空間電荷及金屬顆粒對(duì)換流變閥側(cè)套管的電場(chǎng)分布影響

孟旋， 郭若琛， 袁文澤， 李軍浩

(西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,陜西 西安 710049)

0 引言

換流變壓器是高壓直流輸電系統(tǒng)中必不可少的電力設(shè)備，其將交流系統(tǒng)和直流系統(tǒng)隔離開(kāi)來(lái)，并實(shí)現(xiàn)交流輸電網(wǎng)絡(luò)與直流輸電網(wǎng)絡(luò)間的聯(lián)絡(luò)[1—3]。換流變壓器工作在直流輸電系統(tǒng)下，其閥側(cè)套管連接到換流閥，閥側(cè)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(fù)合電壓[4—8]。交流電壓和直流電壓下的電場(chǎng)分布規(guī)律不同，探究不同類型電壓下閥側(cè)套管電場(chǎng)分布的差異，對(duì)電場(chǎng)分布優(yōu)化以及故障仿真研究等具有重要意義。

空間電荷的存在對(duì)于閥側(cè)套管的絕緣強(qiáng)度有非常復(fù)雜的影響，因此，在研究閥側(cè)套管的電場(chǎng)分布時(shí)必須考慮空間電荷的影響。在直流高電壓下，每種介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)和電阻率有很大差異，在傳導(dǎo)電流的作用下會(huì)造成介質(zhì)分界面空間電荷的局部積累，從而導(dǎo)致局部電場(chǎng)畸變，對(duì)該處電場(chǎng)強(qiáng)度起到增強(qiáng)或者削弱的效果[9—12]。另外，長(zhǎng)時(shí)間空間電荷的積累還會(huì)加速絕緣介質(zhì)老化，影響介質(zhì)的絕緣性能，最終引發(fā)絕緣介質(zhì)擊穿[13—14]。在電力設(shè)備的生產(chǎn)、組裝與運(yùn)行過(guò)程中，會(huì)由于殘留、污染、摩擦等因素在設(shè)備中留有極微小的金屬顆粒[15—20]，換流變壓器閥側(cè)套管也不例外。套管中存在金屬顆粒時(shí)，局部電場(chǎng)的大幅畸變會(huì)導(dǎo)致設(shè)備絕緣性能下降，嚴(yán)重威脅設(shè)備的正常運(yùn)行[21—22]。對(duì)于典型交流、直流工況下的換流變壓器閥側(cè)套管電場(chǎng)分布的研究已經(jīng)較為成熟，近年來(lái)也有一些學(xué)者針對(duì)交直流復(fù)合電壓下的電場(chǎng)分布進(jìn)行研究，然而并未考慮空間電荷對(duì)電場(chǎng)分布的影響。此外缺乏考慮空間電荷影響、設(shè)備內(nèi)部存在金屬顆粒等異物時(shí)電場(chǎng)分布的比較與分析，因此，該部分內(nèi)容有待研究。

文中闡述了換流變閥側(cè)套管的電場(chǎng)分布特點(diǎn)，并選用有限元仿真軟件對(duì)換流變閥側(cè)套管進(jìn)行建模仿真與分析。計(jì)算了考慮空間電荷影響前后，不同類型電壓下套管電場(chǎng)分布的情況，分析了空間電荷對(duì)套管電場(chǎng)分布的影響。在模型中加入金屬顆粒，對(duì)比不同類型電壓下金屬顆粒附近的電場(chǎng)畸變程度，分析金屬顆粒對(duì)套管電場(chǎng)分布的影響。文中的研究對(duì)設(shè)備絕緣結(jié)構(gòu)優(yōu)化有參考價(jià)值，對(duì)改善設(shè)備絕緣性能、保障設(shè)備安全運(yùn)行具有重要意義。

