特高壓±1 600 kV直流發生器空間電場分布仿真分析

張宗喜，甘德剛，朱天宇

(國網四川省電力公司電力科學研究院，成都　610072)

特高壓±1 600 kV直流發生器空間電場分布仿真分析

張宗喜，甘德剛，朱天宇

(國網四川省電力公司電力科學研究院，成都610072)

摘要：特高壓直流輸電是國家電網公司跨區域遠距離輸電的重要手段，±1 600 kV特高壓直流電壓發生器是提供直流高壓試驗電壓的重要設備，主要用于直流電氣設備的檢測試驗。為保障直流輸電設備的安全運行，采用空間電場分析軟件對直流發生器開展周圍空間的電場分布進行數值模擬研究，分析其曲率半徑的變化，電場強度的變化規律及影響因素，為直流電壓發生器的試驗室布局及編制現場試驗安全規程提供了有利的數值依據，并針對性提出電場分布優化的措施。

關鍵詞：直流電壓發生器；電場計算；電暈；電場優化

四川作為我國的重要水電能源基地，同時又位于西電東送工程的送端，區域內在建多個電源點，包括錦屏、向家壩、溪洛渡等重大工程。高電壓等級輸變電設備安全可靠的穩定運行是在實施“西電東送、全國聯網”特高壓直流輸電工程中的首要前提條件[1]。目前四川電網已建成3座±800kV特高壓換流站。±1 600kV特高壓直流電壓發生器是提供直流高壓試驗電壓的重要設備，主要用于直流電氣設備的試驗，是四川特高壓試驗基地建設的關鍵試驗設備。設備電暈對將來要進行的試驗研究結果會帶來很大影響，而電暈的強烈程度直接取決于發生器部件的表面場強分布。為更好地向特高壓輸變電設備提供技術支撐，需要開展±1 600kV直流發生器空間電場分布仿真分析，這對直流電壓發生器的選型、試驗室布局及編制現場試驗安全規程具有重要意義。

1直流電壓發生器原理

±1 600kV特高壓直流電壓發生器采用4級倍壓回路。直流電壓發生器的原理是通過倍壓整流電路構成，以倍壓整流回路為基本單元形成n級倍壓單元，空載時最高輸出直流電壓為2nU-ΔU(U為充電變壓器輸出電壓幅值)。交流電源的正半波和負半波都可以向倍壓回路的電容C進行充電，同時直流電壓發生器本體設計的濾波電容使電壓脈動和電壓降落能夠得到充分的優化改善。直流電壓發生器的原理圖如圖1所示。

圖1　直流電壓發生器原理圖

直流電壓發生器空載時各級倍壓單元輸出電壓及倍壓電路輸出電壓的降落ΔU和脈動振幅σU的公式如下：

(1)

式中n——級數；Iav——輸出電流平均值；f——電源頻率；C——右邊各級電容器的電容量。

直流電壓發生器額定輸出電壓為1 600kV，額定輸出電流為30mA。本體為兩柱式結構，交流柱和直流柱對稱布置，頂部均壓環的直徑為6.1m，本體的總體高度為12.1m，對應的分壓器頂部均壓環直徑為3.8m，由6級阻容分壓單元串級組成，高度為12.1m；直流電壓發生器本體與分壓器之間由保護電阻相連，同時本體和分壓器與接地柱頂罩均由不銹鋼管焊接而成，進而減小在高電壓下電暈的強度。

2電場計算理論方法與仿真建模

由于直流電壓發生器邊界較為復雜，用解析法難以得出其表達式，所以本次計算采用數值法。在數值法中又可以分為有限差分法(FDM)、有限單元法(FEM)、邊界元素法(BEM)、矩量法(MOM)等多種形式，本文對空間電場的計算選用有限單元法(FEM)。靜電場能量可表示為待定電位函數及其導數的積分式。同時對于電、磁場邊值來說，靜電學中的湯姆遜定理即是描述靜電現象的最小作用原理，即處于介質中一個固定的帶電導體系統，其表面上電荷的分布，應使合成的靜電場具有最小的靜電能量[2-6]。

2.1理論計算分析

在只考慮屏蔽電極單獨作用時的變化規律。對屏蔽電極而言，其形狀與一橢圓旋轉體相似，因此首先可用橢圓旋轉體的理論場強計算公式對其場強大小進行估計，在橢球導體表面上(θ=0)的電場強度為：

(2)

(3)

式中a，b，c——橢圓旋轉體的長短軸(b=c)；V0——橢圓旋轉體表面的電位大小。

在橢球面上，

(4)

(5)

(6)

