支柱絕緣子對交流濾波器斷路器電場分布的影響研究

李歆蔚 黃楊玨 譚令其

支柱絕緣子對交流濾波器斷路器電場分布的影響研究

李歆蔚 黃楊玨 譚令其

（廣東省電力裝備可靠性企業重點實驗室（廣東電網有限責任公司電力科學研究院），廣州 510080）

交流濾波器斷路器是特高壓直流輸電系統交流濾波器場的重要組成部分，是系統無功功率變化時保證交流濾波器可靠頻繁投切的重要電氣設備。近年來，±800kV換流站內屢次出現交流濾波器斷路器在投切過程中發生擊穿及爆裂的現象，嚴重威脅著直流輸電系統的安全穩定運行。為分析其原因，本文基于PSCAD/EMTDC搭建某±800kV直流輸電系統及交流濾波器斷路器電磁暫態仿真模型，結合在運交流濾波器斷路器的外絕緣分布特征，仿真分析交流濾波器斷路器雙斷口電壓特征；根據交流濾波器斷路器滅弧室的內部結構和參數，搭建了Ansys有限元仿真模型，仿真計算了滅弧室內電場強度分布。

換流站；交流濾波器斷路器；絕緣支柱；PSCAD/EMTDC；有限元

0 引言

近年來，隨著特高壓直流輸電工程的興起和發展，國內逐步完成了高壓遠距離電能輸送的任務，實現了“西電東送”的跨區域合理分配，帶來了巨大的國民經濟效益[1-2]。交流濾波器（AC filter, ACF）斷路器的主要功能在于投切交流濾波器，滿足系統無功需求。由于其一端連接交流母線，另一端連接交流濾波器，切斷容性負載后承受交直流混合疊加電壓[3]，且開斷頻繁，因此常常出現內外絕緣擊穿事故[4-7]。據統計，某些換流站內屢次出現了交流濾波器斷路器閃絡擊穿引起爆炸的事故，嚴重威脅著換流站的安全穩定運行[8]。分析其原因，除了可能由于滅弧室內絕緣裕度較低，或電弧灼燒后的金屬微粒引起電場強度畸變，斷路器外絕緣污穢分布不均導致雙斷口不均勻分壓也是一項重要原因，因此有必要針對外絕緣染污分布不均對內絕緣電場強度分布的影響展開深入分析。

國內已有一些學者對斷路器的絕緣性能做出了研究。文獻[9]仿真計算了交流母線單相或三相故障后交流濾波器斷路器投切產生的最大容性恢復電壓，計算了暫態恢復電壓和容性開斷電流值，總結出了恢復電壓的估值公式。文獻[10]根據事故詳細報告全面總結歸納出了四類典型內外絕緣故障原因，并對瓷柱式斷路器提出了絕緣改進方向。文獻[11]分析了一起濾波器故障的錄波和保護動作，找出了交流濾波器斷路器的外瓷套閃絡原因為極端天氣和染污。文獻[12]在直流系統簡化為理想電壓源的基礎上搭建了交流濾波器仿真模型，計算分析了交流濾波器斷路器兩個斷口并聯電阻取值相等和不相等情況對暫態恢復電壓的影響，但沒有考慮支柱絕緣子等效電阻對電壓分布的影響。綜上，目前國內對交流濾波器斷路器的研究主要集中在開斷后幾微秒至幾毫秒的恢復電壓研究上，缺乏對交流濾波器斷路器外瓷套染污不均引起的擊穿問題的內外絕緣綜合研究。由于斷路器滅弧室擊穿事故多發生在電流過零點后的幾毫秒內，需要分析該時段內滅弧室的電壓與電場強度情況。

基于上述分析，本文根據實際參數利用PSCAD/ EMTDC仿真軟件搭建±800kV直流系統模型及完整交流濾波器電磁暫態計算模型，分析交流濾波器斷路器的外絕緣染污試驗結果，并計算交流濾波器斷路器開斷后雙斷口電壓分布。以斷口電壓為邊界條件，根據滅弧室有限元仿真模型計算滅弧室內電場強度分布，對交流濾波器斷路器的絕緣強度進行由外至內的綜合分析。

1 仿真模型建立

1.1 直流系統仿真模型

某±800kV特高壓直流輸電工程額定輸送功率5 000MW，額定直流電流3.125kA，額定觸發角為15°。直流線路全長1 451km，導線型號為LBGJ—180—20AC，直流電阻0.709 8W/km。兩端換流變壓器均采用單相雙繞組布置，其中逆變站側單臺容量250MV·A，短路阻抗18%。整流站和逆變站交流母線最高運行電壓550kV，文中采用交流側相電壓計算基準值為449kV。

以逆變站交流濾波器場斷路器為研究對象，共有四大組交流濾波器接于交流母線上，大組交流濾波器里包括A型、B型、C型三種類型小組交流濾波器，交流濾波器斷路器根據系統下發的無功功率調節指令，保證每一小組交流濾波器的獨立通斷。受端換流站交流濾波器元件參數及組數見表1。