1 換流變壓器閥側(cè)套管的模型構(gòu)建

環(huán)氧樹(shù)脂浸紙電容式套管由于其優(yōu)越的局放性能、無(wú)油可避免爆炸危險(xiǎn)以及適應(yīng)環(huán)境溫度等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛使用。套管主要由4個(gè)部分構(gòu)成：最內(nèi)層是導(dǎo)電桿，次內(nèi)層是環(huán)氧樹(shù)脂浸紙絕緣的電容芯子，次外層是SF6氣體，最外層是環(huán)氧筒和復(fù)合護(hù)套。閥側(cè)套管是典型的同軸電容分壓式結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部的電容芯子為層狀結(jié)構(gòu)，通過(guò)同軸電容屏起到強(qiáng)制分壓的效果，以達(dá)到使套管軸向和徑向電場(chǎng)分布均勻的目的。套管電場(chǎng)的徑向分量遠(yuǎn)大于軸向分量，因此在分析套管的電場(chǎng)分布時(shí)，以電場(chǎng)的徑向分量為主要研究對(duì)象。圖1為ABB公司制造的GGF型換流變壓器閥側(cè)套管示意圖。文中以±500 kV換流變壓器閥側(cè)套管為研究對(duì)象，建立特高壓直流套管簡(jiǎn)化仿真模型，包括導(dǎo)電桿、SF6氣體、環(huán)氧樹(shù)脂浸紙電容芯子、絕緣外套、均壓環(huán)及法蘭等部分。

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

套管模型的總長(zhǎng)度為12 500 mm，其中空氣端長(zhǎng)度為7 200 mm，油端長(zhǎng)度為3 200 mm，法蘭長(zhǎng)度為2 100 mm。均壓環(huán)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(cè)套管仿真模型Fig.2 Simulation model of valve-side busing of converter transformer

導(dǎo)電桿外電容芯子的絕緣紙層數(shù)在200層以上，為了方便模型的構(gòu)建和仿真計(jì)算，在建模中簡(jiǎn)化了該部分模型，通過(guò)增加絕緣介質(zhì)的厚度將絕緣介質(zhì)減少為10層，在不影響電場(chǎng)分布趨勢(shì)的情況下，提高仿真計(jì)算效率。電容芯子的每一層絕緣層外側(cè)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(duì)于套管電場(chǎng)分布影響很小，因此簡(jiǎn)化了套管中該部分結(jié)構(gòu)。法蘭的材質(zhì)為結(jié)構(gòu)鋼，套管兩端金具材質(zhì)為鋁合金。另外，還在套管最上方布置了雙大環(huán)結(jié)構(gòu)的鋁制均壓環(huán)。各材質(zhì)的物理參數(shù)如表1所示。

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

在考慮金屬顆粒對(duì)換流變閥側(cè)套管電場(chǎng)分布的影響時(shí)，由于金屬顆粒并非呈軸對(duì)稱分布，其位置有隨機(jī)性。針對(duì)該部分研究，將2D軸對(duì)稱模型沿對(duì)稱軸旋轉(zhuǎn)一周，建立換流變閥側(cè)套管3D模型，以便在模型中引入金屬顆粒。3D仿真模型見(jiàn)圖3。

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

圖4展現(xiàn)了在導(dǎo)電桿上施加交直流復(fù)合電壓時(shí)，兩環(huán)氧樹(shù)脂浸紙絕緣層間套管電場(chǎng)軸向分布情況。此時(shí)，電場(chǎng)的軸向分量幅值為0.254 kV/m，遠(yuǎn)小于閥側(cè)套管電場(chǎng)的徑向分量。因此，在后續(xù)的研究中，不再對(duì)套管電場(chǎng)的軸向分量進(jìn)行研究。

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

圖5為換流變壓器閥側(cè)套管仿真模型的截面，內(nèi)側(cè)黑色環(huán)形部分為導(dǎo)電桿，灰色部分為環(huán)氧樹(shù)脂浸紙絕緣層，導(dǎo)電桿至套管外壁的其余部分為SF6氣體。選取中心點(diǎn)到套管外壁的一條截線(圖中帶箭頭虛線)，對(duì)套管徑向電場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與分析。

