復雜天氣下直流穿墻套管電場分布仿真研究

邱文嚴， 陳軍鋒， 周文正

（1.鄭州電力高等專科學校，河南 鄭州 450000；2.中國南方電網超高壓輸電公司，廣東 廣州 510641；3.華南理工大學 電力學院，廣東 廣州 510641）

0 引 言

為實現電力資源的合理分配，建設輸送容量大、距離遠的特高壓直流輸電線路勢在必行。隨著電網覆蓋范圍越來越廣，超高壓電網已經成為連接各省電網公司的紐帶，經常需要穿越一些地理環境復雜、環境惡劣的區域。±400 kV超高壓直流穿墻套管作為換流站中直流場和高、低端閥廳的連接設備，在整個直流輸電工程換流站中處于關鍵的“咽喉”位置，其在覆冰、降雨等工況下的絕緣狀態直接影響著電網的安全穩定運行[1-2]。因此，開展超高壓直流穿墻套管在復雜工況下的電位電場分布仿真研究，對覆冰、降雨量大地區直流穿墻套管的設計和運維具有重要的參考價值。

高壓直流穿墻套管通常采用純SF6氣體絕緣與環氧芯體SF6氣體復合絕緣兩種絕緣形式。純SF6氣體絕緣穿墻套管具有質量相對較輕、結構簡單、力學性能優異、散熱條件好、通流能力強等特點，是高壓直流穿墻套管比較可行的方案[3]。復合絕緣子作為套管外絕緣，具有質量輕、強度高、耐污性能好以及運行維護方便等優點，在高壓穿墻套管中應用廣泛[4]。研究者們針對直流穿墻套管的結構、絕緣子覆冰情況以及均壓屏蔽罩設計等問題開展了相關的研究工作[5]。文獻[6]針對FXBW-110/70型復合絕緣子，研究了覆雪對其電場分布的影響規律，提出可通過增大空氣間隙以降低覆雪后絕緣子的沿面電場強度。文獻[7]建立了±500 kV超高壓干式直流穿墻套管模型，仿真結果表明套管高場強區集中在屏蔽層翻邊位置及套管兩端端頭位置，提出使用均壓環和屏蔽環能有效提高套管的絕緣穩定性。文獻[8]以LXY-120型絕緣子為研究對象，對不同環境條件下絕緣子覆冰類型及增長特性進行仿真計算與試驗驗證，得到絕緣子覆冰范圍、厚度與環境因素的關系。文獻[9]仿真了不同破損程度、不同破損位置復合絕緣子傘裙的破損狀態，得到了沿干弧路徑和沿面路徑上的電場強度和電位分布曲線。文獻[10]將流體力學用于分析水滴碰撞現象，提出絕緣子覆冰等效直徑的概念，研究了桿徑、傘間距、傘傾角和傘徑對等效直徑的影響。文獻[11]設計了一種新型穿心結構帶環形電阻片的500 kV防雷防冰閃復合絕緣子，在覆冰厚度為10 mm且冰棱長度為10 cm的情況下，絕緣子表面最大場強均小于空氣起暈與擊穿場強，為重冰多雷地區的輸電線路保護提供了參考。文獻[12-15]針對特高壓換流站中直流穿墻套管屏蔽罩、均壓環、金具、復合絕緣子等開展了相關研究，仿真結果與優化措施旨在保證直流穿墻套管的絕緣狀態符合設計需求。

目前針對交流輸電線路絕緣子覆冰、高壓直流穿墻套管均壓環、屏蔽罩設計等已有相關研究工作[16-18]，相比之下特、超高壓直流穿墻套管在復雜工況下的研究稍顯不足，且未涉及不同覆冰、降雨條件下的直流穿墻套管狀態。本文針對±400 kV直流穿墻套管在覆冰、降雨等復雜天氣下的絕緣狀態展開研究，建立超高壓直流穿墻套管有限元仿真模型，研究多種覆冰、降雨條件下直流穿墻套管傘裙的沿面電位與電場分布，得到不同覆冰、降雨條件下的電場分布規律，為覆冰多雨地區直流輸電線路外絕緣的選擇和設計提供參考。

