±550kV直流氣體絕緣金屬封閉開關設備長期帶電試驗研究

姚 璇 南振樂 杜文娟 張博雅 李奕萱

±550kV直流氣體絕緣金屬封閉開關設備長期帶電試驗研究

姚 璇1南振樂1杜文娟1張博雅2李奕萱2

（1. 西安西電開關電氣有限公司，西安 710077； 2. 西安交通大學電力設備電氣絕緣國家重點實驗室，西安 710049）

現有海上風電送出換流平臺的直流側均采用常規敞開式設備及電氣連接布局，設備占用空間大。為了有效減小平臺面積及質量，采用直流氣體絕緣金屬封閉開關設備（GIS）替代原有敞開式設備。直流GIS絕緣件長期運行在單極性直流電壓下，表面會產生電荷積聚，從而改變沿面電場分布，降低絕緣子沿面閃絡電壓。目前，暫無關于直流GIS的國際、國內標準，缺乏系統、全面的試驗指導，開展長期帶電試驗考核可有效驗證直流GIS的可靠性、穩定性。本文圍繞長期帶電試驗方案及試驗樣機展開研究，基于多物理場耦合仿真結果，提出長期帶電試驗方案，并設計樣機形態。

海上風電柔性直流輸電；直流氣體絕緣金屬封閉開關設備（GIS）；表面電荷積聚；長期帶電試驗

0 引言

海上風電作為一種清潔、綠色和可再生的自然能源，支撐節能減排及雙碳戰略的實施，高壓大容量海上柔性直流技術和輕型化海上平臺是海上風電發展的必然選擇，特別是具有豐富海上風電資源的地區，是未來海上風電發展的核心[1]。我國深遠海的風電資源儲量豐富，規模化海上風電送出是必然趨勢，海上風電柔性直流輸電送出的關鍵技術及裝備制造尤為重要[2]，現有設備仍有不足。直流場設備是海上平臺的重要組成部分，尤其是直流場中用于開關操作和測量保護的空氣絕緣設備。傳統敞開式空氣絕緣設備占用空間較大，不利于海上平臺的發展。直流氣體絕緣金屬封閉開關設備（gas insulated switch, GIS）具有可靠性高、耐候性好、空間占用小的優點，不僅有助于減小換流站面積，還有利于降低大容量、離岸遠的海上風電場的設施投資成本[3]。

國外及國內已對直流GIS開展了相關基礎研究及設備研制工作，目前尚無實際工程應用，缺乏運行經驗，因此歐洲PROMOTioN項目、CIGRE技術手冊均明確了直流GIS完成長期帶電試驗的必要性。

針對尚無直流GIS標準的難題，本文圍繞長期帶電試驗方案及試驗樣機設計開展研究，采用電場-熱場耦合仿真的方法，建立直流GIS盆式絕緣子電荷積聚及熱傳遞模型，研究盆式絕緣子內部溫度梯度對體積電導率的影響，計算表面電荷積聚飽和時間，分析長期帶電試驗不同周期的可行性及有效性。結合直流GIS運行特點及應用場景，研究其絕緣性能的綜合考核方法，提出長期帶電試驗方案來驗證直流GIS的可靠性，并根據實際試驗場地、試驗接線方式等因素設計長期帶電試驗樣機，以全面驗證直流GIS各個部件在長期直流場下運行的性能，為未來工程應用提供運行數據及經驗。

1 直流電-熱多場耦合模型

1.1 表面電荷積聚過程

直流GIS與交流GIS最大的不同在于，直流電場條件下，絕緣件內部及表面產生的電荷積聚會局部改變電場分布，從而可能降低沿面閃絡電壓，極端情況下甚至導致放電或擊穿，使直流GIS無法長期穩定運行[4]。因此，在進行直流GIS長期試驗方案研究前，需要明確電荷積聚及影響機理，建立考慮絕緣氣體中帶電粒子運動的物理過程的仿真模型[5]，并在該模型中考慮絕緣件體積電導率與溫度的關系。基于此模型，計算盆式絕緣子表面電荷飽和時間，為長期帶電試驗的時間選擇提供理論依據。

直流GIS內部的電荷積聚主要是由于氣體側帶電粒子的電離、擴散、復合、固體側電荷注入、材料缺陷導致的局部放電等，由固體側傳導電流I，氣體側傳導電流G，以及絕緣子表面傳導電流S綜合作用，基于這三種傳導機制，建立盆式絕緣子界面電荷積聚模型。氣固界面電荷密度s由式（1）計算[6]。