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

2 考慮空間電荷時(shí)不同類型電壓下套管的電場(chǎng)分布特性

2.1 空間電荷的計(jì)算

空間電荷對(duì)絕緣介質(zhì)的絕緣性能影響很大，其產(chǎn)生、轉(zhuǎn)移和消散都會(huì)改變介質(zhì)內(nèi)部的局部電場(chǎng)分布。陷阱的存在和電荷注入是空間電荷能夠穩(wěn)定存在的重要因素。在陷阱強(qiáng)大的吸附力作用下，陷阱電荷能夠穩(wěn)定地存在，而電荷注入保證了載流子的產(chǎn)生和補(bǔ)充，促進(jìn)電荷入陷阱過(guò)程和脫陷阱過(guò)程的發(fā)生。套管絕緣介質(zhì)中存在大量的陷阱，在介質(zhì)的分界面上，由于2種介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)和電阻率不同，在介質(zhì)分界面上場(chǎng)強(qiáng)不連續(xù)，陷阱更容易產(chǎn)生，因此空間電荷在介質(zhì)分界面容易積聚。

在2種介質(zhì)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(zhì)分界面切向的場(chǎng)強(qiáng)；D1n，D2n分別為2種介質(zhì)分界面法向的電感應(yīng)強(qiáng)度；σ為分界面處的空間電荷密度。

對(duì)于圖6中的雙層介質(zhì)同軸圓柱結(jié)構(gòu)，將中部和最外層接地，只考慮空間電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)，不考慮外加電場(chǎng)，分析空間電荷對(duì)電場(chǎng)分布的影響，可以得到式(2)。

圖6 雙層介質(zhì)同軸圓柱結(jié)構(gòu)Fig.6 Coaxial cylindrical structure of double-layer medium

(2)

式中：r1，r2分別為最內(nèi)層與最外層的半徑；rk為介質(zhì)分界面處的半徑；E1，E2分別為雙層介質(zhì)中的電場(chǎng)強(qiáng)度；ε1，ε2分別為2種介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)；σ為分界面處的空間電荷密度。

通過(guò)求解式(2)的方程組，可得到2層介質(zhì)中的電場(chǎng)強(qiáng)度。

當(dāng)r1

(3)

當(dāng)rk

(4)

多層介質(zhì)的同軸圓柱結(jié)構(gòu)中，每一層分界面處均有空間電荷分布。對(duì)于n層介質(zhì)，可以通過(guò)式(5)得到第i(0

(5)

式中：r0，rn分別為最內(nèi)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(zhì)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(chǎn)生的電場(chǎng)分布情況，如圖8所示。在距離中心軸0.145 m處為2種介質(zhì)的分界面，空間電荷在SF6氣體側(cè)產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)為409 kV/m，在環(huán)氧樹(shù)脂浸紙側(cè)產(chǎn)生的電場(chǎng)為-915 kV/m。在分界面兩側(cè)產(chǎn)生的電場(chǎng)極性相反，在環(huán)氧樹(shù)脂浸紙絕緣層中的電場(chǎng)與外加電場(chǎng)反向。

施加500 kV直流穩(wěn)態(tài)電壓時(shí)，電場(chǎng)的徑向分布情況如圖9所示。直流電壓下，電場(chǎng)分布取決于絕緣介質(zhì)的電阻率，SF6氣體的電導(dǎo)率為10-18S/m，環(huán)氧樹(shù)脂浸紙的電導(dǎo)率為10-14S/m，相差104倍。圖中距離中心軸0.145 m處，SF6氣體側(cè)場(chǎng)強(qiáng)為3 652 kV/m，而環(huán)氧樹(shù)脂浸紙側(cè)的電場(chǎng)為0.364 kV/m，場(chǎng)強(qiáng)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(chǎng)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(chǎng)的徑向分布情況如圖10所示。SF6氣體側(cè)的電場(chǎng)有小幅增長(zhǎng)，而環(huán)氧樹(shù)脂浸紙側(cè)出現(xiàn)了一個(gè)反向的電場(chǎng)，該反向電場(chǎng)遠(yuǎn)大于外加電壓在環(huán)氧樹(shù)脂浸紙側(cè)中產(chǎn)生的電場(chǎng)，在空間電荷的影響下電場(chǎng)強(qiáng)度增幅巨大。