1 電場基本理論

為研究超高壓直流穿墻套管的電位與電場分布，需采用靜電場仿真理論建立控制方程。時域有限差分法、模擬電荷法和有限元法是靜電場分析的常用方法，本研究進行超高壓直流穿墻套管電場仿真時施加±400 kV直流電壓，并通以額定的直流電流，故可采用相應的靜電場方法求解。根據高斯定律以及電流的連續性方程可求出電場在直流電壓下的分布情況[19]，如式（1）所示。

在不同介質連續交界面上的電場分布如式（2）所示。

式（1）～（2）中：E為電場強度；ε0為真空介電常數；εr為相對介電常數；n為分界面的法向方向；E1、E2為分界面兩側的電場強度；D1、D2則為兩側介質垂直于界面的電位移矢量；ρ為空間電荷體密度。

電位函數φ滿足式（3），其中ε為介電常數。

2 穿墻套管結構模型

±400 kV超高壓直流穿墻套管由空心復合絕緣子、穿墻套管、屏蔽罩、中心導體和均壓環等部件組成，如圖1所示。高壓穿墻套管為非對稱結構，戶外側長于戶內側。空心復合絕緣子與中心導體、穿墻套筒、均壓環、屏蔽罩均為同軸，其表面傘裙材料選用憎水性好的硅橡膠材料，內側為環氧玻璃絲筒，傘裙增大了爬電距離可在一定程度上避免沿面閃絡。穿墻筒體鑲嵌在墻壁上，中心導體貫穿整個直流穿墻套管，單屏蔽結構布置在中心導體兩端以及中間穿墻部位，起到改善電場分布的作用。套管中心為導電銅桿，與墻體連接部位為鑄鋁材質，套管內部填充SF6絕緣氣體，套管兩端為鋁制的均壓環。

圖1 ±400 kV超高壓直流穿墻套管仿真模型Fig.1 Simulation model of ±400 kV ultra-high voltage DC wall bushing

利用有限元仿真軟件COMSOL進行電場仿真，假設覆冰層為棱狀，且均勻分布在穿墻套管傘裙之上，通過設置覆冰層的相對介電常數與電導率來模擬覆冰層的存在。在網格剖分時，為了提高精確度，在仿真計算過程中使用不同網格類型，最小單元格為邊長1.75 mm的等邊三角形，最大單元格為邊長468 mm的等邊三角形，最大單元增長率為1.2，曲率因子為0.25。超細化網格設置在傘裙的頂部和底部、套管內單屏蔽彎曲處、覆冰層接觸套管處，網格分布較為緊密，而空氣域網格較為稀疏，這有利于提高關鍵部位的計算精度。端部均壓環和中心導體施加高電位，穿墻套筒與墻體施加零電位。套管模型涉及的電介質物理參數見表1。從工程近似角度需對仿真模型進行如下簡化：①忽略周圍其他設備對穿墻套管電場的影響；②通過建立合適的人工邊界代替無窮邊界求解模型；③考慮重力的作用，研究穿墻套管軸線以上部分覆冰、雨水的影響[20]。

表1 直流穿墻套管的材料參數Tab.1 Material parameters of DC wall bushing

3 電場仿真分析

基于上述模型，對直流穿墻套管的電位、電場分布進行仿真，結果如圖2所示。從圖2可以看出，直流穿墻套管的電位呈“U”型分布，兩端均壓環、金屬法蘭以及導體電壓為400 kV，沿著中間穿墻套筒與墻體接地方向降低為零電位。而最大電場強度位于穿墻筒體屏蔽罩端部圓弧處，其值為6.8 kV/mm，而直流穿墻套管進出線端的電場強度由于均壓環的改善作用，分布較為均勻。從進線端到出線端，空心復合絕緣子傘裙的沿面電場分布呈現先增大后減小的趨勢，電場強度峰值為1.2 kV/mm，位于屏蔽罩端部圓弧末端對應傘裙位置。

