空間電荷效應下±1 000 kV直流穿墻套管電場計算

張用，劉軍，韓德順，王昭鑫，程艷，孫樹敏，張黎，辛征，張麗娜

（1．國網山東省電力公司電力科學研究院，濟南250003；2.山東電力調度控制中心，濟南250002；3．山東大學，濟南250002；4.濟南西門子變壓器有限公司，濟南250024）

空間電荷效應下±1 000 kV直流穿墻套管電場計算

張用1，劉軍4，韓德順2，王昭鑫2，程艷1，孫樹敏1，張黎3，辛征3，張麗娜3

（1．國網山東省電力公司電力科學研究院，濟南250003；2.山東電力調度控制中心，濟南250002；3．山東大學，濟南250002；4.濟南西門子變壓器有限公司，濟南250024）

±1 000 kV直流穿墻套管是一個復雜的絕緣系統，在運行過程中空間電荷會導致絕緣介質內部的電場畸變，材料的絕緣極易破壞甚至擊穿。利用有限元電場分析軟件ElecNet搭建±1 000 kV直流穿墻套管的模型，對強場空間電荷效應下高壓套管在直流、交流、極性反轉等不同工況條件下的電場分布進行了仿真分析，為套管的設計研制提供參考依據。

特高壓；直流穿墻套管；空間電荷效應；極性反轉

0　引言

特高壓直流穿墻套管作為特高壓直流輸電系統的重要設備，在電力的經濟傳送、靈活分配和安全使用中具有關鍵作用。但高壓套管存在局部放電、介質性能、耐熱性等難以解決的問題，特高壓直流穿墻套管的絕緣優化設計一直是一個難題。空間電荷問題是穿墻套管研究的難點之一，套管在運行過程中將承受多種激勵，如直流、交流、極性反轉等。在所有工況下，絕緣介質內部的電場分布都會受到空間電荷轉移、消失等情況的影響，極易導致材料的絕緣破壞甚至擊穿［1］。因此，有必要對特高壓直流穿墻套管在強電場環境下的電場分布和空間電荷效應展開深入研究。

利用有限元電場分析軟件對±1 000 kV直流穿墻套管的電場分布進行研究。首先，以±1 000 kV特高壓直流穿墻套管為研究對象，利用軟件ElecNet建立考慮空間電荷分布的特高壓穿墻套管結構模型，研究直流穩態、交流穩態和極性反轉瞬態過程中空間電荷與電場變化的內在關系，研究特高壓直流穿墻套管在不同工況下考慮空間電荷影響的電場分布。這對特高壓直流高端設備的研制，以及特高壓直流輸電技術的發展，都具有重要的應用價值、經濟價值和社會效益。

1　空間電荷理論及計算

空間電荷主要由同極性電荷和異極性電荷組成，前者由電極注入的可遷移和入陷的載流子產生，在高電場作用下，它們是主要因素，稱為同極性空間電荷；后者是因為有機或無機雜質在電場作用下被電離并發生遷移造成的，當電場較低時，它們是主要因素，稱為異極性電荷［2］。這些空間電荷會畸變聚合物內部電場的分布，使其介電性能發生變化，直接對聚合物絕緣材料的電導、擊穿破壞、老化等方面的電學特性有明顯影響。

電磁場麥克斯韋方程組的積分形式為

式中：D為電位移矢量，C/m2；E為電場強度，V/m；B為磁感應強度，T；H為磁場強度，A/m；J為電流密度，A/m2；ρ為電荷密度，C/m3。

在直流電壓下，高壓套管處于靜電場中，忽略電磁感應，可推導出麥克斯韋方程組的微分形式：

以及兩種或多種媒介質分界面處的銜接條件：

在工頻交流電壓下，感應電場很小，可忽略不計。因此，此時麥克斯韋方程組的微分形式為

介質交界面處的銜接條件與靜電場相同。

在電壓極性反轉過程中，麥克斯韋方程組的微分形式為

此時介質交界面處的銜接條件：

式中：E1t和E2t分別為介質1和介質2中電場的切線分量；D2n和D1n分別為介質1和2中電感應強度；H1t和H2t分別為兩種介質中的磁場強度；B1n和B2n則是兩種介質中的磁感應強度。

根據式（1）～（6），可以得到在3種工況下都適用的介質分界面上空間電荷面密度計算公式，即：

2　空間電荷效應下的電場分析

建立±1 000 kV的高壓直流套管的簡化模型，如圖1所示。所建模型是套管剖分面一半的平面二維模型。為了簡化，建模時將絕緣介質厚度增加，將層數減到10層，并不會改變電場的整體分布趨勢。將每層絕緣紙板的外側面設置成浮動電極，來代表包繞的鋁箔。

圖1　±1 000 kV特高壓直流套管有限元模型

2.1直流電壓下的電場分布和空間電荷計算

用Transient 2D求解器求解，得到施加直流電壓過程中空間電荷積聚過程，以及電場強度分布的變化情況。徑向電場分布比較如圖2所示。

由圖2知，空間電荷對直流電壓下高壓套管的電場分布具有比較大的影響，由于空間電荷在直流電壓的作用下聚集在套管內部，從而導致套管內部的電場分布產生畸變。

圖2　有無空間電荷積累時徑向電場分布對比

2.2交流電壓下的電場分布和空間電荷計算

在套管上施加800 kV的正弦交流電壓，用Time Harmonic 2D求解器求解，可得電容芯子中的徑向電場分布，如圖3所示。

圖3　交流穩態電壓下徑向電場分布

用Time Harmonic 2D求解器求解，觀察空間電荷的積累對交流穩態條件下電場分布的影響。根據計算結果，無論空間電荷的存在與否，電荷量的增加或減小，計算得到的電場分布曲線是幾乎重合的。用Transient 2D求解器求解，結果顯示，電場強度的分布情況隨時間的變化而改變，但其值始終小于2×104kV/m。上述結果表明，在交流穩態情況下，空間電荷對于套管內部的電場強度分布影響較小；而在暫態瞬間，空間電荷的積累對高壓套管內部電場強度的分布有一定影響，也會在局部出現電場強度值激增的情況。

