±1100kV特高壓直流換流站均壓裝置概念設計及結構優化

張煒 常林晶 楊國華 彭宗仁 王加龍 劉桂華

【摘 要】本文針對特高壓直流換流站直流金具均壓裝置進行概念設計，選取典型均壓裝置進行分析對比，對均壓裝置電場強度集中的區域進行優化，降低均壓裝置的最大電場強度。通過仿真分析，進行優化設計，對幾種典型結構進行分析對比，確定±1100kV均壓裝置的推薦結構。對優化后的均壓裝置進行試制，并進行試驗驗證，確定±1100kV特高壓換流站典型均壓裝置的結構。本項目的研究對于±1100kV特高壓直流工程均壓裝置設計具有指導意義，對推動特高壓直流輸電技術的進步和發展具有重大意義。

【關鍵詞】換流站;均壓裝置;仿真分析;直流金具

中圖分類號： TM723 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）24-0106-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.24.049

【Abstract】This paper introduces the conceptual design of the shielding device for DC fittings of UHVDC converter station. Select a typical shielding device for analysis and comparison. The area of ？？the shielding device where the electric field strength is concentrated is optimized to reduce the maximum electric field strength of the shielding device. Through simulation analysis， the optimized design was carried out， several typical structures were analyzed and compared， and the recommended structure of ±1100kV shielding device was determined. The optimized shielding device has been prototyped and tested to determine the structure of a typical shielding device for a ±1100kV UHV converter station. The research of this project has guiding significance for the design of ±1100kV UHV DC engineering shielding device， and is of great significance for promoting the progress and development of UHV DC transmission technology.

【Key words】UHV DC; Shielding device; Simulation analysis; DC fittings

0 前言

在±1100kV 直流工程中，直流電壓由±800kV提升到±1100kV，相應極線操作沖擊耐受電壓也由1600kV 提升至2100kV。由于輸電電壓的提高，給設計帶來了更大的難度。直流場設備±800kV工程中均位于戶外，受安裝環境的影響，多采用環形均壓裝置，但對于±1100kV工程來說，極線上的電壓非常高，局部電場強度達到深度飽和狀態，為了提高設備的耐壓強度，極線設備采用戶內安裝。對于直流場極線區域的設備，例如±1100kV隔離開關，平波電抗器、PLC電抗器等設備，由于頂部尺寸過大，采用上、下環結構不能把頂部高壓導體完全屏蔽在均壓裝置之內，極易產生放電現象，必須重新設計。同時直流濾波電容器由戶外移至戶內，均壓裝置也需要進一步優化，以滿足±1100kV的需要。對于閥廳內的設備，接地開關靜觸頭安裝位置位于支柱絕緣子開洞附近，由于該區域為電場強度集中區域，對于±1100kV來說，該位置極易發生放電現象，因此接地開關靜觸頭金具也需要重新設計。對于支柱絕緣子和懸吊絕緣子球類屏蔽金具來說，在±800kV換流站閥廳中部分均壓裝置直徑已達到1800mm，±1100kV均壓裝置尺寸將會有較大增加。均壓裝置尺寸增大，結構更加復雜，加工難度也隨之增大，加工精度和表面質量都難以保證。所以，不能簡單通過放大均壓裝置尺寸來滿足±1100kV工程的要求，必須要對金具外形進行優化設計，例如從單一球結構變化為復雜的空間曲面結構，以降低均壓裝置的表面場強。隨著電壓的升高、安裝環境以及布置方式的改變，需要對部分均壓裝置進行重新設計。

1 概念設計

針對±1100kV工程設備特點及布置，選取幾種典型設備進行概念設計。

1.1 閥廳接地開關金具

對于閥廳內接地開關來說，±800kV接地開關靜觸頭安裝孔通常是根據現場安裝時動觸頭的運動軌跡，在均壓裝置相應的位置進行開孔，該通常位于絕緣子安裝孔附近，但是對于±1100kV來說，開孔位置接近于電場集中的區域，由于該處電場處于深度飽和狀態，極易發生放電現象，所以±1100kV接地開關靜觸頭安裝孔專門進行設計，開洞遠離支柱絕緣子安裝孔，同時該洞進行倒角處理，大大提高該裝置的耐壓能力，如圖1所示。

1.2 戶內直流場隔離開關金具

對于戶內直流場隔離開關，在±800kV工程中，采用管徑250mm或300mm、環徑3000mm的雙環結構進行均壓屏蔽。由于隔離開關高壓部分尺寸較大、結構較為復雜，加之動觸頭需要有活動的空間，采用雙環結構無法有效地把高壓部分有效地屏蔽。對于±1100kV工程，為了提高防電暈能力，擬采用蘑菇頭結構，把整個高壓導體包絡在一個封閉的均壓裝置內，如圖2所示。

