空間電荷及金屬顆粒對換流變閥側套管的電場分布影響

孟旋， 郭若琛， 袁文澤， 李軍浩

(西安交通大學電氣工程學院,陜西 西安 710049)

0 引言

換流變壓器是高壓直流輸電系統中必不可少的電力設備，其將交流系統和直流系統隔離開來，并實現交流輸電網絡與直流輸電網絡間的聯絡[1—3]。換流變壓器工作在直流輸電系統下，其閥側套管連接到換流閥，閥側套管上承受的是直流電壓與不同頻率、相位、幅值的交流電壓疊加而成的交直流復合電壓[4—8]。交流電壓和直流電壓下的電場分布規律不同，探究不同類型電壓下閥側套管電場分布的差異，對電場分布優化以及故障仿真研究等具有重要意義。

空間電荷的存在對于閥側套管的絕緣強度有非常復雜的影響，因此，在研究閥側套管的電場分布時必須考慮空間電荷的影響。在直流高電壓下，每種介質的相對介電常數和電阻率有很大差異，在傳導電流的作用下會造成介質分界面空間電荷的局部積累，從而導致局部電場畸變，對該處電場強度起到增強或者削弱的效果[9—12]。另外，長時間空間電荷的積累還會加速絕緣介質老化，影響介質的絕緣性能，最終引發絕緣介質擊穿[13—14]。在電力設備的生產、組裝與運行過程中，會由于殘留、污染、摩擦等因素在設備中留有極微小的金屬顆粒[15—20]，換流變壓器閥側套管也不例外。套管中存在金屬顆粒時，局部電場的大幅畸變會導致設備絕緣性能下降，嚴重威脅設備的正常運行[21—22]。對于典型交流、直流工況下的換流變壓器閥側套管電場分布的研究已經較為成熟，近年來也有一些學者針對交直流復合電壓下的電場分布進行研究，然而并未考慮空間電荷對電場分布的影響。此外缺乏考慮空間電荷影響、設備內部存在金屬顆粒等異物時電場分布的比較與分析，因此，該部分內容有待研究。

文中闡述了換流變閥側套管的電場分布特點，并選用有限元仿真軟件對換流變閥側套管進行建模仿真與分析。計算了考慮空間電荷影響前后，不同類型電壓下套管電場分布的情況，分析了空間電荷對套管電場分布的影響。在模型中加入金屬顆粒，對比不同類型電壓下金屬顆粒附近的電場畸變程度，分析金屬顆粒對套管電場分布的影響。文中的研究對設備絕緣結構優化有參考價值，對改善設備絕緣性能、保障設備安全運行具有重要意義。

1 換流變壓器閥側套管的模型構建

環氧樹脂浸紙電容式套管由于其優越的局放性能、無油可避免爆炸危險以及適應環境溫度等優點得到了廣泛使用。套管主要由4個部分構成：最內層是導電桿，次內層是環氧樹脂浸紙絕緣的電容芯子，次外層是SF6氣體，最外層是環氧筒和復合護套。閥側套管是典型的同軸電容分壓式結構，其內部的電容芯子為層狀結構，通過同軸電容屏起到強制分壓的效果，以達到使套管軸向和徑向電場分布均勻的目的。套管電場的徑向分量遠大于軸向分量，因此在分析套管的電場分布時，以電場的徑向分量為主要研究對象。圖1為ABB公司制造的GGF型換流變壓器閥側套管示意圖。文中以±500 kV換流變壓器閥側套管為研究對象，建立特高壓直流套管簡化仿真模型，包括導電桿、SF6氣體、環氧樹脂浸紙電容芯子、絕緣外套、均壓環及法蘭等部分。

圖1 GGF型換流變閥側套管示意Fig.1 Schematic diagram of valve-side busing of GGF converter transformer

套管模型的總長度為12 500 mm，其中空氣端長度為7 200 mm，油端長度為3 200 mm，法蘭長度為2 100 mm。均壓環縱截面的管徑為600 mm，橫截面外徑為2 200 mm。仿真模型如圖2所示。

圖2 換流變壓器閥側套管仿真模型Fig.2 Simulation model of valve-side busing of converter transformer

