基于有限元的模塊化多電平換流器絕緣結構分析

張軍，吳金龍，梁云丹，陳小軍，姚為正

(1.西安許繼電力電子技術有限公司，西安市710075;2.國家電網運營監測(控)中心，北京市100031;3.國家電網公司運行分公司，北京市100052)

0 引言

隨著光伏發電、風能發電等可再生能源利用規模的不斷擴大，其固有的分散性、小型性、遠離負荷中心等特點，使得采用交流輸電技術或傳統的直流輸電技術聯網很不經濟［1］。隨著電力電子器件和控制技術的發展，產生了一種新型的直流輸電技術，稱之為柔性直流輸電系統或輕型直流輸電系統，這是一種基于電壓源型換流器的直流(voltage-sourced converter highvoltage direct current，VSC-HVDC)輸電技術，與基于自然換相技術的電流源型換流器的傳統直流輸電不同，VSC-HVDC輸電技術采用了可控關斷器件和以脈寬調制(PWM 技術)為基礎［2-6］。

換流閥作為核心部件一直是研究的重點，也是換流站設計中最重要的任務。VSC-HVDC換流閥的設計應用了電力電子技術、光控轉換技術、高電壓技術、控制技術、均壓技術、冷卻技術和高壓用絕緣材料等最新技術和研究成果［7-8］。

在柔性直流輸電系統中，MMC作為核心設備在運行中處于高電壓大電流的工作狀態。高電壓絕緣技術是換流閥中比較突出的問題，從本質上來說絕緣結構的絕緣強度就是其承擔電場強度的能力［9-10］。

作為一個高電壓大功率的電氣設備，換流閥的絕緣結構對于設備的安全運行非常重要。在換流閥的絕緣結構中分別采用了固體絕緣和空氣絕緣，由于空氣的絕緣強度遠小于固體絕緣介質，實際運行或試驗中電暈、擊穿放電、爬電等絕緣故障都是由于其局部的電場超過空氣的擊穿場強的臨界值引起的［11-14］，因此換流閥的電場分析對于絕緣結構設計是非常必要的。由于空氣間隙結構和帶電體的形狀比較復雜，采用估算方法可能導致較大的誤差，采用有限元法可以得到比較準確的電場計算結果。

本文以±320 kV模塊化多電平電壓源換流閥作為研究對象，采用有限元分析方法來計算換流閥的電場分布。對換流閥內部層間、閥塔對地等位置空氣間隙的電場進行計算，分析換流閥內部空氣間隙的絕緣強度;對換流閥外表面的電場分布進行計算，以研究換流閥外側是否會發生絕緣故障以及通過計算研究屏蔽罩的性能;通過對換流閥之間空氣絕緣強度的分析，研究模塊化多電平換流站閥廳的布局。

1 換流閥電場計算模型分析

MMC作為柔性直流輸電的核心設備，運行于高電壓、大電流條件下。對應的是該設備處于強電場和強磁場的運行環境中，其高壓絕緣問題是最突出的問題之一。在換流閥的實際應用中采用空間絕緣和固體介質絕緣。從本質上講，通過電場強度、電場分布均勻程度等可以分析和判斷其絕緣結構的絕緣性能。

在實際的三維空間中，電場的定解條件為

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。具體邊界條件設置要根據計算模型的實際情況來進行分析和判斷。

由式(2)可以判斷出:電場是電位梯度，在電位變化比較劇烈的位置電場值很大。在換流閥中，金屬部件都是高電位，因此其附近的空氣間隙中電場分布會比較集中。

實際中子模塊都是封裝好的，同時模塊的外殼都是鐵質材料，模塊內部的電磁特性不會影響到外部。因此在建立模型時，將子模塊等效為一個整體。閥塔的總寬為3 200 mm，長為4 500 mm，閥塔距地面高為3 700 mm。

