特高壓換流站閥廳電場分布特性研究

摘 要：特高壓換流站的閥廳是直流輸電工程的至關重要組成部分之一，其中設備復雜且緊密相連，同時與外界隔絕。因此，必須認真研究閥廳內設備表面的電場強度對設備正常運行的影響。本文以800kV直流換流站閥廳為對象，采用多物理場仿真軟件COMSOL，對閥廳內設備的電場強度進行了詳細計算。仿真計算結果為特高壓直流工程的設計和建設提供了重要的參考依據，尤其是相關金具的設計。本文為提高特高壓換流站的性能和可靠性，并降低潛在故障的風險提供了有力支持。該工作對推動直流輸電技術的發展和應用具有重要作用。

關鍵詞：換流站閥廳；金具；電場計算；COMSOL

中圖分類號：TM 72" " " 文獻標志碼：A

換流站是高壓和特高壓輸電工程的核心組件，能夠合并整流和逆變功能，將交流電轉換為直流電，并將直流電轉換為交流電[1]。特高壓換流站的閥室在特高壓直流輸電系統中具有重要作用，其正常運行對閥室內部環境的要求非常嚴格。內部電場分布復雜，未受監控和約束時易發生設備尖端電場畸變和電暈放電。電暈放電不僅會引起光污染、噪聲問題，還會導致設備變形、壽命縮短并增加維護成本，同時隨著的高頻脈沖也會嚴重影響監控設備和電能損耗。因此，分析和計算高壓閥室金屬表面電場的影響對限制電暈放電引起的電能損耗和高頻電磁干擾至關重要，對特高壓直流輸電系統的換流站閥室金屬部分進行設計與驗證具有實際意義。

本文以800kV直流換流站閥廳為研究對象，完成了如下任務。1）在COMSOL仿真軟件平臺建立了800kV特高壓換流站閥廳的仿真模型，包括金具設備和空氣域。本文介紹了一次電氣設備的結構、仿真模型尺寸參數的選擇，并在COMSOL中完成了總體模型的建立。2）對建立的閥廳模型進行仿真，記錄正常運行情況下直流換流站閥廳的電壓和電場強度分布情況，并結合理論知識對最大場強進行了分析。

1 閥廳模型的建立

本文使用COMSOL Multiphysics進行模型建立。

1.1 設備模型簡化

本次模型設計在保證與實際結構相符的前提下，簡化了部分設備結構，降低了模型剖分難度[2]。與正常運行無關的設備，如巡視走廊未被建模。閥塔內靜電屏蔽的晶閘管模型被忽略。連接設備的小型金具、線夾和支架等未被納入建模。由于研究焦點是金具表面電場強度，因此絕緣子套管和支柱被適度簡化。高壓絕緣子傘裙直接省略，穿墻套管上的傘群被建模為圓柱。材料、幾何形狀等屬性已整理并簡化[3]。

閥廳內器件簡化后模型和材料情況見表1。

1.2 閥廳內部設備建模

1.2.1 整體模型

根據工程設計圖紙和相關文獻，特高壓閥廳內部各種設備和布置方式均來源于真實圖紙和相關文獻。所建立的閥廳模型內部三維視圖如圖1所示。閥廳長85m，寬40.93m，高30m[4]。

1.2.2 閥塔

換流閥是換流站閥廳內完成換流工作的關鍵設備，外部結構由屏蔽罩、屏蔽層和閥塔避雷器組成。閥塔內有6層晶閘管，作為保護的避雷器與其并聯。由于晶閘管是閥廳內的精密結構，因此其外部必須有大量屏蔽保護金具。根據靜電屏蔽原理可知，其內部電場強度較小，設計中可直接忽略不計，而對應的外部金具的場強較大，是本次設計的分析對象，因此建模時忽略閥廳內部晶閘管、冷卻管建模，并保留屏蔽罩、屏蔽層和避雷器[2]。閥塔的尺寸為長7.1m、寬6.7m、高8.7m[3]，被懸掛在距地面大約10m的位置。所建立模型如圖2所示。

1.2.3 穿墻套管

套管的導桿通常位于其內部，并與閥塔的頂部連接，這一連接通常由均壓環等均壓設備組成。為降低內存使用量，對絕緣子等影響較小的部分進行了適度簡化。細節尺寸如下[2]。1）D/Y換流變穿墻套管：芯棒直徑0.1m，外部絕緣1m。2）800kV穿墻套管：芯棒直徑0.1m，外部絕緣1.1m。3）對于400kV穿墻套管，采用模型比例縮小操作，在800kV穿墻套管的基礎上實現。

該尺寸設置允許更準確地模擬不同部分的電場分布，考慮了套管、導桿和均壓設備等因素。通過將絕緣子等效為同心圓柱體，并省略支撐均壓環的連接金具，能夠準確地捕捉到關鍵區域的電場強度分布，對提高特高壓換流站的電場管理和優化設計具有一定技術意義。所建立模型如圖3所示。

1.2.4 D/Y側其他金具

D/Y側金具如均壓球、均壓環和管母建模如圖4所示，主要分為2個部分。三角形連接側即D側，此部分主要與外界換流變壓器400kV側鏈接，同時還要消除其中的諧波。星形連接側即Y側，此部分主要與外界換流變壓器800kV側鏈接，同時還要防止單相接地故障。兩者雖鏈接方式不同，但采用的器材尺寸相同。其中管母外徑為0.3m，內徑為0.1m[2]。其詳細建模如圖4所示。

