電壓源型換流閥在絕緣型式試驗下電場仿真計算

張 棟，歐陽有鵬，尚慧玉，趙宏偉，謝曄源，朱銘煉（.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇南京0；.廣東供電局有限公司，廣東廣州5060）

電壓源型換流閥在絕緣型式試驗下電場仿真計算

張 棟1，歐陽有鵬1，尚慧玉2，趙宏偉2，謝曄源1，朱銘煉1
（1.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇南京211102；2.廣東供電局有限公司，廣東廣州510620）

模塊化多電平電壓源型換流器作為柔性環(huán)網(wǎng)控制器和統(tǒng)一潮流控制器（UPFC）系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，其運行的可靠性直接影響到整個系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。文中以應(yīng)用于柔性環(huán)網(wǎng)控制器及蘇南500 kV UPFC工程的換流閥作為研究對象，采用PTC Creo 3D與Ansys混合建模技術(shù)，建立了換流閥塔的三維模型，詳細(xì)計算了換流閥塔在絕緣型式試驗下的電場分布。計算結(jié)果表明：換流閥塔對地空氣間隙、層間空氣間隙以及換流閥塔的外表面的空氣介質(zhì)等絕緣強(qiáng)度都能滿足換流閥絕緣型式試驗的要求，保證換流閥的安全可靠運行。

柔性環(huán)網(wǎng)控制器；統(tǒng)一潮流控制器；模塊化多電平電壓源型換流器；絕緣型式試驗；電場計算

0 引言

電壓源型換流器自1990年提出以來，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于孤單供電、分布式發(fā)電、異步交流電網(wǎng)互聯(lián)、城市電磁環(huán)網(wǎng)以及柔性交流輸電技術(shù)。如基于電壓源型換流器技術(shù)的柔性環(huán)網(wǎng)控制器可實現(xiàn)電網(wǎng)軟分區(qū)運行、短路電流抑制、潮流優(yōu)化、無功支撐等功能，為解決電磁環(huán)網(wǎng)問題提供了新的方向。又如統(tǒng)一潮流控制器（unified power flow controller，UPFC）可以快速控制輸電線路有功和無功潮流，提高線路的輸送能力，同時可以提高系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性，改善系統(tǒng)阻尼，提高功角穩(wěn)定性［1，2］。

目前，基于模塊化多電平換流器的柔性環(huán)網(wǎng)控制示范工程正在規(guī)劃中，而世界上第一個基于模塊化多電平換流器（modular multilevel converter，MMC）技術(shù)的UPFC工程已經(jīng)在南京西環(huán)網(wǎng)220 kV UPFC工程中成功應(yīng)用［3－5］。其中，換流閥作為柔性環(huán)網(wǎng)控制器和UPFC的核心設(shè)備，運行工況非常復(fù)雜，能否安全運行直接影響到整個系統(tǒng)的運行可靠性與穩(wěn)定性，而換流閥的屏蔽與絕緣設(shè)計可靠性直接影響到換流閥的安全穩(wěn)定運行。

國際電工委員會IEC 62501－1標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的型式試驗是換流閥必須遵守的試驗要求與驗收標(biāo)準(zhǔn)。換流閥的型式試驗包括運行試驗與絕緣試驗。其中，絕緣試驗包括閥支架電介質(zhì)試驗以及閥端間電介質(zhì)試驗［6］。閥支架電介質(zhì)試驗可以檢驗閥支架絕緣介質(zhì)的對地電壓耐受能力、絕緣裕度是否滿足要求；閥端間電介質(zhì)試驗可以檢測閥塔各組件之間的電壓耐受能力、絕緣裕度是否滿足要求。因此，建立換流閥塔的三維模型，在型式試驗中進(jìn)行電場仿真計算對于檢驗和優(yōu)化換流閥的屏蔽與絕緣設(shè)計具有重要指導(dǎo)意義［7］。