根據電場計算的方法建立換流閥的有限元模型，如圖1所示。

圖1 模塊化多電平柔性直流輸電換流閥有限元模型Fig.1 Finite element model of MMC

根據實際中閥廳尺寸建立換流閥的求解域，其中閥塔底部的對地支撐絕緣子連接地面與閥塔。閥塔的求解域如圖2所示。

圖2 閥塔的求解域Fig.2 Solving region of MMC

閥廳的頂部、地面以及四周墻壁都接地，都屬于0電位。根據公式(1)可知:在計算電場時邊界條件為第一類邊界條件。

2 換流閥內部空氣絕緣強度分析

按照實際工況中最極端的情況進行閥塔絕緣結構分析，子模塊的最大電壓為2.6 kV，實際閥塔運行中如果超過該值，子模塊將進行保護動作。

為了研究閥塔內部空氣間隙的絕緣強度，對閥塔中局部位置的電場進行分析。經過計算，得到閥塔頂部，空氣間隙中最大電場的位置如圖3所示。

圖3 換流閥頂部空氣間隙中最大電場位置Fig.3 Maximum electric field strength in the top air gap of MMC

組件端部金屬橫梁相連的電流銅排和均壓環之間的電壓差最大，最高可為12個子模塊兩端的電壓值之和，即31.2 kV;而銅排和均壓環之間的最小空氣間隙距離為199.5 mm。最大電場強度出現在出線端電流母排的頂部位置，由于頂部均壓環的屏蔽作用以及母排自身也采取了圓角的設計，因此在該點處最大電場也只有1.13 kV/mm，該值小于空氣的臨界場強。

閥塔頂部均壓環和頂部子模塊之間的空氣間隙中，電場強度較大。經過計算得到閥塔頂部子模塊和均壓環之間的電場分布如圖4所示。

圖4 閥塔頂部和均壓環之間空氣間隙中的電場分布Fig.4 Electric field distribution in air gap between valve top and grading ring

由圖4可以看出:由于均壓環的作用，電場比較大的區域集中到了閥塔外側，最大電場為0.25 kV/mm;在閥塔和均壓環內部的電場是非常均勻的，最大電場值為0.08 kV/mm，最小電場值為0.016 kV/mm。在閥塔頂部電場強度比較小，而且電場分布也均勻，因此該位置處的空氣絕緣性能較好，可以保證進線端和均壓環之間的空氣不會發生放電現象。子模塊和控制單元等都會處于比較穩定的電場環境中。

在閥塔中層間絕緣子起著支撐上下組件的作用，除了對機械強度有一定要求外，電氣性能也很重要。層間絕緣子的高度就是換流閥層間空氣間隙的高度。本文中上下組件之間的距離為850 mm，絕緣子兩端最大電位差是12個子模塊的電壓，最大可以達到31.2 kV。層間空氣間隙和絕緣子附近空氣間隙中的電場分布如圖5所示。

圖5 閥層間空氣間隙和層間絕緣子附近的電場分布Fig.5 Electric field distribution in air gap or around insulator

屏蔽罩和金屬橫梁是等電位，上下屏蔽罩之間的最小距離為685 mm，最大電場出現在屏蔽罩的頂點處，最大電場值也只有0.2 kV/mm，遠小于空氣中電場的擊穿場強。由于屏蔽罩對電場分布具有改善作用，因此金屬橫梁尖角處的電場分布比較均勻。

通過電場計算可以得出:閥塔層間空氣間隙的絕緣強度可以滿足工程需求。

3 換流閥外部空氣絕緣強度分析

MMC采用了支撐式結構，如圖1所示，本文中閥塔和地面的之間的距離為3 700 mm。閥塔與地面之間空氣絕緣強度的分析是非常重要的。在MMC的絕緣型式試驗中，對支撐結構的耐壓試驗是進行閥塔支撐絕緣子設計的關鍵步驟。在分析換流閥外部對地空氣絕緣強度時，按照絕緣型式試驗的條件進行計算。試驗中采用的是標準雷電波形1.2/50 μs，電壓峰值為1 175 kV。

雷電沖擊試驗條件下，換流閥對地的最大電場分布如圖6所示。

由圖6可知:在雷電沖擊電壓作用下，換流閥和地面之間最大的電場為1.8 kV/mm，該值已經非常接近空氣擊穿場強的臨界值，最大電場的值在屏蔽罩下端位置處。金屬橫梁上的對地電壓為1 175 kV，金屬橫梁上尖角處是電場比較集中的位置，容易發生尖端放電或者爬電等現象，屏蔽罩的結構改善了金屬橫梁附近的電場分布。

圖6 雷電沖擊電壓作用下支撐絕緣子附件空氣間隙的電場分布Fig.6 Electric field distribution in air gap around support insulator under lighting impulse voltage

