地電場分布云圖，其最大電場強度值為1890kV/m，最大值出現在漏水檢測裝置蘑菇頭屏蔽上。很顯然，增加漏水檢測裝置底屏蔽的電場強度明顯增大，雖然降低了換流閥漏水概率，但是電場強度已接近控制值2000kV/m，增大了屏蔽出現電暈放電的風險，所以必須對漏水檢測裝置進行改進。

圖5 不帶漏水檢測裝置底屏蔽電場分布云圖

圖6 帶漏水檢測裝置底屏蔽電場分布云圖

為了改善底屏蔽電場分布，保證換流閥的絕緣性能和安全運行，對浮子型漏水檢測裝置結構進行優化。由仿真計算結果可知，電場強度最大值出現在漏水檢測裝置蘑菇頭屏蔽上，為了研究蘑菇頭屏蔽的曲率半徑對電場分布的影響，分別計算了漏水檢測裝置的蘑菇頭屏蔽曲率半徑為25mm、30mm、35mm、40mm時該處的電場分布情況，如表1所示。

表1 不同曲率半徑下的蘑菇頭屏蔽表面電場強度值

由表1可知，隨著曲率半徑的增大，蘑菇頭屏蔽的電場強度值隨之減小。由此可知，電場強度值與曲率半徑大小成反比，曲率半徑越大，電場強度越小。因此為了改善蘑菇頭屏蔽的電場分布，本文將該處的曲率半徑設計為40mm。

圖7 優化后帶漏水檢測裝置底屏蔽電場分布云圖

圖7為優化后該處的電場分布云圖。由表1、圖7可知，優化后的電場強度值為1670kV/m，即當曲率半徑由25mm增加到40mm時，漏水檢測裝置的電場強度從1890kV/m減小到1670kV/m，比原模型減小11.6%，在提高漏水檢測裝置可靠性的同時，減少電場強度。確保換流閥工程設備的安全運行。

4.2 實際應用

采用優化后的浮子型漏水檢測裝置的換流閥已在國家高壓電器質量監督檢驗中心順利通過絕緣型式試驗，并投入實際工程應用(見圖8、圖9)。

圖8 絕緣型式試驗圖

圖9 應用于工程現場實物圖

5 結語

由仿真計算結果可以得出，增加漏水檢測裝置后對底屏蔽的電場分布影響比較大，原漏水檢測裝置電場強度最大值為1890kV/m，當蘑菇頭屏蔽的曲率半徑由原來的25mm增大到40mm時，漏水檢測裝置電場強度最大值降為1670kV/m，比原模型減少11.6%。

通過對比不同曲率半徑下的仿真計算結果可以得出：浮子型漏水檢測裝置蘑菇頭屏蔽的曲率半徑大小直接影響電場強度的大小，曲率半徑越大，電場強度越小。

改進后的漏水檢測裝置降低了換流閥漏水概率，提高了換流閥可靠性，從而保證工程的安全運行。

[1] 顏楠楠,傅正財.直流輸電換流閥屏蔽系統的電場分布分析[C]//中國電工技術學會.2010電工測試技術學術交流會論文集.武漢,2010:128-133.

[2] 杜志葉,朱琳,阮江軍,等.基于瞬時電位加載法的±800kV特高壓閥廳金具表面電場求解[J].高電壓技術,2014,40(6):1809-1815.

[3] 姬大潛,劉澤洪,鄧桃,等.特高壓直流輸電系統穩態運行時高端閥廳內部的電場分析[J].高電壓技術,2013,39(12)：3000-3008.

[4] 周浩,鄧旭,王東舉,等.±1100kV特高壓直流換流站過電壓與絕緣配合[J].高電壓技術,2013,39(10)：2477-2484.

[5] LV J Z,LI L C.Study on the key equipment's insulation level of±800kV UHVDC power transmission project[C]//Power Engineering Society Conference and Exposition in South Africa.Johannesburg, South Africa：IEEE,2007:1-4.

[6] 鄧桃,宿志一,范建斌,等.±800kV特高壓直流線路復合絕緣子均壓環優化設計[J].電網技術,2010,34(8)：31-35.

[7] 曹均正,湯廣福,王高勇,等.±1100kV特高壓直流輸電換流閥研制及型式試驗[J].南方電網技術,2012,6(6)：67-71.