圖10 考慮空間電荷影響時(shí)500 kV直流電壓下的電場(chǎng)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(fù)荷的影響

根據(jù)文獻(xiàn)[11]提到的換流變壓器閥側(cè)繞組所承受的2種電壓比例，文中選取1∶3作為交、直流復(fù)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(shí)，套管內(nèi)部各層介質(zhì)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(shù)量級(jí)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(huì)在電場(chǎng)作用下不斷地進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而不容易被陷阱束縛，通過(guò)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(yuǎn)小于直流電壓下的空間電荷密度，后續(xù)研究也不再考慮交流電場(chǎng)下空間電荷對(duì)套管電場(chǎng)分布的影響。

圖11 166.7 kV交流電壓下介質(zhì)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(shí)，電場(chǎng)的徑向分布情況如圖12所示。工頻交流電壓下，電場(chǎng)分布取決于絕緣介質(zhì)的介電常數(shù)，SF6氣體的相對(duì)介電常數(shù)為1.002，而環(huán)氧樹(shù)脂浸紙的相對(duì)介電常數(shù)為4，相差4倍。圖中距離中心軸0.145 m處，SF6氣體側(cè)的電場(chǎng)強(qiáng)度為1 743 kV/m，而環(huán)氧樹(shù)脂浸紙側(cè)的電場(chǎng)為434 kV/m，場(chǎng)強(qiáng)之比與其相對(duì)介電常數(shù)之比較為吻合。

圖12 166.7 kV交流電壓下的電場(chǎng)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(duì)電場(chǎng)分布的影響

施加交直流復(fù)合電壓時(shí)，電場(chǎng)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(cè)的電場(chǎng)強(qiáng)度為5 447 kV/m，而環(huán)氧樹(shù)脂浸紙側(cè)的電場(chǎng)為1 357 kV/m。

圖13 交直流復(fù)合電壓下的電場(chǎng)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(chǎng)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(cè)的電場(chǎng)強(qiáng)度為5 857 kV/m，而環(huán)氧樹(shù)脂浸紙側(cè)的電場(chǎng)為441 kV/m。

圖14 考慮空間電荷影響時(shí)交直流復(fù)合電壓下的電場(chǎng)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(duì)電場(chǎng)分布的影響后，SF6氣體側(cè)的電場(chǎng)強(qiáng)度有所增加，環(huán)氧樹(shù)脂浸紙中的電場(chǎng)強(qiáng)度反而減小了。結(jié)合圖8，空間電荷在環(huán)氧樹(shù)脂浸紙絕緣層中會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與外加電場(chǎng)反向的電場(chǎng)，并且該電場(chǎng)與原外加電場(chǎng)沒(méi)有數(shù)量級(jí)上的差距，因此這里的空間電荷削弱了環(huán)氧樹(shù)脂浸紙絕緣介質(zhì)中的場(chǎng)強(qiáng)。

政策六：10月10日，國(guó)家發(fā)展改革委、文化和旅游部等13部門(mén)聯(lián)合印發(fā)《促進(jìn)鄉(xiāng)村旅游發(fā)展提質(zhì)升級(jí)行動(dòng)方案（2018年－2020年）》。

3 存在金屬顆粒時(shí)不同類型電壓下套管的電場(chǎng)分布特性

金屬顆粒的產(chǎn)生原因有很多，在設(shè)備的生產(chǎn)、安裝、維護(hù)過(guò)程以及常年的運(yùn)行中都會(huì)產(chǎn)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(chǎng)集中分布在其周圍，引發(fā)局部電場(chǎng)的嚴(yán)重畸變?；诮饘兕w粒的來(lái)源，其大小和位置有很大的差異，對(duì)于較大的金屬顆粒試樣，尺寸在10 mm之內(nèi)[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(jiàn)的金屬顆粒尺寸。