本文以蘇南500 kV UPFC工程的模塊化多電平電壓源型換流閥作為研究對象，采用有限元分析方法系統(tǒng)地對型式試驗中換流閥的進(jìn)行電場仿真計算，對換流閥塔對地、層間等空氣間隙進(jìn)行電場計算，對換流閥塔外表面進(jìn)行電場計算，詳細(xì)分析了換流閥塔的電場分布。

1 換流閥概述與型式試驗

1.1蘇南500 kV UPFC工程概述

蘇南500 kV UPFC模塊化多電平換流閥包括并聯(lián)側(cè)換流器1套，接入木瀆500 kV母線；串聯(lián)側(cè)換流器2套，分別接入木瀆—梅里500 kV雙回線路。每套換流器由6個橋臂組成，每個橋臂為1個完整閥塔。其主回路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 蘇南500 kV UPFC主回路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Sunan 500 kV UPFC main circuit topology diagram

1.2換流閥型式試驗

IEC 62501高壓直流輸電電壓源換流器（VSC）閥電氣試驗是換流閥在出廠前必須遵守的試驗要求和驗收標(biāo)準(zhǔn)。其中，絕緣試驗包括閥支架電介質(zhì)試驗和閥端間電介質(zhì)試驗，試驗電壓如表1所示。

表1 換流閥絕緣試驗試驗電壓Table 1 Voltage of converter valve insulation type test

2 換流閥塔的有限元模型搭建

2.1換流閥塔的電場原理分析

換流閥塔主要采用空氣絕緣和固體絕緣結(jié)構(gòu)。通過對換流閥塔的電場分布進(jìn)行計算，可以為換流閥塔的屏蔽系統(tǒng)設(shè)計提供理論依據(jù)［8－12］。

根據(jù)現(xiàn)有理論，三維空間下的電場定解條件為：

式（1）中：β為0時，為第一類邊界條件；γ為0時，為第二類邊界條件；β和γ都不為0時，為第三類邊界條件［13－16］。具體根據(jù)計算模型的實際情況而定。

根據(jù)式（2）得出，電場強(qiáng)度可表示標(biāo)量電位的負(fù)梯度。在電位變化劇烈區(qū)域，電場強(qiáng)度較大，電場分布比較集中，故在金屬組件（高電位）附近的空氣區(qū)域以及金屬組件與絕緣組件的連接區(qū)域?qū)⑹潜疚难芯康闹攸c對象。

2.2換流閥塔模型建模與處理

采用PTC Creo 3D和Ansys混合建模技術(shù)建立換流閥塔模型。閥塔為3層雙列環(huán)抱式結(jié)構(gòu)，整個閥塔共有12根支撐絕緣子，48根層間絕緣子；閥塔采用屏蔽系統(tǒng)設(shè)計，共有24個屏蔽罩，頂層對稱布置2根均壓環(huán)；共計126個功率模塊槽位。

由于換流閥塔整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，規(guī)模龐大，直接網(wǎng)格剖分不僅對于計算機(jī)的處理能力有很高的要求，并且可能由于細(xì)小零件導(dǎo)致剖分失敗。因此，需要對換流閥塔模型進(jìn)行合理的簡化處理，重點關(guān)注屏蔽罩、均壓環(huán)、絕緣子等組件。具體簡化步驟如下［17］：

（1）忽略絕緣子傘群對電位分布的影響，將絕緣子的傘群簡化為圓柱體；

（2）忽略細(xì)小零部件對整體電位分布的影響，在進(jìn)行計算時不予考慮；

（3）忽略功率模塊內(nèi)部零部件對整體電位分布的影響，將功率模塊簡化為長方體；

（4）忽略部分絕緣組件對整體電位分布的影響，將功率模塊支撐的絕緣橫梁、水管、光纜槽等絕緣組件在計算時不予考慮。

簡化后的有限元模型如圖2所示。

圖2 蘇南500 kV UPFC換流閥塔的有限元模型Fig.2 Finite?element model of Sunan 500 kV UPFC converter vavle