2 邊界條件和電壓的設定

2.1 邊界條件的設定

靜電場與時域無關，描述靜電場“共性”的方程是Poisson方程和laplace方程，二者均屬于一元二次線性偏微分方程，這類偏微分方程的定解條件是在場域V的邊界S上給定的邊界條件包括3種類型。1）第一類邊界條件（狄利赫萊（Dirichlet）條件）：已知場地邊界S上各點的電位勢值。2）第二類邊界條件（紐曼（Neumann）條件）：已知場邊界S上點電位勢的法向導數。3）第三類邊界條件（混合條件，又稱羅賓（Robin）條件）：第一類和第二類邊界條件的線性組合。

由于本次研究的閥廳只進行直流高壓下的電場強度計算，因此只需要滿足第一類邊界條件，即閥廳墻壁和地面電位設為0V，以此作為閥廳計算模型的外邊界條件。

2.2 電壓的設定

由于本文采用的是簡化后的閥廳模型，多種設備進行了設備和簡化，因此采用的電壓節點不應過多。過多的節點會導致操作煩瑣、計算復雜，甚至可能導致仿真失敗，影響計算準確性。因此將10個關鍵節點的電壓作為主要加載電壓。這10個節點包括800kV出線端電壓、400kV出線端電壓、塔連母線電壓、“Y”形側的三相閥塔進線端電壓、“Y”形側中性點電壓、“D”形側的三相閥塔進線端電壓和閥塔屏蔽層電壓，應均勻加載，屏蔽球電壓應與管母相同，墻壁和其他接地點電壓設為0。

3 閥廳場強分布和最大場強分析

基于COMSOL的AC/DC靜電場模塊，設立邊界條件、施加電壓，并使用穩態求解器求解閥廳內全模型電勢和電場強度，分別如圖5、圖6所示。

根據上文設置的零電位墻壁邊界，套管與墻壁間的電位差急劇增加，引起穿墻套管內電場強度顯著上升。這不僅會對其他設備的電場干擾造成不必要影響，還干擾了電場的顯示和標記。因此，為準確反映閥廳內的電場情況，使用COMSOL進行三維繪圖時忽略套管絕緣子和芯棒的影響。

圖5和圖6顯示了電勢和電場的最大值和最小值，最大電場強度出現在400kV管母屏蔽球附近，為1.06×104kV/m。該高電場強度源于閥塔屏蔽層施加的高電壓，同時距離閥廳墻壁非常近，導致電場強度發生明顯畸變。

由于對閥廳內模型進行了大幅度簡化，并對部分模型如塔連管母類金具進行了倒圓角處理，因此并未出現金具表面電場強度過大的情況，但對套管的絕緣進行了大幅簡化，因此與實際閥廳的偏差增大，如果后續需要進行深入研究，可將重心分析各類套管單個絕緣子子模型電場強度。

這一結果對特高壓換流站的設計和運行具有實際意義。高電場強度區域可能會引起電暈放電，增加設備維護成本和縮短壽命。此外，電場的非均勻分布可能影響設備正常運行，降低系統穩定性。因此，在特高壓換流站設計和布局中需要更細致地考慮電場強度分布，以減少不均勻性，保證設備安全可靠運行。該結果可為優化特高壓換流站電場管理、減少電暈放電引起的電能損耗和設備故障風險并提高輸電系統效率和可靠性提供參考。

4 結論

通過COMSOL多物理場仿真軟件，本文全面分析了±800kV換流站閥廳內金具表面電場。在仿真計算中，本文采取了精細的尺寸設置，如套管的導桿、絕緣子等，以準確模擬各部分的電場分布。最大電場強度出現在Y側B相下方，約為1.06×104kV/m，而其他區域的電場強度均＜500kV/cm。

這一發現為特高壓換流站的設計和運行提供了重要信息。首先，高電場強度區域容易引起電暈放電，從而增加維護成本并縮短設備壽命。其次，電場強度的非均勻分布可能影響設備的正常運行和系統的穩定性。

因此，本文具有一定的理論和實際意義。理論上，深入了解了電場分布，可為電暈放電和電磁干擾等問題提供更深入的研究基礎。實際應用方面，該研究結果可用于特高壓直流輸電系統的電場管理和設備設計優化，降低電能損耗和維護成本，提高系統的可靠性和效率。未來可進一步研究改進策略，以進一步優化特高壓換流站的性能，并保證其可持續、高效運行。

參考文獻

[1]王洋.特高壓直流換流站閥廳金具表面電場計算及結構優化[D].吉林：東北電力大學，2017.

[2]石鈺.換流站閥廳金具表面電場分析研究[D].淮南：安徽理工大學，2019.

[3]張競言.特高壓直流換流站高壓閥廳金具表面電場分布計算[D].北京：華北電力大學，2016.

[4]金碩，甘艷，阮江軍，等.特高壓直流輸電系統閥廳金具表面電場精細求解[J].高電壓技術，2015，41（4）：1299-1305.