直流電壓下電場(chǎng)的方向不會(huì)改變，金屬顆粒在電場(chǎng)中更為活潑，更容易被吸附、積聚于設(shè)備表面。此外，在直流工況下設(shè)備的開(kāi)關(guān)、電壓的極性反轉(zhuǎn)等過(guò)程均為暫態(tài)過(guò)程，金屬顆粒的運(yùn)動(dòng)、積聚和穩(wěn)態(tài)時(shí)有很大的不同，對(duì)設(shè)備的絕緣性能有很大影響。交流電壓下電場(chǎng)的方向不斷改變，金屬顆粒受到電場(chǎng)力的方向也在不斷地變化，在電極之間進(jìn)行往復(fù)的運(yùn)動(dòng)，幾個(gè)周期之后才能夠抵達(dá)另一電極。

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

圖15 500 kV直流電壓下加入金屬顆粒后電場(chǎng)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(zhì)中局部電場(chǎng)的分布，使其周圍出現(xiàn)了1.26×105kV/m的場(chǎng)強(qiáng)。

對(duì)導(dǎo)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(chǎng)分布。對(duì)比直流電壓下存在金屬顆粒時(shí)的電場(chǎng)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(duì)電場(chǎng)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(chǎng)徑向分布Fig.16 Radial distribution of electric field under166.7 kV AC voltage after adding metal particle

對(duì)導(dǎo)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(fù)合電壓，可以得到如圖17所示的電場(chǎng)分布。

圖17 交直流復(fù)合電壓下加入金屬顆粒后套管電場(chǎng)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(duì)電場(chǎng)分布的影響較小，因此在交直流復(fù)合電壓下，存在金屬顆粒時(shí)套管徑向電場(chǎng)分布情況和直流電壓下相比基本沒(méi)有差別。

將金屬顆粒由電容芯子的外側(cè)移動(dòng)至絕緣外套的內(nèi)壁，統(tǒng)計(jì)金屬顆粒所在位置與套管中電場(chǎng)強(qiáng)度最大值之間的關(guān)系，如圖18所示。

圖18 金屬顆粒在不同位置時(shí)局部場(chǎng)強(qiáng)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(chǎng)強(qiáng)度基本沒(méi)有變化，由于金屬顆粒對(duì)局部電場(chǎng)的畸變程度取決于所在位置處電場(chǎng)強(qiáng)度的大小，此時(shí)金屬顆粒周圍電場(chǎng)強(qiáng)度的最大值與其位置關(guān)系不大。

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

圖19 考慮空間電荷影響時(shí)交直流復(fù)合電壓下的電場(chǎng)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(chǎng)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(zhì)中局部電場(chǎng)的分布，使其周圍出現(xiàn)了5.02×105kV/m的場(chǎng)強(qiáng)。因此，引入空間電荷會(huì)加劇金屬顆粒對(duì)其周圍電場(chǎng)畸變程度的影響。

4 結(jié)語(yǔ)

文中研究了考慮空間電荷影響時(shí)交直流復(fù)合電壓下?lián)Q流變壓器閥側(cè)套管的電場(chǎng)分布情況，并且分析了存在金屬顆粒時(shí)套管的電場(chǎng)分布。文中對(duì)換流變閥側(cè)套管建立有限元仿真模型，結(jié)果表明，交直流復(fù)合電壓下空間電荷的積聚，能夠引發(fā)套管內(nèi)部局部電場(chǎng)的畸變。直流電壓下金屬顆粒的存在會(huì)使局部場(chǎng)強(qiáng)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(huì)加劇金屬顆粒對(duì)其周圍電場(chǎng)畸變程度的影響。

文中對(duì)換流變壓器閥側(cè)套管的電場(chǎng)分布情況進(jìn)行了研究，相關(guān)結(jié)論可以為電力設(shè)備故障診斷提供參考，對(duì)于改善設(shè)備絕緣性能、保障設(shè)備安全運(yùn)行具有重要意義；同時(shí)，對(duì)進(jìn)一步探究時(shí)域上空間電荷對(duì)換流變壓器閥側(cè)套管電場(chǎng)分布的動(dòng)態(tài)影響，以及金屬顆粒在電場(chǎng)作用下的遷移對(duì)電場(chǎng)分布的影響等方面能夠起到指導(dǎo)性的作用。