2.3換流閥塔電場計算場域與材料屬性

根據(jù)實際的型式試驗大廳尺寸，建立換流閥塔的60 m×48 m×33 m的長方體求解域，如圖3所示。

圖3 換流閥塔的計算場域Fig.3 Solution domain of converter vavle

其中，閥塔的支撐絕緣子的金具（包括均壓環(huán)）、支撐地面以及其他5個面均施加零電位。閥塔的其他金屬組件根據(jù)表1所示的試驗電壓施加響應(yīng)的載荷即可。根據(jù)式（1）可知，本文所計算的邊界條件為第一類邊界條件。

在進(jìn)行換流閥塔的電場仿真計算時，絕緣子相對介電常數(shù)為4.5，空氣的相對介電常數(shù)為1。目前，對于金具表面的場強(qiáng)控制值并沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，本文選取2.5 kV／mm作為蘇南500 kV UPFC模塊化多電平電壓源型換流閥在型式試驗中的金具表面工作場強(qiáng)控制值。

2.4閥支架電壓下的電位分布

在進(jìn)行閥支架電壓試驗時，換流閥塔的屏蔽罩、金屬框架、頂部均壓環(huán)、功率模塊以及連接母排等金屬組件全部短接在一起，承擔(dān)試驗電壓；支撐絕緣子的底部金具，電位為0 V。閥塔電位分布如圖4所示。

圖4 閥支架電壓試驗下的電位分布Fig.4 Potential distribution of valve support in insulation test

2.5閥端間交流－直流電壓下電位分布

在進(jìn)行閥端間交流－直流試驗時，換流閥塔的所有的功率模塊均勻承擔(dān)著試驗電壓，各屏蔽罩、母排、金屬框架以及頂部均壓環(huán)按照“就近原則”進(jìn)行等電位連接；支撐絕緣子的底部金具，電位為0 V。閥塔電位分布如圖5所示。

3 閥絕緣型式試驗下的電場計算

3.1閥支架電壓下的電場計算

由于換流閥塔采用的支撐式結(jié)構(gòu)，故計算分析閥塔與地面之間的空氣間隙的絕緣強(qiáng)度非常有必要。閥支架電壓下的電場分布如圖6—8所示。

圖5 閥端間交流－直流電壓試驗下的電位分布Fig.5 Potential distribution of valve between the head and the tail in insulation test

圖6 閥支架電壓試驗下的最大電場分布Fig.6 Electric field distribution of valve support

3.2閥支架電壓下的電場分析

分析閥支架電壓下的電場分布圖6—8可知：

（1）在閥支架直流電壓試驗和交流電壓試驗時，換流閥塔表面的最大電場強(qiáng)度分別為1.25 kV／mm和1.41 kV／mm，都位于支撐絕緣子的金具與絕緣介質(zhì)連接的區(qū)域，這是由于該區(qū)域電位梯度變化比較劇烈，因此導(dǎo)致此處電場比較集中，小于空氣中的電場擊穿場強(qiáng)，不會產(chǎn)生電暈及放電現(xiàn)象。

（2）在閥支架直流電壓試驗和交流電壓試驗下，換流閥塔的屏蔽罩的表面最大電場強(qiáng)度分別為1.15 kV／mm和1.16 kV／mm，都位于底層屏蔽罩邊緣處，這是由于該區(qū)域與地面零電位距離最近，但是由于屏蔽罩在設(shè)計時都進(jìn)行了“倒角”處理并打磨光滑，降低了其表面電場強(qiáng)度。換流閥塔的頂部均壓環(huán)的表面最大電場強(qiáng)度分別為0.12 kV／mm和0.119 kV／mm，都位于均壓環(huán)的拐角處。