表1 受端換流站交流濾波器元件參數及組數

逆變站交流母線電氣主接線如圖1所示。

圖1 逆變站交流母線電氣主接線

1.2 交流濾波器斷路器仿真模型

為了保證交流濾波器斷路器雙斷口的動態電壓分布計算的準確性，需要建立詳細的直流系統模型和斷路器等效模型。

1）斷路器外絕緣仿真模型

以7號母線某一小組交流濾波器斷路器為例，建立的斷路器外絕緣等效仿真模型如圖2所示。

圖2 斷路器外絕緣等效仿真模型

圖2中，1和2為斷口均壓電容，容值2 000pF。1、2、0分別為斷路器交流母線側、濾波器側斷口及支柱絕緣子的表面等效電阻，設計值為20GW。

2）斷路器內絕緣仿真模型

考慮到本文的研究對象交流濾波器斷路器由多種介質組成，且介質間形狀不規則，本文采用有限元法計算滅弧室內部電場強度[13]。在有限元軟件中建立滅弧室三維仿真模型如圖3所示，主要參數見表2。

圖3 滅弧室三維仿真模型

表2 斷路器建模主要參數

斷路器的主要絕緣介質有弧觸頭的聚四氟乙烯噴口、瓷套和SF6氣體，各材料的相對介電常數r分別取2.5、6和1。

2 交流濾波器斷路器外絕緣電阻測量試驗

交流濾波器斷路器事故發生后，運行人員對故障斷路器進行了泄漏電流檢測試驗，試驗將直流高壓施加于連接斷口及支柱絕緣子的三聯箱位置，用微安表測量由瓷套表面污穢導電粒子定向移動形成的泄漏電流。斷口的電氣特性可用等效電阻來代替，泄漏電流與施加直流電壓成正比例關系。將電壓升至250kV持續1min待泄漏電流穩定后記錄泄漏電流，整理試驗結果見表3。

表3 斷路器各部件全泄漏電流檢測值

由表3可知，斷路器支柱絕緣子的表面泄漏電流遠大于斷口泄漏電流。由雙斷口瓷柱式斷路器的結構可知，垂直布置的支柱絕緣子比水平放置的斷口外瓷套更易積污，交流濾波器斷路器在開斷后承受交直流混合電壓，單一斷口可能會承擔分壓不均帶來的擊穿風險。

交流濾波器斷路器在開斷過程中承受交直流混合疊加電壓，斷口并聯電容平衡兩斷口交流電壓，而直流電壓的分布與外絕緣表面絕緣情況密切相 關[14-15]。在實際運行中，雨水、污穢導致斷路器表面容易出現局部電弧，斷路器表面絕緣電阻急劇下降。人工污穢試驗結果表明，斷口表面電阻在濕潤、污穢的條件下會下降至兆歐級。

根據試驗結果，采用疊加法對斷路器雙斷口的交直流混合電壓進行理論分析。考慮滅弧室兩端均壓電容的設置，雙斷口滅弧室交流電壓能在不均勻系數為1.05的條件下大致相等，而直流電壓受雙斷口和絕緣支柱外瓷套表面等效電阻的影響，斷路器等效電路如圖4所示。

圖4 斷路器等效電路

圖4中，1、2、0分別為交流母線側斷口、濾波器側斷口、支柱絕緣子表面等效電阻，(0)為斷路器開斷后瞬間濾波器高壓端電壓，其值取交流系統運行最高線電壓有效值550kV。考慮在電壓峰值時刻開斷的最嚴苛工況，根據簡化電路及疊加定理可推導出濾波器側斷口電壓為

3 仿真結果分析

3.1 斷口電壓計算

交流濾波器斷路器事故中表現為滅弧室爆裂，需根據仿真模型計算斷口電壓。A型、B型及C型濾波器對系統的無功補償量相等，但考慮到元件參數不同，對相同外絕緣條件下開斷三種濾波器進行了仿真計算，計算結果見表4。

表4 開斷A型、B型、C型濾波器斷口電壓計算結果

由表4可知，A、B、C型小組濾波器斷路器開斷后電壓差異不明顯。因此下面以A型小組濾波器斷路器為例分析支柱絕緣子外絕緣電阻的影響。

參照外絕緣試驗結果，斷口表面電阻和支柱絕緣子電阻在雨天污穢的條件下下降至兆歐級，仿真支柱絕緣子表面電阻0從10MW～1GW變化的各個工況，以0分別為80MW和10MW為例，小組濾波器的斷口電壓分布如圖5所示。

由圖5可知，當絕緣支柱等效電阻0為10MW時，斷口穩態電壓為579kV，比阻值為80MW的斷口穩態電壓483kV升高了19.9%。由于斷口電阻為MW級，斷口并聯電容及濾波器主電容構成的回路放電時間常數為s級，因此斷口電壓迅速過渡到穩態。同時由于絕緣支柱電阻的作用，雙斷口電壓分離，濾波器側斷口穩態電壓要高于母線側斷口電壓。