在2個支撐絕緣子連接處有一定的空氣間隙，在雷電沖擊下，這些很細微的空氣間隙中有可能承擔比較大的電場強度，采用均壓罩的設計后，電場強度就集中到了均壓罩的外側，如圖6所示。

由上述結果可以判斷在換流閥試驗和運行的過程中，閥塔和地面之間的空氣間隙中不會發生放電等絕緣故障。

換流閥運行時，閥塔表面的空氣中存在強電場。空氣的擊穿特性受到電場分布影響，在均勻電場和極不均勻電場中空氣起始放電電壓差距很大。

通過閥塔外表面上的電場分布來分析閥塔外表面空氣絕緣強度。

閥塔x方向外表面和y方向外表面電場分布如圖7所示。

圖7 閥塔外表面電場分布Fig.7 Electric field distribution on valve surface

由圖7可知:在閥塔x方向上的外表面電場分布比較均勻，最大電場和最小電場相差不到4倍，最大電場的位置在閥塔頂部均壓環外側，其中最大電場值為0.74 kV/mm。在y方向一側表面上的電場分布也非常均勻，電場較大的位置主要在端部屏蔽罩的拐角處，其中最大電場值為0.4 kV/mm。由于屏蔽罩的應用，改善了金屬部件尖角處的電場，同時閥塔外側電場分布均勻，電場強度比較小。

4 閥塔之間空氣絕緣強度分析

閥廳中相鄰的閥塔之間也存在著比較大的電位差，閥塔之間空氣間隙的電場強度是由2個閥塔共同決定。相鄰閥塔存在2種情況:同一橋臂的閥塔和相鄰橋臂的閥塔。

閥廳中的布局如圖8所示。

圖8 閥廳中閥塔的位置示意圖Fig.8 Location of valve tower in hall

針對上述2種情況，分別通過電壓的變化分析閥塔之間空氣間隙的絕緣強度。

A+和B+進線端1號閥塔之間中心連線上的電場強度變化如圖9所示。

圖9 A+和B+進線端1號閥塔之間的電場變化趨勢Fig.9 Change trend of electric field strength between A+and B+terminals in No.1 valve tower

A+和B+相鄰橋臂中1號閥塔之間的空氣間隙承擔的電壓可以近似等效為閥側線電壓值即344 kV，而這 2個閥塔之間的空氣凈距離為3 700 mm。圖9中:1.5～5.2 m的距離為閥塔之間的空氣間隙，閥塔之間的電場強度在距離A+閥塔中心2 m左右的地方達到最大電場強度，即0.105 kV/mm。橋臂間電壓最大時A+和B+閥塔對地電位符號相反，因此在空氣間隙中電場互相加強，閥塔之間的電場值均在0.06 kV/mm以上。

A+進線端1號閥塔和2號閥塔之間中心連線上的電場強度變化如圖10所示。

圖10 A+進線端1號和2號閥塔之間電場變化趨勢Fig.10 Change trend of electric field strength between No.1 and No.2 valve towers with A+terminal

在圖10中，1號和2號閥塔外側的空氣凈距離為2 000 mm，空氣間隙中承擔的電壓差最大約為78 kV。在1號閥塔屏蔽罩外表面位置即圖10中2.2 m位置附近，達到最大電場強度，即0.107 kV/mm。2.2～4.2 m的距離為閥塔之間的空氣間隙，同一橋臂的電壓相位相同，因此在空氣間隙中電場具有相互減弱下降的趨勢。

5 結論

在本文分析的模塊化多電平柔性直流輸電換流閥的絕緣強度中，層間空氣絕緣、閥塔對地空氣絕緣、換流閥外表面的空氣介質中承擔的電場強度都能滿足換流閥安全運行的要求。由于采用了屏蔽結構，換流閥外表面的電場分布比較均勻。

換流閥層間空氣間隙的絕緣強度決定于子模塊運行中的最大電壓值，采用子模塊過壓保護電壓最大值來進行絕緣性能評估和絕緣結構設計。由于采用了支撐結構，換流閥對地空氣間隙中的絕緣強度比較關鍵。極端情況下電場可以比較合理地分析閥塔對地空氣間隙的絕緣強度，并在此基礎上指導閥塔支撐結構的設計。通過閥塔之間空氣間隙中電場計算，為閥廳的布局提供了參考。

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