換流閥的通斷對閥塔避雷器均壓環(huán)表面電場的影響（電力）
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換流閥的通斷對閥塔避雷器均壓環(huán)表面電場的影響（電力）
董志勇1，杜志葉1，阮江軍1，金碩1，周勝1，胡蓉2，孫幫新2
(1．武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院，湖北武漢 430072;2．南方電網(wǎng)超高壓公司，廣東廣州 510620)
摘要：為分析換流閥的通斷對閥塔避雷器均壓環(huán)的影響，采用靜電場有限元數(shù)值方法．在閥廳整體模型中，對閥塔避雷器均壓環(huán)表面的電場分布情況進(jìn)行分析。首先基于12脈動整流電路的原理，分析了換流閥各閥組件在計算時的加載方式，然后結(jié)合仿真得到閥廳設(shè)備在額定功率和輕載運行時的電位波形。采用靜電場瞬時加載法求解，得到各種運行工況下閥塔避雷器均壓環(huán)場強分布云圖和最大值分布規(guī)律。通過分析閥塔避雷器均壓表面的最大場強與換流閥的導(dǎo)通截止?fàn)顟B(tài)發(fā)現(xiàn)，在當(dāng)前設(shè)計方案及配置條件下，截止?fàn)顟B(tài)下的閥塔避雷器均壓環(huán)最大場強較導(dǎo)通狀態(tài)下偏高。這表明換流閥在截止時對周圍均壓環(huán)電場產(chǎn)生的影響較開通時
影響更大，這為后續(xù)閥廳金具設(shè)計優(yōu)化提供更切合實際、更為準(zhǔn)確的計算思路，具有重要的指導(dǎo)意義。
關(guān)鍵詞：換流閥；均壓環(huán)：避雷器；閥廳：開通和截止：最大場強
中圖分類號：TM835 DOI：10.1 1930/j.isstn.1004-9649.2016.04.032.06
0引言
由于直流輸電的電壓等級逐漸提高，換流閥的結(jié)構(gòu)也變得越來越復(fù)雜。而換流閥運行狀況會影響整個直流輸電系統(tǒng)甚至交流系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定，嚴(yán)格控制換流閥附近的各處場強，確保其附近無電暈產(chǎn)生，是保證換流閥以及閥廳正常運行的重要條件。因此，對換流站閥廳內(nèi)部各場量的計算，尤其是換流站閥在開通和關(guān)斷的不同狀態(tài)下其周圍的電場分布，特別是對附近的均壓環(huán)表面電場影響的研究是十分必要的。
目前，國內(nèi)對換流站閥廳內(nèi)的電場已經(jīng)進(jìn)行了一定的研究。主要研究高壓直流換流
閥以及其絕緣子表而電場計算和均壓環(huán)設(shè)計。分別對超高壓閥廳全模型進(jìn)行了分析．主要關(guān)注的是閥廳內(nèi)均壓環(huán)和均壓球等金具．重點研究的是閥廳內(nèi)均壓環(huán)和均壓球等金具表面的
電場，但沒有提及在換流閥開通和關(guān)斷狀態(tài)下．閥塔避雷器均壓環(huán)表面的電場計算和分析。
本文側(cè)重于+500 kV電壓等級下閥廳運行的工程實際，采用瞬時電壓加載法，選取其中比較典型的18組數(shù)據(jù)進(jìn)行加載求解，并得到了相應(yīng)時序下的閥塔避霄器均壓環(huán)表面電場強度的最大值．分析了與之相關(guān)的換流閥是處在導(dǎo)通狀態(tài)還是截止?fàn)顟B(tài)，總結(jié)出換流閥工作在導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)時閥塔避雷器均壓環(huán)表面的最大場強值，從而為絕緣優(yōu)化以及改善金具表面電暈提供可靠依據(jù)。本文主要考慮閥廳正常運行情況，對于換流站加壓啟動過程以及故障等非正常運行情況不予考慮。
1 換流閥通斷的工作原理
由于高壓直流輸電采用的整流器為2個6脈沖整流器（義稱為單橋整流電路）構(gòu)成的12脈沖整流器（又稱為雙橋整流器），目前國內(nèi)外換流站主要采用12脈沖整流電路（又稱為雙橋整流電路）．其可分解為2個交流側(cè)相位差為300的6脈沖整流回路（單橋整流）串聯(lián)而成。在每個6脈沖整流器中，當(dāng)換流閥承受正向電壓，即閥的陽極電位高于陰極電位并且控制極得到觸發(fā)脈沖信號，則換流閥導(dǎo)通；當(dāng)換流閥在導(dǎo)通狀態(tài)下直到流通電流降為0時才會關(guān)斷。本文主要是針對正常情況下的運行方式，即工況4~5運行方式作為研究對象。