根據GB/T 11022—2011，550kV交流斷路器斷口額定短時工頻耐受電壓有效值為680kV。而仿真結果表明斷路器在初次開斷后10ms斷口電壓峰值達到500kV，穩態電壓最大值為579kV，未超過標準值。因此，斷路器內部滅弧室絕緣裕度不足很有可能是導致事故頻發的直接原因。

3.2 斷路器滅弧室內絕緣強度

由于斷路器事故多發生在電流開斷后5～10ms內，且常以滅弧室爆炸的形式產生，此時動觸頭處于分閘運動狀態，需要對滅弧室內電場分布進行計算分析，判斷電場強度最大值否滿足要求。以濾波器側斷口為仿真研究對象，支柱絕緣電阻為10MW時，計算斷路器開斷后5～10ms內滅弧室電場強度變化如圖6所示。

以開斷8ms時刻為例，滅弧室電場強度云圖和等位線分布如圖7所示。

由圖7可知，滅弧室內最大電場強度出現在靜弧觸頭表面，最大值為21.4kV/mm。文獻[16-17]提出SF6氣體中不均勻系數＜5時可認為屬于稍不均勻場，盡管此時斷路器斷口間處于交直流電壓疊加的工況。但電壓變化頻率仍為工頻50Hz，故采用工頻交流頻率下稍不均勻場中的SF6氣體工程擊穿電場強度公式評估滅弧室內部絕緣裕度，即

圖6 斷路器開斷后5～10ms內滅弧室電場強度變化

圖7 開斷8ms時刻斷路器電場分布云圖和等位線分布

式中：為擊穿電場強度（kV/mm）；為SF6氣體絕對壓力（MPa）。

根據式（2）可知，SF6氣體在0.6MPa氣體壓力下的擊穿電場強度為26.9kV/mm。峰值電壓下對應的滅弧室內最大電場強度為21.4kV/mm，絕緣裕度不足20%。若在惡劣條件下，支柱絕緣電阻進一步下降，或是滅弧室內存在金屬微粒等缺陷，極易導致滅弧室內電場畸變[18]，進而引發斷口擊穿，因此該裕度是遠遠不夠的。實際運行中應加強交流濾波斷路器支柱絕緣子的巡視、清理工作或采取斷口并聯電阻等均壓措施來避免濾波器側斷口開斷后承受過高的交直流混合電壓。

4 結論

本文根據某直流工程交流濾波器斷路器及直流系統參數建立了斷口電壓仿真計算模型，并建立了滅弧室三維有限元電場強度計算模型，根據仿真計算結果得出的主要結論如下：

1）在染污嚴重情況下，支柱絕緣子等效絕緣電阻可降至兆歐級。在支柱絕緣子等效絕緣電阻為10MW～1GW的范圍內，交直流混合電壓及支柱絕緣子表面染污共同導致濾波器側斷口電壓比母線側斷口電壓更高。

2）550kV交流濾波器斷路器開斷后，斷口電壓升高，但斷口短時耐受電壓并未超過標準規定值。

3）在交流濾波器斷路器開斷后5～10ms內，滅弧室內電場強度最大值出現在靜弧觸頭表面，未超過電場強度擊穿值，然而在支柱絕緣子表面等效電阻為兆歐級時，絕緣裕度不超過20%，絕緣裕度不足可能是引起斷路器擊穿的原因。

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Influence of post insulators on electric field distribution of AC filter circuit breakers

LI Xinwei HUANG Yangjue TAN Lingqi

(Guangdong Key Laboratory of Power Equipment Reliability Enterprises (Electric Power Research Institute of Guangdong Power Grid Corporation), Guangzhou 510080)

The AC filter circuit breaker is an important part of the AC filter field of the high-voltage DC transmission system, and it is an important electrical equipment that ensures the frequent switching of the AC filter caused by the system reactive power change. In recent years, there have been repeated occurrences of breakdown and bursting of AC filter circuit breakers in the switching process of ±800kV converter stations, which seriously threatens the safe and stable operation of the DC transmission system. In order to analyze the reasons, this paper builds a ±800kV DC transmission system and an AC filter circuit breaker electromagnetic transient simulation model based on PSCAD/EMTDC. Combined with the distribution characteristics of the external insulation of the AC filter circuit breaker in operation, the single-break voltage characteristics of the AC filter circuit breaker are simulated and analyzed. Based on the internal structure and parameters of the AC filter circuit breaker arc extinguishing chamber, an Ansys finite element simulation model is built, and the electric field strength distribution in the arc extinguishing chamber is simulated and calculated.

converter station; AC filter circuit breaker; insulation pillar; PSCAD/EMTDC; finite element

南方電網公司科技項目（GDKJXM20180128）

2020-09-25

2020-12-21

李歆蔚（1994—），女，湖北荊門人，碩士，主要從事直流輸電技術方面的研究工作。