由此可見，在橢球面上，Emax出現在軸半徑最長之處。由于主要關注的是最大電場強度，所以可通過式(3)和式(4)求出橢圓旋轉體的最大電場強度[7-11]。

2.2仿真分析模型

參照特高壓直流電壓發生器的制造參數，在仿真分析中電容器柱采用介質填充模擬，相對介電常數ξr取2.55。金屬法蘭和頂部均壓環ξr為1。同時考慮到在有限元計算中只能處理有限區域空間問題，由于計算精度和計算時間的限制，經分析計算區域的邊界取為30m、高30m的圓柱域邊界，內部介質為空氣。直流發生器仿真模型如圖2所示。

圖2　直流發生器仿真模型

3空間電場分布仿真分析

3.1直流電壓發生器空間電場分布

通過靜電場仿真軟件對參照直流電壓發生器實際參數建立的模型開展空間電場分布的仿真分析，可以較為清晰地了解發生器各部分的電場分部情況。在發生器本體及分壓器支柱法蘭未采取均壓環時，仿真結果如圖3所示。

圖3　發生器整體電場分布圖

通過電場強度探針來測量直流電壓發生器周圍電場強度值的大小，此時的最大電場強度出現在直流發生器本體及分壓器第4級法蘭附近，約為15.66kV/cm；再向下其電場強度值有所減小，在第3個法蘭位置可測量到的最大電場強度為11.5kV/cm，第4個法蘭位置可測量到的最大電場強度為6.2kV/cm；再向下已很小，可不考慮。這些高場強的分布主要是因為法蘭上的高電壓和其自身的尺寸小曲率半徑小造成的。

參考目前直流高壓發生器的設計最大場強一般控制在10kV/cm左右，顯然通過仿真分析發生器本體出現的最大場強超出了這一要求。由于影響電場分部的主要因素是電壓和電極的尺寸及形狀，為進一步改善直流發生器本體電場的分布，對該電壓發生器本體和分壓器的本體連接處的法蘭加裝均壓環等措施來改善電場分部。通過分析計算對應發生器本體和分壓器的防暈均壓環的管徑取為300mm。加裝均壓環后局部見圖4。

圖4　發生器及分壓器加裝均壓環圖

經仿真分析，得到改進后發生器整體電場分布圖如圖5所示。

圖5　改進后發生器整體電場分布圖

此時通過電場強度測試探針測量直流電壓發生器周圍的電場強度值的大小，最大電場仍處于發生器本體及分壓器的頂部，約為12.1kV/cm。為了保留一定的裕度，可以考慮在此處增加一均壓環，使其電場強度能進一步降低。但將法蘭形狀改變后，直流柱的最大電場強度未超過8.9kV/cm，則滿足常規設計的要求。

3.2實際應用

對發生器本體支柱法蘭加裝均壓環等措施后，該直流高壓發生器于2012年12在四川電力科學研究院高壓試驗室正式投入運行，并通過對具體高壓直流電氣設備開展了試驗室試驗，目前設備運行正常，未出現因電暈的影響造成試驗數據異常的現象。

4結語

在影響直流電壓發生器空間電場強度的分布因素中，屏蔽電極所占比重最大，支架的影響較微弱。由于支架本身具有高電壓，形狀較小，所以最大電場反而產生在其法蘭表面，因此應對法蘭的曲率半徑大小和表面光潔度引起重視；均壓環可改變電場的分布，在對電場局部調整中作用較大。通過對法蘭處加裝均壓環和優化均壓環的曲率半徑大小進行仿真計算，使得直流電壓發生器的空間電場控制在10kV/cm附近，對應本體和分壓器的防暈均壓環的管徑大約取為300mm。

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(本文編輯：趙艷粉)

Simulation Analysis of UHV ±1600kV DC Generator Electric Field Distribution

ZHANG Zong-xi, GAN De-gang, ZHU Tian-yu

(SichuanElectricPowerResearchInstitute,Chengdu610072,China)

Abstract:UHVDC (ultra high voltage direct current) is an important method for State Grid Corporation of China to achieve inter-regional long-distance power transmission. ±1600kV UHVDC generator is an important equipment to provide HVDC test voltage, mainly used for testing the DC electrical equipment. In order to guarantee the safe operation of DC transmission equipment, this paper uses electric field analysis software to simulate the electric field distribution in the space around the DC generator and carry out numerical analysis. Through analyzing changes in the radius of curvature and variation of the electric field strength and influencing factors, it provides a favorable numerical basis for laboratory layout of DC voltage generator and preparation of safety regulations in field trials. Finally the targeted measures to optimize the electric field distribution is proposed.

Key words:DC voltage generator; field calculation; corona; field optimization

DOI：10.11973/dlyny201603018

作者簡介：張宗喜(1984)，男，高級工程師，從事高電壓絕緣與在線檢測及診斷工作。

中圖分類號：TM83

文獻標志碼：A

文章編號：2095-1256(2016)03-0340-04

收稿日期：2016-02-23