超特高压阀侧套管的绝缘配合与电热场分析

    1 引言

    我国的水力和煤炭资源主要分布在西部，电力负荷主要在东部。西电东送是我国电力系统的主要格局。输电容量大、距离长使已有的500kV电压等级难以支撑，必须发展更高电压等级的特高压输变电系统。特高压±800kV级直流输电代表着当今世界输变电技术的最高水平，±800kV干式直流套管作为直流输变电工程中大型电力设备换流变压器、平波电抗器的重要组件，以及阀厅穿墙用套管，已成为制约我国特高压直流输电发展的瓶颈。在直流套管方面，代表世界最高技术水平的ABB公司、SIEMENS公司已具备生产±600kV换流变压器套管、平波电抗器套管和穿墙套管的技术。其中ABB公司主要生产高压直流油浸纸式套管；SIEMENS公司主要生产高压直流环氧浸渍干式套管，但都技术垄断。

    高压和特高压换流变压器设计制造的难点在绝缘技术，而绝缘的关键部位在阀侧出线装置。阀侧出线装置指阀绕组引出线与套管连接处的绝缘结构，包括均压电极和多层纸板围屏，它与套管密切配合，组成一个复杂的油纸绝缘系统，承受着该处严酷的电场应力，保障阀绕组端部出线安全引出。

    换流变压器阀侧绝缘在运行中要长期承受高幅值的直流和交流工作电压以及各种过电压，还要承受启动、停运和极性反转等动态直流电压。当换流变压器负荷和温度变化引起电阻率变化时，也会在绝缘中引起动态直流电气应力。在1976年和1984年的CIGRE文件中都提出：为了考核绝缘的承受能力，换流变压器出厂时除进行冲击试验外，还要进行长时直流电压试验和极性反转试验。前一试验主要代表长期直流工作电压的作用，后一试验主要代表动态直流电压的作用。两项试验的试验电压都涉及了交流电压分量。2000年IEC提出的换流变压器标准中增加了1h交流电压试验，以弥补前两项试验对油隙考核的不足。因此，套管绝缘设计的首要目标是顺利通过这3项试验。

    2 套管结构

    套管有两种结构：

    图1是HSP公司生产的±800kVGSETF/t的结构图。

图1 HSP公司生产的±800kVGSETF/t的结构图

    套管内绝缘设计：（7）为绝缘主体是由特殊皱纹纸在真空下浸渍环氧树脂，同时由铝箔逐步分层，促使主绝缘体电压分布均匀。

    换流变和套管的连接处，由于其复杂的绝缘结构使得该处的电场和热场容易不均匀而导致产生局部放电或是击穿。

    本文重点对套管连接处电场和热场做出分析和研究。

图2 为ABB公司GGF套管

    3 电场分布

    通过ANSYS仿真得到电场分布。通过对ANSYS的二次开发，对套管电场分布得到较为精确的分布。对高压直流套管做了有限元的仿真都是简单的考虑固定的常数或是在不同的电阻率比值下的仿真。

    直流电场：根据，得出在直流电压下电场分布如图3和4，电场分布主要取决于材料的电阻率，即为阻性分布。

图3 环氧树脂和油的电阻率比为100的时候的电场分布图

    图3是套管在选取环氧树脂和油的电阻率比为100的时候的电场分布图。

    图4是套管在选取环氧树脂和油的电阻率比为10的时候的电场分布图。

    极性反转电场：根据，得出在极性反转下电场分布如图5。极性反转开始在120s内从－U_pr线性反转到+U_pr并稳定一段时间。对比仿真计算结果可以看出在极性反转试验电压反转过程中，套管尾部的电场分布规律比较相似，电容芯子内导电杆附近的电场较高，电容芯子导电杆附近极板下端部电场比较集中，套管尾部均压球附近的电场分布比较集中。其电场强度极大值点出现在均压球包覆层上下弧面外侧。

图4 环氧树脂和油的电阻率比为10的时候的电场分布图

图5 极性反转下电场分布

    4 热场分布

    热场的分布可以同过有限元的仿真和热电类比的方法来计算。对于热场的有限元仿真还没有查到相关的文献，这里主要介绍热电类比的方法。

    其基本原理如下，若描述2个物理量的微分方程形式相同，且几何形状和边界条件相似，则两者方程的解析解和实验解可以通用。热路和电路的物理量满足上述3个条件，因此可以参照电路的物理量形式来描述热路的物理量，即热电类比法。热路和电路的对照关系如表1所示。

表1 热路和电路物理量对照表

    根据热电类比原理，由U=IR可得θ_H=q_HR_H，由I=CdU/dt可得q_H=C_Hdθ_H/dt。

    基尔霍夫电压定律和基尔霍夫电流定律同样可类比到热路：在任何时刻，对任一闭合回路对任一结点其中，m为闭合回路的结点数，z为与结点相连接的支路数，θ_Hk和q_Hj分别为闭合回路结点k处的温度和与结点相连的第j支路的热流量。

    根据以上基本原理可以建立如图6的热电类比方法，通过仿真可以得出暂态的热分布，结果如图7。但是其中的时间常数难准确的得到。提出了稳态的套管热分布的计算方法，给出了热阻的计算方法，提出了套管瞬态的热分布情况，加入了热容的概念，没有提出参数的具体算法，仿真出了瞬态的热分布情况。

图6 热电类比方法模型图

图7 套管暂态的热分布

    5 热电耦合

    由于套管芯子在电场的作用下发热致使套管热场发生变化，电介质的电阻率又和温度有关系致使电阻改变，电阻的改变致使电场改变，导致一系列的变化。

    为了得到温度对电场的影响，有许多文献是在不同的温度下计算出电阻率再进行电场分布的计算或是仿真，没有点对点的对整个流程就行分析。

    提出了电热耦合的解析解，其主要方程为：

    得出温度的大致分布如图8。

图8 某时间点的温度分布

    图8得到的温度分布只是某个时间点的温度分布情况，没有在一个时间段里对其分布做出分析。

    提出通过对ANSYS的二次开发，根据电场、温度和电导率的关系对各个单元的电场进行赋值这样可以比较准确的得到套管的电场数值解。但目前还没有相关的对热场的分布的仿真。为此可以对套管的瞬态热场分布进行仿真，并与得到的结论进行对比。

    6 结论

    本文对阀侧套管的结构进行了简单的介绍，分别给出了HSP和ABB公司生产的适用于±800kV换流变的阀侧套管结构图。对直流电压和极性反转下电场的分布做了分析。最后简述了国内外对套管热场分布的研究情况，确立可以在ANSYS的基础上对套管进行有限元电热耦合分析，并分析电热场最后提供使得套管的绝缘配合到达最佳的效果的理论依据。