圖7 閥支架電壓試驗下的屏蔽罩電場分布Fig.7 Electric field distribution of shield covers

圖8 閥支架電壓試驗下的頂部均壓環(huán)電場分布Fig.8 Electric field distribution of grading ring

3.3閥端間交流－直流電壓下的電場計算

在閥端間交流－直流電壓試驗時，主要校驗換流閥塔層間、功率模塊之間以及換流閥塔的屏蔽罩表面等空氣間隙的絕緣強(qiáng)度。屏蔽罩表面的電場分布如圖9所示。按照電位升高的順序，將屏蔽罩進(jìn)行1－8編號，如圖10所示。表2列出了換流閥塔各層屏蔽罩表面的最大電場分布情況。在閥端間交流－直流電壓試驗下電場分布如圖11—13所示。

圖9 閥端間電壓試驗下的屏蔽罩電場分布Fig.9 Electric field distribution of shield covers

圖10 換流閥塔的屏蔽罩編號Fig.10 Number of shield covers of converter valve

表2 換流閥絕緣試驗屏蔽罩最大電場分布Table 2 Max electric field distribution of shield covers（kV·mm－1）

3.4閥端間交流－直流電壓下的電場分析

分析閥端間交流－直流電壓下的電場分布圖9—13可知：

圖11 閥端間電壓試驗下的最大電場分布Fig.11 Electric field distribution of insulator surface

圖12 閥端間電壓試驗下的頂部均壓環(huán)電場分布Fig.12 Electric field distribution of grading ring

圖13 閥端間電壓試驗下的功率模塊電場分布Fig.13 Electric field distribution of sub module

（1）在閥端間交流－直流電壓下，換流閥塔的屏蔽罩表面最大電場強(qiáng)度為0.81 kV／mm，位于中間層的6號屏蔽罩，其他各層屏蔽罩表面電場強(qiáng)度在0.4～0.8 kV／mm，小于空氣中的電場擊穿場強(qiáng)，不會產(chǎn)生電暈及放電現(xiàn)象，且各個屏蔽罩的電場分布比較均勻。

（2）在閥端間交流－直流電壓下，換流閥塔的表面最大電場強(qiáng)度為1.77 kV／mm，位于支撐絕緣子的金具表面；換流閥塔的頂部均壓環(huán)的表面最大電場強(qiáng)度為0.45 kV／mm，位于均壓環(huán)的拐角處；換流閥塔的功率模塊表面的最大電場強(qiáng)度為0.55 kV／mm，位于功率模塊的邊沿處，仿真計算時考慮比較惡化的結(jié)構(gòu)（無倒角）。

4 結(jié)語

由于換流閥采用支撐結(jié)構(gòu)，主要校核換流閥對地空氣間隙中的絕緣強(qiáng)度，通過絕緣型式試驗下的閥支架直流電壓試驗、交流電壓試驗進(jìn)行絕緣性能評估；由于分層排列布置，主要校核換流閥層間以及模塊之間空氣間隙的絕緣強(qiáng)度，通過絕緣型式下的閥端間交流－直流電壓試驗進(jìn)行絕緣性能評估。

本文根據(jù)電磁場基本原理，建立了以蘇南500 kV UPFC模塊化多電平電壓源型換流閥的有限元模型，詳細(xì)研究了換流閥在絕緣型式試驗下電場分布，計算結(jié)果表明：換流閥塔對地空氣間隙、層間空氣間隙以及換流閥塔的外表面的空氣介質(zhì)等絕緣強(qiáng)度都能滿足換流閥絕緣型式試驗的要求，由于采用了屏蔽結(jié)構(gòu)，換流閥的外表面電場分布比較均勻。

［1］IEC 60633—1998 Terminology for high?voltage direct current（HVDC）transmission［S］.

［2］朱鵬程，劉黎明，劉小元，等.統(tǒng)一潮流控制器的分析與控制策略［J］.電力系統(tǒng)自動化，2006，30（1）：45－51.