圖2 直流穿墻套管的電位、電場分布Fig.2 Potential and electric field distributions of DC wall bushing

3.1 覆冰橋接情況下穿墻套管的電位及電場分布

不同覆冰形態對直流穿墻套管傘裙沿面電位分布有著不同的影響規律，當冰棱生長到一定的程度時會造成橋接，此時傘裙空氣間隙的減小使得空間電場強度急劇增大，會引發空氣擊穿或覆冰閃絡現象。

干燥與覆冰橋接情況下，直流穿墻套管傘裙的沿面電場分布如圖3所示。由圖3可知，干燥條件下復合絕緣子傘裙的沿面電位分布線沿著復合絕緣子傘裙外沿分布，電場強度較大處位于傘裙外端部與屏蔽罩對應傘裙位置，整體呈現先增大后減小的趨勢；覆冰橋接情況下，傘裙沿面覆冰形成冰棱，冰棱生長到一定程度直接與傘裙底部相連，絕緣子傘裙的空氣間隙被冰棱橋接，穿墻套管傘裙的電位分布線沿著傘裙與冰棱外沿分布，因冰棱橋接縮短了傘裙之間的空氣間隙，除了位于傘裙外端部與屏蔽罩對應傘裙位置的電場強度較大外，冰棱沿面的電場強度也較大，增大了空氣擊穿的概率。

圖3 干燥與覆冰橋接情況下電場分布圖Fig.3 Electric field intensity distributions under dry and ice-covered conditions

沿水平方向取直流穿墻套管絕緣子傘裙沿面的電場強度如圖4所示。從圖4可以看出，干燥情況下傘裙的沿面電場分布較為均勻，傘裙底部電場較小，傘裙端部電場強度較大，電場分布沿傘裙呈現階躍式變化，電場強度最大值為1.2 kV/mm。而覆冰橋接后傘裙端部電場強度發生畸變，近屏蔽罩端部的傘裙因冰棱橋接電場強度急劇增大至3.6 kV/mm，超過了空氣的擊穿場強，將會在傘裙之間的空氣間隙發生擊穿現象，造成直流穿墻套管的安全隱患。

圖4 干燥與覆冰橋接情況下絕緣子傘裙沿面電場分布Fig.4 Surface electric field intensity distributions of the composite insulator skirt under dry and ice-covered conditions

3.2 冰棱長度對穿墻套管傘裙電場分布的影響

為研究不同冰棱長度對套管傘裙沿面電場的影響規律，假設覆冰厚度為2 mm[21-22]，改變冰棱長度為10、20、30、40、50、90 mm（完全橋接），即大傘裙、小傘裙被冰棱橋接的情況進行分析。

不同冰棱長度復合絕緣子傘裙的沿面電場分布如圖5所示。從圖5可以看出，因增加了傘裙覆冰的厚度，不同冰棱長度條件下沿面電場強度峰值出現位置存在差異。不同覆冰長度條件下，沿面整體電場強度呈現先增大后減小的趨勢，且最大電場強度都位于近屏蔽罩端部傘裙處。冰棱長度為10、20、30、40、50、90 mm（完全橋接）時，最大電場強度分別為1.30、1.60、1.75、1.85、2.20、3.60 kV/mm，相對干燥條件下的最大電場強度分別增大了8.3%、33.3%、45.8%、54.2%、83.3%以及200%，最大電場強度隨著冰棱長度的增加而增大，在完全橋接條件下，即覆冰厚度為2 mm，冰棱長度為90 mm時，冰棱為傘裙之間提供了導電通道，縮短了沿面爬電距離，沿面最大電場強度發生激增。此外，覆冰厚度的增加也提高了傘裙整體的沿面電場強度，電場線聚集，提高了污穢微粒引起沿面閃絡與擊穿的風險。