式中：In、Gn分別為固體側、氣體側傳導電流的法向值；S為絕緣子表面電阻率；t為切向電場強度。

由于絕緣子表面電導率遠遠小于其體積電導率，在仿真計算中一般不考慮。

固體側傳導電流I為

式中：為電通量密度；V為絕緣子的體積電導率；為絕緣子表面電場強度。

氣體側傳導電流G為

式中：為單元電荷；+、-分別為正、負離子遷移率，取值為0.048cm2/(V?s)；+、-分別為正、負離子擴散系數；+、-分別為正、負離子密度，可由式（4）、式（5）進行計算[7]。

式中，IP為氣體中離子對的生成速率，本文取30/(cm3?s)。

正、負離子的擴散系數可根據Einstein方程計算得出，即

式中：為玻耳茲曼常數；為溫度。

1.2 熱傳遞過程

在諸多物理因素中，溫度對電荷積聚的影響最為重要。溫度場的存在不僅會影響固體絕緣材料的電導率，也會影響氣體中離子濃度的分布，引起電場分布的改變[8]。直流GIS中的熱量傳遞綜合了傳導、對流及輻射三種換熱方式。

根據傅里葉定律，存在高壓電極與絕緣子間的熱傳導、絕緣子與外殼間的穩態熱傳導，中心導體因焦耳損耗發熱，作為熱源項，絕緣子與外殼間的損耗可以忽略不計。介質間的傳導過程由導熱系數計算得出。

對流是直流GIS中最為重要的傳熱過程，包括SF6氣體與中心導體、絕緣子與外殼、外殼與外界空氣的對流傳熱。其中，GIS內部SF6氣體的流動由導體發熱引起，屬于自然對流[9]。

直流GIS中高壓導桿與絕緣氣體、外殼與大氣、絕緣子與絕緣氣體間的輻射換熱量r可由Stefan- Boltzman方程描述，即

1.3 電-熱耦合仿真模型

本文根據實際盆式絕緣子尺寸建立直流GIS幾何模型如圖1所示，由中心導體、盆式絕緣子、屏蔽罩、接地外殼及嵌件等組成，中心導體與接地外殼間的內腔充有氣壓為0.5MPa的SF6絕緣氣體。

圖1 直流GIS幾何模型

在仿真模型中，設置中心導體與外殼材料為鋁，盆式絕緣子材料為環氧樹脂，相對介電常數為5，SF6絕緣氣體的相對介電常數為1.002。為了簡化計算，本文假定，暫不考慮直流GIS中場致發射、材料缺陷引起的局部放電等。

2 仿真結果

2.1 環氧樹脂絕緣材料參數測試結果

對三種環氧樹脂絕緣材料試樣EP-K、EP-H23、EP-H13，分別在25℃、40℃、60℃、80℃、100℃和120℃進行測試，三種材料的區別僅為氧化鋁摻雜比例不同。三種試樣體積電阻率與溫度的關系曲線如圖2所示，隨著溫度的增加，三種試樣的電阻率均逐漸下降，且電阻率下降速度逐漸加快。在25℃時，三種試樣的電阻率均為1016W?cm左右，而到120℃時，電阻率均為1014W?cm左右。因此，可以初步得出結論：隨著溫度升高，絕緣材料的體積電阻率逐漸變小，即體積電導率逐漸變大。

圖2 三種試樣體積電阻率與溫度的關系曲線

2.2 電-熱耦合仿真結果

通過COMSOL建立電場-熱場的耦合仿真模型，驗證絕緣子在零負載（0A）和高負載（5 000A），即存在溫度梯度的情況下，盆式絕緣子表面的電場分布及電荷密度分布。仿真過程中，環境溫度為313K，激勵為±550kV直流電壓，中心電極施加電流。假設直流GIS處于室內且環境干燥，不考慮風速及太陽輻射等外界因素。直流GIS溫度分布如圖3所示，絕緣子體積電導率如圖4所示。

圖3 直流GIS溫度分布

圖4 絕緣子體積電導率

由圖3和圖4可知，直流GIS溫度達到穩定后，呈現由中心導體到接地外殼逐漸下降的趨勢[10]，在GIS內部形成溫度梯度；溫度的變化導致盆式絕緣子體積電導率也發生變化，高壓端側的盆式絕緣子體積電導率高于接地外殼側的。在電流作用下，絕緣子內部體積電導率由1.8×10-14S/m升至最高4.2× 10-14S/m，并且電導率的分布呈現非均勻性[11]。