ZHU Pengcheng，LIU Liming，LIU Xiaoyuan，et al.Analysis and study on control strategy for UPFC［J］.Automation of Elec?tric Power Systems，2006，30（1）：45－51.

［3］王 瑩，甄宏寧，常寶立，等.UPFC在南京西環(huán)網(wǎng)中的應(yīng)用需求分析［J］.江蘇電機(jī)工程，2016，35（1）：53－56.

WANG Ying，ZHEN Hongning，CHANG Baoli，et al.Research on the application of UPFC in Nanjing western grid［J］.Jiangsu Electrical Engineering，2016，35（1）：53－56.

［4］凌 峰，秦 健，戴 陽，等.南京UPFC工程運行方式［J］.江蘇電機(jī)工程，2015，34（6）：36－40.

LING Feng，QIN Jian，DAI Yang，et al.The operation modes for nanjing UPFC project［J］.Jiangsu Electrical Engineering，2015，34（6）：36－40.

［5］張 軍，吳金龍，梁云丹，等.南京UPFC工程控制保護(hù)系統(tǒng)架構(gòu)與配置研究［J］.江蘇電機(jī)工程，2015，34（6）：1－4.

ZHANG Jun，WU Jinlong，LIANG Yundan，et al.Study on ar?chitecture and configuration for control and protection system of Nanjing UPFC project［J］.Jiangsu Electrical Engineering，2015，34（6）：1－4.

［6］IEC 62501 Voltage sourced converter（VSC）valves for high?voltage direct current（HVDC）power transmission?electrical testing［S］.2014.

［7］曹均正，湯廣福，王高勇，等.±1100 kV特高壓直流輸電換流閥研制及型式試驗［J］.南方電網(wǎng)技術(shù)，2012，06（6）：67－71.

CAO Junzheng，TANG Guangfu，WANG Gaoyong，et al.The development and type test of converter valve for±1100 kV UH?VDC Transmission［J］.Southern Power System Technology，2012，06（6）：67－71.

［8］LI Jing，PENG Zongren，F(xiàn)ENG Yong，et al.Electric field calcu?lation and grading ring optimization of composite insulator for 500 kV AC transmission lines［C］∥2010 10 th IEEE Interna?tional Conference on Solid Dielectrics.Xi an，China：IEEE，2010：1－4.

［9］李 鵬，范建斌，李光范，等.1000 kV級特高壓交流線路絕緣子串電位分布計算和均壓環(huán)設(shè)計［J］.中國電力，2006，39（10）：33－36.

LI Pneg，F(xiàn)AN Jianbin，LI Guangfan，et al.Electric field distribu?tion calculation and grading ring design of insulators string for 1000 kV UHVAC lines［J］.Electric Power，2006，39（10）：33－36.

［10］崔 翔.應(yīng)用邊界電場約束方程計算第一類邊界上的場強(qiáng)分布［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報，1987，07（1）：51－58.

CUI Xiang.Computation of electric field intensity on the dirichlet s boundary surface by the finite element method with constrained electric field equation on the boundary［J］.Pro?ceedings of the CSEE，1987，07（1）：51－58.

［11］孫美玲，江 山.有限元方法Gauss積分和Hamme積分方案［J］.南通職業(yè)大學(xué)學(xué)報，2009，23（3）：67－70. SUN Meiling，JIANG Shan.The gauss integral scheme and

hammer integral scheme in the finite element method［J］.Jour?nal of NanTong Vocational College，2009，23（3）：67－70.

［12］JIN Jiangming.The finite element method in electromagnetics［M］.New York：A Wilay?interscince Publication，2002：180.

［13］張 軍，吳金龍，梁云丹，等.基于有限元的模塊化多電平換流器絕緣結(jié)構(gòu)分析［J］.電力建設(shè)，2014，35（3）：31－35.