2.3極性反轉工況下的電場分析

直流傳輸系統中潮流的方向和大小是由控制系統所控制，會發生潮流極性反轉［5］。在極性反轉瞬間，空間電荷未能消散，其數量及分布幾乎不變。此時，由外施電壓產生的電場和由空間電荷產生的電場將互相疊加，出現局部場強值急劇增大的現象，從而容易對套管造成擊穿［6］。根據設備的實際運行狀況及相關的實驗，極性反轉過程中高壓直流套管發生絕緣故障的概率大大增加。因此，對高壓套管在極性反轉工況下電場的分布和空間電荷變化規律進行分析是很有必要的。

根據IEC 62199中相關規定，實驗設備的速度決定了記性反轉的時間，極性反轉時間不能長于2 min［7］。因此，本仿真中極性反轉時間的設定遠小于空間電荷的擴散時間，以確保仿真的準確性［8-9］。本仿真中具體設置的步長如表1所示。

表1　極性反轉的計算步長

通過Transient 2D求解器，得套管室內極性反轉前后及反轉瞬間電場分布云圖，如圖5所示。

圖4　極性反轉過程中電場分布對比

由圖4知，極性反轉過程使總體電場強度增大，這因為反轉時間極短，電極電壓變化率大，空間電荷來不及擴散，空間電荷引起的場強與電極產生的場強疊加，使電場強度瞬間增大。極性反轉結束之后，電場值逐漸減小并趨于穩定。

因此，當在實際運行中發生潮流極性反轉時，套管中空間電荷會對周圍的電場造成嚴重的畸變作用，從而引起設備的閃絡或擊穿，對高壓直流輸電設備乃至整個系統安全穩定運行造成嚴重的威脅。

3　結語

圍繞特高壓直流（±1 000 kV）套管電場分布，研究了考慮空間電荷效應的特高壓直流套管電場分布。利用軟件Elecnet搭建了±1 000 kV高壓直流穿墻套管模型，對各種工況（直流、交流、極性反轉）下特高壓直流套管電場分布等內容進行了探索，為套管的設計研制提供了有價值的參考依據。

［1］王云杉，周遠翔，李光范，等.油紙絕緣介質的空間電荷積聚與消散特［J］.高電壓技術，2008，34（5）：873-877.

［2］周遠翔，王寧華，王云杉，等.固體電介質空間電荷研究進展［J］.電工技術學報，2008，23（9）：16-25.

［3］陳忠，伍衡，黃和燕，等.±800 kV直流穿墻套管耐壓試驗發生外閃原因分析及改進措施［J］.高電壓技術，2011，37（9）：2133-2 139.

［4］M Li，D Kim，D A Lowther，et al.A Sensitivity Approach to Force Calculation in Electrostatic MEMS Devices［J］.IEEE Transaction on Magnetics，2008，44：1 610-1 613.

［5］趙畹君.高壓直流輸電工程技術［M］.北京：中國電力出版社，2004：109-110.

［6］L Li，F Ji，G Liu，et al.Calculation of Transient Electric Field of Converter Transformer under Polarity Reversal Voltage［C］.14th Biennial IEEE Conference on Electromagnetic Field Computation，2010，1（1）：1-4.

［7］IEC 62199—2004Bushings for D.C.application［S］.

［8］T Hasegawa，M Hatano，K Yamaji，et al.Dielectric strength of transformer insulation at DC polarity reversal［J］.IEEE Transac tions on Power Delivery，1997，12（4）：1526-1531.

［9］T Nara，K Kato，F Endo，et al.Study on dielectric breakdown at DC polarity reversal in oil/pressboard-composite insulation system［C］.Electrical Insulation and Dielectric Phenomena Conf.，2009：588-591.

Electric Field Calculation of±1 000 kV DC Wall Casing under Space-charge Effect

ZHANG Yong1，LIU Jun4，HAN Deshun2，WANG Zhaoxin2，CHENG Yan1，SUN Shumin1，ZHANG Li3，XIN Zheng3，ZHANG Lina3
（1.State Grid Shandong Electric Power Research Institute，Jinan 250003，China；2.Shandong Electric Power Dispatching and Control Center，Jinan 250002，China；3.Shandong University，Jinan 250002，China；4.Jinan SIEMENS Transformer Co.，Ltd.，Jinan 250024，China）

±1 000 kV DC wall casing is a complex insulation system，the existence of space charge will distort electric field distribution inside the insulating medium in the process of operation，leading to insulation damage and even breakdown of the material.The model of±1 000 kV DC wall casing is set up by ElecNet.With the space-charge effect of strong field，the distribution of electric field under different working conditions，such as direct current，alternating current and polarity reversal condition，are analyzed in the simulation.The results can provide

for casing design.

ultra-high voltage；DC wall casing；space-charge effect；polarity reversal

TM72

A

1007－9904（2015）10－0005－04

2015-07-28

張用（1983），男，工程師，從事高電壓技術、電力電子技術方面的研究工作。