導電桿外電容芯子的絕緣紙層數在200層以上，為了方便模型的構建和仿真計算，在建模中簡化了該部分模型，通過增加絕緣介質的厚度將絕緣介質減少為10層，在不影響電場分布趨勢的情況下，提高仿真計算效率。電容芯子的每一層絕緣層外側都包裹有鋁箔，使電壓盡可能地均勻分布在電容芯子絕緣層上。絕緣外套采用了被硫化的硅橡膠，由于外套的傘裙對于套管電場分布影響很小，因此簡化了套管中該部分結構。法蘭的材質為結構鋼，套管兩端金具材質為鋁合金。另外，還在套管最上方布置了雙大環結構的鋁制均壓環。各材質的物理參數如表1所示。

表1 仿真模型中各材質的物理參數Table 1 Physical parameters of each material in the simulation model

在考慮金屬顆粒對換流變閥側套管電場分布的影響時，由于金屬顆粒并非呈軸對稱分布，其位置有隨機性。針對該部分研究，將2D軸對稱模型沿對稱軸旋轉一周，建立換流變閥側套管3D模型，以便在模型中引入金屬顆粒。3D仿真模型見圖3。

圖3 換流變壓器閥側套管3D仿真模型Fig.3 3D simulation model of valve-side busing of converter transformer

圖4展現了在導電桿上施加交直流復合電壓時，兩環氧樹脂浸紙絕緣層間套管電場軸向分布情況。此時，電場的軸向分量幅值為0.254 kV/m，遠小于閥側套管電場的徑向分量。因此，在后續的研究中，不再對套管電場的軸向分量進行研究。

圖4 套管軸向電場分布情況Fig.4 Axial distribution of electric field of bushing

圖5為換流變壓器閥側套管仿真模型的截面，內側黑色環形部分為導電桿，灰色部分為環氧樹脂浸紙絕緣層，導電桿至套管外壁的其余部分為SF6氣體。選取中心點到套管外壁的一條截線(圖中帶箭頭虛線)，對套管徑向電場數據進行采集與分析。

圖5 換流變壓器閥側套管截面Fig.5 Section view of valve side bushing of converter transformer

2 考慮空間電荷時不同類型電壓下套管的電場分布特性

2.1 空間電荷的計算

空間電荷對絕緣介質的絕緣性能影響很大，其產生、轉移和消散都會改變介質內部的局部電場分布。陷阱的存在和電荷注入是空間電荷能夠穩定存在的重要因素。在陷阱強大的吸附力作用下，陷阱電荷能夠穩定地存在，而電荷注入保證了載流子的產生和補充，促進電荷入陷阱過程和脫陷阱過程的發生。套管絕緣介質中存在大量的陷阱，在介質的分界面上，由于2種介質的相對介電常數和電阻率不同，在介質分界面上場強不連續，陷阱更容易產生，因此空間電荷在介質分界面容易積聚。

在2種介質的分界面處，滿足的銜接條件如式(1)所示。

(1)

式中：E1t，E2t分別為2種介質分界面切向的場強；D1n，D2n分別為2種介質分界面法向的電感應強度；σ為分界面處的空間電荷密度。

對于圖6中的雙層介質同軸圓柱結構，將中部和最外層接地，只考慮空間電荷產生的電場，不考慮外加電場，分析空間電荷對電場分布的影響，可以得到式(2)。

圖6 雙層介質同軸圓柱結構Fig.6 Coaxial cylindrical structure of double-layer medium

(2)

式中：r1，r2分別為最內層與最外層的半徑；rk為介質分界面處的半徑；E1，E2分別為雙層介質中的電場強度；ε1，ε2分別為2種介質的相對介電常數；σ為分界面處的空間電荷密度。

通過求解式(2)的方程組，可得到2層介質中的電場強度。

當r1

(3)

當rk

(4)

多層介質的同軸圓柱結構中，每一層分界面處均有空間電荷分布。對于n層介質，可以通過式(5)得到第i(0

(5)

式中：r0，rn分別為最內層與最外層的半徑，ri(0

2.2 500 kV直流電壓下空間電荷的影響

圖7 500 kV直流電壓下介質界面空間電荷分布Fig.7 Distribution of space charge at the interface of the medium under 500 kV DC voltage

將各分界面的空間電荷添加到原有模型中，不考慮外加電壓，可以得到空間電荷產生的電場分布情況，如圖8所示。在距離中心軸0.145 m處為2種介質的分界面，空間電荷在SF6氣體側產生的場強為409 kV/m，在環氧樹脂浸紙側產生的電場為-915 kV/m。在分界面兩側產生的電場極性相反，在環氧樹脂浸紙絕緣層中的電場與外加電場反向。