電壓為+500kV時零負載及高負載情況下的絕緣子表面電荷密度如圖5所示，圖中的橫坐標為歸一化距離，即測量點的坐標/總長度。

圖5 零負載及高負載情況下的絕緣子表面電荷密度

對比零負載及高負載兩種情況下的電荷分布可以看出，溫度梯度會導致表面電荷分布發生變化[12]。在直流電壓作用下，絕緣子上表面大部分區域積聚了負電荷，只有在接近接地外殼附近電荷極性會發生反轉；下表面則幾乎全部積聚了正電荷；施加負載，上、下表面電荷密度略有增加[13]。因此，長期帶電試驗中需考慮同時施加直流電壓及電流的工況，驗證存在溫度梯度時盆式絕緣子的絕緣性能。

2.3 電荷積聚飽和時間

溫度變化引起絕緣子體積電導率變化，從而進一步影響絕緣子表面電荷積聚過程[14]，改變其飽和時間。因此，對溫度梯度下的盆式絕緣子表面電荷積聚過程進行仿真，計算表面電荷的飽和時間，與不考慮溫度場下的飽和時間進行對比。表面電荷飽和時間如圖6所示。

圖6 表面電荷飽和時間

通過仿真計算可以得出，在施加直流電壓后，絕緣子表面電場達到穩態。一般認為盆式絕緣子表面平均電場強度的變化值小于10%時達到穩態[15]，計算公式為

由電-熱耦合仿真計算可知，不帶電流（零負載）表面電荷飽和時間約為8×104s，即約22h；施加直流電流（高負載）飽和時間會縮短，為3×104s，即約8h。由此可得，由于絕緣子內部存在溫度梯度而導致體積電導率發生變化，溫度越高，體積電導率越大，電荷飽和時間越小，同時盆式絕緣子表面平均電場強度相應增大[16]。

參考文獻[5]提到，絕緣子的體積電導率較小，其達到穩定的時間較長，因此實際試驗方案中需要根據不同體積電導率選擇合適的周期時間。根據仿真結果可知，本次選用的盆式絕緣子的表面電荷積聚大約在一天內達到穩定，如果同時施加直流電壓及直流電流，穩定時間會縮短至幾小時，因此長期帶電試驗中的直流運行時間設置需讓絕緣件電場達到穩態，且在穩態狀態下運行足夠時間，才能達到驗證的目的。

3 長期帶電試驗

根據PROMOTioN項目、CIGRE技術手冊及現有資料，直流GIS的長期帶電試驗在通過完整的性能（型式）試驗后進行，并不是強制要求完成。

因為缺乏直流GIS運行經驗，進行長期帶電試驗的目的是驗證產品在有限時間內在模擬實際運行工況下的可靠性，以及是否出現超出現有認知的問題[17]，為工程應用提供指導。基于以上目的，在設計長期帶電試驗方案時，主要從以下幾個方面考慮：

1）試驗條件（電流、電壓等）盡可能與實際運行條件一致或更嚴苛。

2）試驗方案應驗證實際運行中可能出現的各種復雜工況。

3）達到穩定運行狀態后，要能持續一定時間。

4）試驗樣機應包含實際產品中所有元件。

5）試驗樣機包含的各元件數量足夠多，以驗證產品制造、工藝的分散性影響。

6）試驗樣機形態盡量與產品實際運行時保持一致。

7）試驗中需完成必要操作，驗證實際運行可能帶來的影響，比如絕緣拉桿機械操作的可靠性[18]。

8）完成所有試驗后，驗證在有限的試驗期間，產品的絕緣性能是否明顯下降。

3.1 長期帶電試驗方案

在充分考慮上述各種影響因素的情況下，本文研究制定較為詳細、全面的長期帶電試驗方案。首先將長期帶電試驗分為以下三個步驟。

1）預試驗：確認樣機裝配是否符合要求。

2）長期試驗：按試驗程序進行，驗證設備可靠性。

3）狀態檢查：帶電試驗后，確定樣機狀態。

長期帶電試驗具體內容見表1。

表1 長期帶電試驗具體內容

長期帶電試驗程序見表2，每個周期可以視具體情況進行增減或調換試驗順序。基于2.3節的仿真結果可知，在零負載工況下，盆式絕緣子表面電場穩定時間約為22.2h，在高負載工況下，時間縮短為約8h，參考CIGRE技術手冊，設置30天為一個完整周期，以確保盆式絕緣子可以達到穩態并持續運行一定時間，模擬實際運行工況，驗證其穩定性。

表2 長期帶電試驗程序

表2中，n為額定電壓，即550kV，t為額定電壓的1.2倍，即660kV；HL為高負載工況，樣機中流過3 150A的直流電流；ZL為零負載工況，樣機中無電流流過；SI為額定操作沖擊耐受電壓試驗；LI為額定雷電沖擊耐受電壓試驗。長期帶電試驗中，有4個周期的持續運行電壓為660kV，較實際運行工況更加嚴苛。