圖5 不同冰棱長度復合絕緣子傘裙沿面電場分布Fig.5 Surface electric field distributions of the composite insulator skirt with different length of ice edge

3.3 覆冰厚度對穿墻套管傘裙電場分布的影響

當冰棱完全橋接傘裙之后，覆冰厚度的變化也會對傘裙沿面電場分布產生影響。圖6為不同覆冰厚度復合絕緣子傘裙的沿面電場分布，分別取覆冰厚度為2、4、6、8、10 mm。從圖6可以看出，冰棱橋接狀態下，隨著覆冰厚度的增加，最大電場強度整體呈輕微增大趨勢，覆冰厚度為2 mm與4 mm時對應的最大電場強度分別為3.6 kV/mm與3.7 kV/mm，而覆冰厚度為6、8、10 mm時的最大電場強度則在3.8 kV/mm附近，表明完全橋接后覆冰厚度的增加對傘裙沿面電場強度影響較小，當覆冰厚度大于6 mm時，由于覆冰表面水膜的高電導率作用，減小了冰棱上的壓降，導致傘裙沿面電場強度變化趨于穩定[2,4]。

圖6 不同覆冰厚度復合絕緣子傘裙沿面電場分布Fig.6 Surface electric field distributions of the composite insulator skirt with different ice thickness

3.4 雨水量對穿墻套管傘裙電場分布的影響

為模擬雨水量對復合絕緣子傘裙沿面電場的影響，假設降雨形成橢圓形的水珠，雨水量為2～10 mm，在文中指橢圓形水珠聚集在傘裙底部的高度。圖7為雨水量為10 mm情況下傘裙沿面電場強度分布的局部放大圖，可以看到雨水聚集造成了局部電場畸變，表面電場強度明顯增大。圖8為不同雨水量下絕緣子傘裙的沿面電場分布，由于雨水電導率遠高于傘裙硅橡膠和覆冰冰棱的電導率，降雨條件下傘裙表面上作用電壓幾乎都施加在空氣間隙上，使得空氣間隙承受的電壓降比干燥和覆冰時更大。從圖8可以看出，絕緣子傘裙表面最大電場強度隨著雨水量的增加而增大，且相比覆冰條件下，電場強度畸變點增多。在雨水量為2、4、6 mm的條件下，最大電場強度低于空氣擊穿場強，而在雨水量為8 mm和10 mm的條件下，傘裙沿面最大電場強度增大，分別達到4.3 kV/mm和6.2 kV/mm，且傘裙底部電場強度畸變點增多，使直流穿墻套管傘裙間空氣間隙發生大量擊穿現象，將造成設備故障。

圖7 雨水量為10 mm時復合絕緣子傘裙的沿面電場強度分布局部放大圖Fig.7 Partial enlarged drawing of surface electric field intensity distribution of the composite insulator skirt with 10 mm of rainfall amount

圖8 不同雨水量下復合絕緣子傘裙的沿面電場分布Fig.8 Surface electric field distributions of the composite insulator skirt with different amount of rainfall

4 結 論

（1）直流穿墻套管電位呈現“U”型分布，從進線端到出線端空心復合絕緣子傘裙沿面電場分布呈現先增大后減小的趨勢，干燥條件下絕緣子傘裙最大沿面電場強度為1.2 kV/mm，位于屏蔽罩端部圓弧末端對應傘裙位置。

（2）覆冰條件下，絕緣子傘裙沿面最大電場強度隨著冰棱長度的增加而增大，在完全橋接條件下，最大電場強度急劇增大至3.6 kV/mm。覆冰厚度對絕緣子傘裙沿面最大電場強度影響效果不明顯，當覆冰厚度大于6 mm時影響趨于穩定。

（3）傘裙沿面最大電場強度隨著雨水量的增加而增大，由于雨水在傘裙底部聚集，造成了局部電場畸變，且電場強度畸變點增多。