施加500 kV直流穩態電壓時，電場的徑向分布情況如圖9所示。直流電壓下，電場分布取決于絕緣介質的電阻率，SF6氣體的電導率為10-18S/m，環氧樹脂浸紙的電導率為10-14S/m，相差104倍。圖中距離中心軸0.145 m處，SF6氣體側場強為3 652 kV/m，而環氧樹脂浸紙側的電場為0.364 kV/m，場強之比與其電阻率之比較為吻合。

圖9 500 kV直流電壓下的電場徑向分布Fig.9 Radial distribution of electric field under 500 kV DC voltage

引入空間電荷的影響后，電場的徑向分布情況如圖10所示。SF6氣體側的電場有小幅增長，而環氧樹脂浸紙側出現了一個反向的電場，該反向電場遠大于外加電壓在環氧樹脂浸紙側中產生的電場，在空間電荷的影響下電場強度增幅巨大。

圖10 考慮空間電荷影響時500 kV直流電壓下的電場徑向分布Fig.10 Radial distribution of electric field under 500 kVDC voltage considering influence of space charge

2.3 166 kV交流電壓下空間負荷的影響

根據文獻[11]提到的換流變壓器閥側繞組所承受的2種電壓比例，文中選取1∶3作為交、直流復合電壓的比例，其中交流電壓取有效值，直流電壓取平均值。圖11為施加有效值166.7 kV工頻交流電壓時，套管內部各層介質分界面處的空間電荷密度分布。交流電壓下的各層界面空間電荷密度的數量級在10-8C/m2，顯著低于施加直流電壓的情況。在交流電壓下，電極注入的電荷會在電場作用下不斷地進行往復運動，從而不容易被陷阱束縛，通過電荷中和或者消散，使空間電荷難以大量積聚。因此，工頻交流電壓下的空間電荷密度遠小于直流電壓下的空間電荷密度，后續研究也不再考慮交流電場下空間電荷對套管電場分布的影響。

圖11 166.7 kV交流電壓下介質界面空間電荷分布Fig.11 Distribution of space charge at the interface of the medium under 166.7 kV AC voltage

施加有效值166.7 kV工頻交流電壓時，電場的徑向分布情況如圖12所示。工頻交流電壓下，電場分布取決于絕緣介質的介電常數，SF6氣體的相對介電常數為1.002，而環氧樹脂浸紙的相對介電常數為4，相差4倍。圖中距離中心軸0.145 m處，SF6氣體側的電場強度為1 743 kV/m，而環氧樹脂浸紙側的電場為434 kV/m，場強之比與其相對介電常數之比較為吻合。

圖12 166.7 kV交流電壓下的電場徑向分布Fig.12 Radial distribution of electric field under 166.7 kV AC voltage

2.4 交直流電壓下空間電荷對電場分布的影響

施加交直流復合電壓時，電場的徑向分布情況如圖13所示。在距離中心軸0.145 m處，SF6氣體側的電場強度為5 447 kV/m，而環氧樹脂浸紙側的電場為1 357 kV/m。

圖13 交直流復合電壓下的電場徑向分布Fig.13 Radial distribution of electric field under AC-DC compound voltage

引入空間電荷的影響后，電場的徑向分布情況如圖14所示。在距離中心軸0.145 m處，SF6氣體側的電場強度為5 857 kV/m，而環氧樹脂浸紙側的電場為441 kV/m。

圖14 考慮空間電荷影響時交直流復合電壓下的電場徑向分布Fig.14 Radial distribution of electric field under AC-DC compound voltage considering influence of space charge

考慮空間電荷對電場分布的影響后，SF6氣體側的電場強度有所增加，環氧樹脂浸紙中的電場強度反而減小了。結合圖8，空間電荷在環氧樹脂浸紙絕緣層中會產生一個與外加電場反向的電場，并且該電場與原外加電場沒有數量級上的差距，因此這里的空間電荷削弱了環氧樹脂浸紙絕緣介質中的場強。

政策六：10月10日，國家發展改革委、文化和旅游部等13部門聯合印發《促進鄉村旅游發展提質升級行動方案（2018年－2020年）》。

3 存在金屬顆粒時不同類型電壓下套管的電場分布特性

金屬顆粒的產生原因有很多，在設備的生產、安裝、維護過程以及常年的運行中都會產生形狀、大小不同的金屬顆粒。金屬顆粒的體積微小，使得電場集中分布在其周圍，引發局部電場的嚴重畸變。基于金屬顆粒的來源，其大小和位置有很大的差異，對于較大的金屬顆粒試樣，尺寸在10 mm之內[14,23]。研究中選用直徑2 mm，高度5 mm的金屬顆粒，比較符合常見的金屬顆粒尺寸。