綜合考慮樣機所包含元件的運行特點，長期帶電試驗時長設置為半年（180天），分為六個循環周期，零負載和高負載工況交替進行，同時保證正負極性均在零負載和高負載工況下運行過。

第一個周期正負極性各15天，施加額定電壓550kV，驗證產品耐受額定電壓的可靠性。

第二個周期零負載，施加正極性1.2倍的額定電壓，驗證在更高運行電壓下，產品的絕緣性能。

第三、四個周期各30天，施加直流電流和負、正極性的1.2倍額定電壓，在比實際運行工況更嚴苛的條件下，對產品進行驗證。

第五個周期零負載，施加負極性1.2倍的額定電壓，驗證在更高運行電壓下，經過高負載運行后的絕緣性能。

第六個周期，額定電壓、高負載條件下運行，正負極性各15天，驗證產品在各種嚴酷工況考核后，仍然可以在額定工況下安全運行。

考慮到避雷器運行電壓為550kV，不可長期運行在660kV電壓下，因此在試驗的第二至第五周期不帶避雷器運行，用隔離開關隔開。

完成每個周期試驗后，對樣機中所有的機構，包括隔離開關、接地開關、快接地開關及并列開關，進行5次分合操作，模擬運行過程中操作對產品的影響。每個周期結束后，通過直流疊加雷電和操作沖擊試驗，驗證產品的絕緣性能是否下降。

長期帶電試驗樣機形態如圖7所示，本次設計的長期帶電試驗樣機整體形態呈Ｕ形布置，主要元件包括戶外套管、戶內套管、避雷器、隔離開關、接地開關、電流互感器、長母線、直流并列開關、快速接地開關、電壓互感器、二次控制柜及智能檢測柜。

圖7 長期帶電試驗樣機形態

試驗樣機配置智能在線監測系統，包括SF6氣體狀態、局部放電、機械特性及紅外測溫監測，可進行遠程監控并存儲數據[19]。

3.2 長期帶電試驗分析

現場試驗過程中，同時施加直流電流與電壓，根據導體上紅外測溫傳感器存儲的數據，導體溫度達到穩定所需時間約為6h，如圖8所示。由于試驗在戶外進行，穩定時間受環境溫度影響。

完成30天的帶電試驗后，在+550kV的直流電壓基礎上疊加±1 675kV的雷電沖擊電壓，波形如圖9所示。試驗中無放電，設備絕緣性能得到了有效驗證。

圖8 導體溫度穩定時間

圖9 直流電壓疊加雷電沖擊電壓波形

4 結論

本文首先通過建立電-熱場的多物理場耦合仿真模型，對直流場下GIS的絕緣薄弱點，即盆式絕緣子，進行仿真研究，確定了盆式絕緣子在零負載和高負載時的電荷飽和時間，以及長期帶電周期試驗天數。

由于目前暫無直流GIS試驗標準，本文對CIGRE、IEC交流相關標準進行研究，同時基于仿真結果，研究制定了直流GIS的長期帶電試驗方案，并設計了試驗樣機，充分、全面地驗證了直流GIS在運行過程中的絕緣問題，以保證其絕緣性、可靠性及穩定性。本文所設計的試驗樣機已在戶外試驗現場完成了幾個周期的帶電試驗，目前運行穩定。試驗完成后，可為未來工程應用提供參考。

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Study on long-term live test for ±550kV DC gas insulated switchgear

YAO Xuan1NAN Zhenle1DU Wenjuan1ZHANG Boya2LI Yixuan2

(1. Xi’an XD Switchgear Electric Co., Ltd, Xi’an 710077; 2. State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049)

The existing converter platform of the offshore wind power all adopts conventional open equipment and electrical connection layout, which occupies the large space. In order to reduce the platform space and weight, the DC gas insulated switchgear (GIS) is used to replace the original open equipment. Insulation parts operate under the unipolar DC voltage for a long time, which generates surface charge accumulation, thus changing the electric field distribution and reducing the flashover voltage. There is no international and domestic standard for DC GIS, and systematic test guidance and operation experience are short. The long-term live test (prototype installation test) can effectively verify the reliability and stability of DC GIS. This paper focuses on the long-term test scheme and prototype, based on the multi-physical field coupling simulation, proposes the test scheme, and designs the prototype form.

high voltage direct current transmission for offshore wind power; DC gas insulated switch (GIS); surface charge accumulation; long-term live test

2023-11-03

2023-12-04

姚 璇（1994—），女，陜西省西安市人，碩士，工程師，主要從事直流高壓開關設備仿真、設計的工作。