800kV換流變網側套管替換方案及絕緣性能分析

國網新疆電力有限公司電力科學研究院 李龍飛 劉磊 張飛 韓雪峰 葛志杰 國網新疆電力有限公司 張維寧

1 引言

換流變壓器和換流閥共同作為交流和直流系統的接口設備，在交流電網與直流線路之間起連接和協調作用。網側套管是換流變重要部件，常規網側充油套管內部故障會誘發瓷套炸裂、變壓器燒毀等嚴重事件。為消除充油套管安全隱患，2019年國家推行結構強度高、抗爆、抗燃性能好的環氧樹脂浸紙套管（干式套管）在換流變網側的試點應用。

干式套管與油式套管相比，除在無燃燒及無爆炸危險方面具有優勢，還具有設計緊湊、體積小、重量輕、運行中無局放、免維修、適配性強、氣密性好及可以任意角度安裝等優點。在對換流變油式套管進行替換時，需要對替換套管的電氣性能、尺寸及變壓器油枕油位及升高座結構進行全面考慮，同時，還要對替換套管的絕緣裕度是否滿足要求進行驗證[1-2]。

結合800kV 換流變網側高壓套管替換方案，對替換套管的電氣性能、套管結構及升高座改造方案進行分析。采用專業電磁有限元分析軟件，建立二維軸對稱有限元模型，對替換套管的電場強度進行仿真計算，并分析絕緣裕度，對套管替換過程作出詳細說明。

2 套管電氣參數

與原套管相比，替換套管的電氣性能試驗參數須不低于原套管電氣性能試驗參數，替換套管為環氧樹脂浸紙式套管，主要由環氧樹脂浸紙電容芯子、法蘭、復合外套、均壓球等結構組成。環氧樹脂浸紙式套管與原油套管結構如圖1所示。環氧樹脂浸紙式套管結構與原套管電氣試驗參數對比如表1所示。

圖1 環氧樹脂浸紙式套管結構與原油套管結構

由表1可知，環氧樹脂浸紙式套管的電氣試驗參數比原油式套管裕度更大，500kV 環氧樹脂浸紙式套管溫升試驗電流確定為3150A，試驗時油溫控制（90±2）℃、空氣側環溫控制(50±2）℃，載流導電桿最熱點溫度要求＜120℃。因此，環氧樹脂浸紙式套管電氣絕緣參數優于原油套管，滿足替換需求。

表1 原油式套管與替換干式套管電氣試驗參數對比

3 套管安裝尺寸

原油套管與環氧樹脂浸紙式套管的安裝尺寸對比如表2所示。

由表2可知，環氧樹脂浸紙式套管與原油套管除在變壓器總長方面需要改進外，其他方面的安裝尺寸均可行。在原油套管長為1285mm 時，環氧樹脂浸紙式套管總長為1485mm，新套管比原油套管高200mm，采用將升高座加高200mm的方式進行套管替換。

表2 原油套管及新套管安裝尺寸對比

4 環氧樹脂浸紙式套管電場仿真計算

利用有限元分析軟件，結合環氧樹脂浸紙式套管及天山宜賓站低端換流變壓器網側500kV的裝置模型，建立相應的二維軸對稱有限元模型，計算測試電壓為AC680kV[3-5]。

在有限元計算模型中，與該電場分析對應的邊值問題為：

式中：u為電位；γ為材料電導率。

場域中各點的電場強度E=-?u。

施加的邊界條件設置如下。

一是導電桿作為電壓承載部件，定義為高電位，即額定電壓為680kV；二是與導電桿相連的金屬部件（如出線裝置和均壓環）與導電桿為等電位，設置為高電位；三是法蘭、升高座接地，設置為零電位；四是對于環氧樹脂芯子內的鋁箔屏蔽，每層鋁箔的電位相同，層與層之間鋁箔電位等量增加（由外至內），首屏與導電桿電位相同，設為高電位。末屏與法蘭電位相同，設為零電位。將末屏與首屏頂部節點相連，等效為電位等量增加的斜面，將其設置為零電位到高電位的線性電位。不同材料的電氣參數，材料為Oil變壓器油相對介電常數為2.2，材料為Rip 環氧樹脂浸紙相對介電常數為4.0。

圖2為套管底部均壓球與升高座之間電場強度分布云圖。套管電壓為680kV,電力線從導電桿,均壓環,草帽到升高座內壁由密到疏,整體電場強度最大值位于草帽均壓球處,則油中電場強度約為4.6kV/mm。研究表明，套管電場畸變最為嚴峻的區域為換流變套管均壓球外表面及尖角電極附近區域。在本文中重點研究均壓球外表面電場分布。

圖3為電位分布云圖，圖4為電場強度分布云圖。由圖2～圖4可知，在交流680kV電壓下，油中最大電場強度出現在上均壓球絕緣表面，為6.67kV/mm，因此絕緣結構可行。

圖2 套管底部均壓球與升高座之間電場強度分布云圖

圖3 電位分布云圖

圖4 整體電場強度分布云圖

5 套管替換方案

干式套管首先在備用換流變上完成安裝，隨換流變一同推至運行位置，且備用換流變為新設備入場狀態，即無換流變排油、引線拆除、原套管拆除等工作，直接安裝增長升高座及干式套管。

5.1 換流變網側、閥側套管設備連線拆除

拆除網側套管的設備連線接頭，將設備連線進行固定。拆除閥側套管母線時，合理利用電動葫蘆和閥廳作業車，提高效率，對管母線接頭拍照，填寫斷復引記錄。拆卸后的管母線按照換流變相位統一堆放在閥側套管下方，避免混淆。

5.2 換流變本體排油

排油過程中需要注意排油時油面變化大，容易引起瓦斯繼電器動作，應將保護短暫閉鎖，并將換流變本體排油模塊打到手動狀態，防止換流變誤排油。

5.3 原套管拆除

一是防止連接螺栓或異物掉落到升高座中。

二是防止由于套管提升力過大等原因導致出線裝置受損。

5.4 新套管安裝

套管安裝過程中，若與出線裝置均壓結構不對，可能導致套管擠壓出線，造成絕緣不可修復性變形。可通過內窺鏡實時監測+拉桿拉力監測的方式，對套管與底座對接過程進行監測。將內窺鏡放入升高座內，使鏡頭可以清晰看到下拉桿底部接線端子處，保證在安裝過程中下拉桿與套管導電桿同心。

6 結論

一是環氧樹脂浸紙式套管的電氣試驗參數比原油式套管裕度更大，滿足現場套管替換需求。

二是經過電場仿真計算，套管電場最大場強處位于換流變套管均壓球外表面，則其電場強度為6.67kV/mm，滿足絕緣裕度要求，絕緣結構可行。

三是套管更換方案的工藝步驟為網側套管設備連線拆除，換流變本體排油，原套管拆除，新套管安裝，為同類型套管更換具有指導借鑒作用。