直流電壓下電場的方向不會改變，金屬顆粒在電場中更為活潑，更容易被吸附、積聚于設備表面。此外，在直流工況下設備的開關、電壓的極性反轉等過程均為暫態過程，金屬顆粒的運動、積聚和穩態時有很大的不同，對設備的絕緣性能有很大影響。交流電壓下電場的方向不斷改變，金屬顆粒受到電場力的方向也在不斷地變化，在電極之間進行往復的運動，幾個周期之后才能夠抵達另一電極。

將金屬顆粒放置在換流變閥側套管的3D模型中，并對導電桿施加500 kV的直流電壓。沿套管徑向選取一條穿過金屬顆粒的截線，圖15為該截線上的電場分布情況。

圖15 500 kV直流電壓下加入金屬顆粒后電場徑向分布Fig.15 Radial distribution of electric field under500 kV DC voltage after adding metal particle

金屬顆粒的存在明顯地改變了絕緣介質中局部電場的分布，使其周圍出現了1.26×105kV/m的場強。

對導電桿施加有效值為166.7 kV的工頻交流電壓，得到如圖16所示的電場分布。對比直流電壓下存在金屬顆粒時的電場分布情況，由于交流與直流電壓下電壓分布的原理不同，交流電壓下金屬顆粒對電場分布的影響明顯較小。

圖16 166.7 kV工頻交流電壓下加入金屬顆粒后套管電場徑向分布Fig.16 Radial distribution of electric field under166.7 kV AC voltage after adding metal particle

對導電桿施加平均值為500 kV的直流電壓和有效值為166.7 kV的工頻交流電壓組成的交直流復合電壓，可以得到如圖17所示的電場分布。

圖17 交直流復合電壓下加入金屬顆粒后套管電場徑向分布Fig.17 Radial distribution of electric field under AC-DC compound voltage after adding metal particle

相比于直流電壓，交流電壓下金屬顆粒對電場分布的影響較小，因此在交直流復合電壓下，存在金屬顆粒時套管徑向電場分布情況和直流電壓下相比基本沒有差別。

將金屬顆粒由電容芯子的外側移動至絕緣外套的內壁，統計金屬顆粒所在位置與套管中電場強度最大值之間的關系，如圖18所示。

圖18 金屬顆粒在不同位置時局部場強的最大值Fig.18 The maximum value of local field strength of metal particles at different positions

金屬顆粒懸浮在SF6氣體中，氣體中的電場強度基本沒有變化，由于金屬顆粒對局部電場的畸變程度取決于所在位置處電場強度的大小，此時金屬顆粒周圍電場強度的最大值與其位置關系不大。

在引入空間電荷之后，可以得到交直流復合電壓下，金屬顆粒懸浮在SF6氣體中的套管內部電場分布情況。圖19為截線上的電場分布情況。

圖19 考慮空間電荷影響時交直流復合電壓下的電場徑向分布Fig.19 Radial distribution of electric field under AC-DC compound voltage considering influence of space charge

和加入空間電荷前相比，徑向電場幅值明顯增加。在空間電荷的影響下，金屬顆粒明顯改變了絕緣介質中局部電場的分布，使其周圍出現了5.02×105kV/m的場強。因此，引入空間電荷會加劇金屬顆粒對其周圍電場畸變程度的影響。

4 結語

文中研究了考慮空間電荷影響時交直流復合電壓下換流變壓器閥側套管的電場分布情況，并且分析了存在金屬顆粒時套管的電場分布。文中對換流變閥側套管建立有限元仿真模型，結果表明，交直流復合電壓下空間電荷的積聚，能夠引發套管內部局部電場的畸變。直流電壓下金屬顆粒的存在會使局部場強顯著提高，而交流電壓下其影響并不顯著，此外，引入空間電荷會加劇金屬顆粒對其周圍電場畸變程度的影響。

文中對換流變壓器閥側套管的電場分布情況進行了研究，相關結論可以為電力設備故障診斷提供參考，對于改善設備絕緣性能、保障設備安全運行具有重要意義；同時，對進一步探究時域上空間電荷對換流變壓器閥側套管電場分布的動態影響，以及金屬顆粒在電場作用下的遷移對電場分布的影響等方面能夠起到指導性的作用。