1.3 閥廳支柱絕緣子金具

對于閥廳內管母支撐均壓裝置，±800kV特高壓輸電工程采用球形均壓裝置，均壓裝置電場強度集中的地方通常位于絕緣子安裝孔的倒角區域，特別是如果該區域安裝時需要開洞，將進一步惡化電場。鼓型金具、蘑菇頭/環組合以及凹底形結構把底部電場集中的區域改為平板結構，相當于增大了該區域的曲率半徑，有效地改善了該位置的電場分布，詳細結構如圖3所示。

2 仿真分析

結合概念設計，我們選取支柱絕緣子球型屏蔽罩作為典型均壓裝置進行研究。

根據±1100kV布置及設備圖紙，建立單根±1100kV支柱絕緣子球型屏蔽罩的電場計算等效模型，其中：管母中心對地18m，對墻壁距離19m，對天花板距離20m。其模型示意如下圖所示。±1100kV支柱絕緣子球型屏蔽罩的初始設計方案為直徑2000mm、開孔直徑d=360mm、倒角半徑r=100mm的標準球形結構。絕緣子法蘭根部距第一片傘的距離為450mm，法蘭頂部距管母中心為650mm。絕緣子連接孔的開孔直徑為d，倒角半徑為r。

分別對高壓側導體加載直流電壓及操作沖擊電壓進行計算，為便于結果對比分析，加載的直流穩態電壓幅值及沖擊電壓峰值均為2600kV，同時，對地面加載0電位。計算屏蔽罩及絕緣子電場分布。計算結果如下圖所示。

根據計算結果，操作沖擊電壓峰值2600kV下，支柱絕緣子球形屏蔽罩電場強度最大值為2466V/mm，出現在開孔倒角處，絕緣子護套表面電場強度最大值為1609V/mm，出現在絕緣子第一片傘根部。為了降低均壓裝置的最大電場區域的電場強度，需要對該區域進行優化，擬采用以下兩種結果進行研究，平底形結構和凹底形結構，如圖6所示。

計算模型中，開孔直徑d=360mm、倒角半徑r=100mm，絕緣子結構、安裝位置等參數與球型屏蔽罩的計算模型相一致。

計算時，對模型高壓側各部分加載沖擊電壓峰值2600kV，計算結果如下圖所示。

由計算結果可得，當加載沖擊電壓峰值2600kV時，支柱絕緣子鼓屏蔽罩表面電場強度最大值為1785V/mm，出現在屏蔽罩上、下邊沿;開孔倒角處表面場強最大值為1441V/mm。支柱絕緣子凹底型屏蔽罩表面電場強度最大值為1988V/mm，出現在屏蔽罩下邊沿，高于平底型屏蔽罩;開孔倒角處表面場強最大值為952V/mm，小于使用平底型屏蔽罩時的對應位置電場強度計算結果。

截取圖8圖中所示曲線位置的屏蔽罩表面路徑上的電場強度分布計算結果，對比分析了標準球形與“鼓型”屏蔽裝置表面及開孔位置的電場強度分布規律。如圖 9所示。

結果表明：標準球形屏蔽裝置在絕緣子倒角位置出現的場強“尖峰”，在使用鼓型屏蔽裝置時已得到有效抑制。優化設計的“鼓型”結構可使屏蔽裝置表面電場分布更為均勻。支柱絕緣子屏蔽裝置采用“鼓型”結構時，其表面場強最大值出現于屏蔽裝置外側而非絕緣子連接孔倒角位置。

3 分析對比

在加載電壓（2600kV）、開孔直徑d（360mm）與倒角半徑r（100mm）相同的條件下，比較±1100kV極母線支柱絕緣子配置球型、平底型、凹底型屏蔽罩時各部分電場強度計算結果，如表1所示。

從表中可以看出，配置平底型與凹底型屏蔽罩，相比于原球型屏蔽罩可有效降低開孔倒角位置的表面電場強度，屏蔽罩整體表面場強最大值已不再出現于開孔倒角位置，同時，絕緣子護套表面電場強度也有一定的降低。當屏蔽罩開孔直徑d=360mm，倒角半徑r=100mm時，平底型屏蔽罩表面電場強度略低于球型屏蔽罩，開孔處電場強度可降低約40%。當屏蔽罩開孔直徑d=360mm，倒角半徑r=100mm時，凹底型屏蔽罩表面電場強度最大值相比于原球型屏蔽罩高約7%，而開孔處電場強度可降低約60%。

4 試驗驗證

我們對于優化后的平底型均壓罩和隔離開關蘑菇頭金具進行了試制，并進行了無線電干擾試驗，試驗結果表明，優化后的結構具有良好的防電暈和無線電干擾性能，試件性能較同類設備均壓裝置有大幅提升。

5 結論

綜合考慮，平底型屏蔽罩整體性能較為均衡，絕緣子配置平底型屏蔽罩后，可有效降低屏蔽裝置的最大電場，同時屏蔽球表面和絕緣子表面最大值未明顯增加。建議±1100kV絕緣子采用平底型屏蔽球，隔離開關采用蘑菇頭型屏蔽罩。本文的研究為±1100kV特高壓換流站的金具設計提供了思路和方向。

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