ZHANG Jun，WU Jinlong，LIANG Yundan，et al.Finite ele?ment analysis on insulation structure of modular multi?lever converter［J］.Electrical Power Construction，2014，35（3）：31－35.

［14］齊 磊，李 超，王星星，等.柔性直流換流閥塔交流電場仿真計算［J］.高電壓技術(shù)，2014，40（11）：3537－3543.

QI Lei，LIChao，WANGXingxingetal.Simulation calculation of AC electrical field for valve tower of flexible HVDC transmission system［J］.High Voltage Engineering，2014，40（11）：3537－3543.

［15］王 棟，阮江軍，林志葉，等.±500 kV直流換流站閥廳內(nèi)金具表面電場數(shù)值求解［J］.高電壓技術(shù)，2011，37（2）：404－410.

WANG Dong，RUAN Jiangjun，LIN Zhiye，et al.Numerical solution of power fittings about surface electric field in±500 kV DC converter station valve hall［J］.High Voltage Engineer?ing，2011，37（2）：404－410.

［16］周學(xué)斌，何東升，黃大新，等.基于SolidWorks設(shè)計及有限元分析在機(jī)械工程中的應(yīng)用［J］.科技信息，2008（31）：129－130，84.

ZHOU Xuebin，HE Dongsheng，HUANG Daxin，et al.Appli?cation of solidWorks design and finite element method analysis for mechanical engineering［J］.Science and Technology Infor?mation，2008（31）：129－130，84.

［17］王星星，羅 瀟，齊 磊，等.高壓直流換流閥用絕緣子表面電場及均壓環(huán)設(shè)計［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2014，38（2）：289－296.

WANG Xingxing，LUO Xiao，QI Lei，et al.Calculation of electrical field distribution along composite insulator and design of grading ring of HVDC conver valve［J］.Power System Technology，2014，38（2）：289－296.

Electric Field Simulation and Calculation of Voltage Sourced Converter Valve in Insulation Type Test

ZHANG Dong1，OUYANG Youpeng1，SHANG Huiyu2，ZHAO Hongwei2，XIE Yeyuan1，ZHU Minglian1
（1.NR Electric Co.，Ltd，Nanjing 211102，China；2.Guangzhou Power Supply Co.Ltd.，Guangzhou 510620，China）

As the key equipment in the flexible looped network controller and UPFC，the reliability of the modular multilevel voltage sourced converter directly affects the safe and stable operation of the whole AC system.We established a 3?D model of the flexible looped network controller and Sunan 500 kV UPFC converter using PTC CREO and ANSYS.We calculated the electric field distribution of the converter valve in insulation type test.The results show that the insulation strength of the air gap distance to the ground of converter valve，the air gap between layers of converter valve，the air medium outside of converter valve can meet the requirements of the converter valve in insulation type test，which can ensure safe and reliable operation of the converter valve.

flexible looped network controller；unified power flow controller（UPFC）；modular multilevel voltage sourced converter；insulation type test；electric field calculation

TM761

：A

：2096－3203（2017）02－0076－06

張 棟

張 棟（1977—），男，江蘇鹽城人，工程師，從事電力系統(tǒng)自動化工作；

歐陽有鵬（1985—），男，湖北襄陽人，工程師，從事柔性直流輸電和無功補(bǔ)償技術(shù)研究工作；

尚慧玉（1982—），女，江西南昌人，高級工程師，從事電力系統(tǒng)運行管理工作；

趙宏偉（1982—），男，河北張家口人，高級工程師，從事電網(wǎng)運行方式分析和控制研究工作；

謝曄源（1978—），男，江西九江人，高級工程師，從事柔性直流輸電、柔性交流輸電和無功補(bǔ)償技術(shù)研究工作；

朱銘煉（1985—），男，江蘇靖江人，工程師，從事柔性直流輸電技術(shù)研究工作。

（編輯 徐林菊）

2017－01－04；

2017－02－11

中國南方電網(wǎng)重點科技項目（GZHKJ 00000101）