下面以昭通+500 kV直流換流站極1閥廳模型為研究對象，通過對整體模型的求解．重點研究換流閥通斷對閥塔避雷器均壓環(huán)表面電場分布的影響。圖1為在PSCAD所建模型的主體部分。
仿真時，將換流站各設(shè)備以及整個輸電系統(tǒng)的電氣參數(shù)作為輸入量，在功率控制的運行方式下，在滿足交流側(cè)和直流側(cè)輸入輸出電壓與相應(yīng)系統(tǒng)電壓相位一致的前提下．分別對額定功率運行狀態(tài)和輕載(0.1倍額定功率)運行狀態(tài)下各主設(shè)備的對地電壓波形進(jìn)行仿真。
由于閥廳內(nèi)部各連接金具對地電壓是呈周期變化的，這里通過仿真得到在一個周期內(nèi)閥廳內(nèi)部各連接金具對地電壓分布圖，如圖2所示。圖中換流變閥側(cè)對地電壓波形有突變的情況．主要是因為在換流閥換相時引起了電壓沖擊。
2昭通換流站加載方法分析
2.1 閥廳內(nèi)基本電氣參數(shù)
昭通+500 kV直流換流站極1閥廳的換流變壓器電源電壓為j相525 kV，由6個單相的變壓器組成．3個單相變壓器組成Y-Y形，3個組成Y-D形。
2.2 閥廳主設(shè)備電位
考慮到閥廳內(nèi)部實際情況，對于全模型，電位加載方式不同時，閥廳內(nèi)部金具上的電場分布也不同．因此有必要對典型相序時的電位、電場分布進(jìn)行仿真分析。根據(jù)以往得到的其他閥廳的最大電場值以及其電場分布的經(jīng)驗，再結(jié)合本次閥廳的實際情況進(jìn)行計算。對PSCAD仿真得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行了等時間問隔的離散提取，選擇40。左右的間隔，考慮r不同負(fù)載下的情況。其中包含了（Y 側(cè)）YA. YB. YC和1（D傾）DA、DB、DC及直流出線管母等部位所加的電位分別取最高值的時刻，根據(jù)以}二選取的電位進(jìn)行加載和分析，來計算各關(guān)注點的電場強度，
2.3 閥組件加載方式分析
根據(jù)對換流閥圖紙的分析，昭通站每個4重閥的連接方式如圖3所示。
其中黑線連接的3個閥組為一個橋臂，紅線表示各橋臂之間以及與引出線的連接。包括閥塔避雷器在內(nèi)的電氣連接如圖4所示。
從圖4可以看出：(1)1L、1R、2L為一個橋臂．與閥塔避雷器F4并聯(lián)，1L側(cè)接低壓中性出線．2L側(cè)接D側(cè)換流變閥側(cè)出線；(2)2R、3L、3R作為一個橋臂，與閥塔避雷器F3并聯(lián)，2R側(cè)接D側(cè)換流變閥側(cè)出線，3R側(cè)接換流閥Y側(cè)與D側(cè)之間的250 kV連接母線；(3)4L、4R、5L為一個橋臂，與閥塔避雷器F2并聯(lián)，4L側(cè)接250kV連接母線．SL側(cè)接Y側(cè)換流變閥側(cè)出線；(4)5R、6L、6R為一個橋臂，與閥塔避雷器Fl并聯(lián)．SR側(cè)接Y側(cè)換流變閥側(cè)出線，6R接500kV高壓出線。
基于上述分析，可以確定各閥組在計算時的電位加載方式：(1)1L加載低壓中性}H線電位；(2)2L. 2R加載D側(cè)換流變閥側(cè)出線電位；(3)3R、4L加載250 kV連接管母電位；(4)5L、5R加載Y側(cè)換流變閥側(cè)出線電位；(5)6R加載500 kV高壓直流出線電位。
下面以額定功率下1800相角時刻為例介紹此時各個閥塔部位電壓加載情況及橋臂的工作狀態(tài)。
此時．YA與YB的電位均與高壓m線電位相同．說明A相閥塔的橋臂5R-6L-6R導(dǎo)通，B相閥塔的橋臂5R-6L-6R導(dǎo)通。YC的電位與連接母線的電位相同，說明C相閥塔的橋臂4L-4R-5L
導(dǎo)通。同理，DA的電位與連接母線的電位相同，則A相閥塔的橋臂2R -3L-3R導(dǎo)通。DB的電位介于低壓出線的電位與連接母線的電位之間，則DB處于截止?fàn)顟B(tài)。DC的電位與低壓出線的電位相同，則C相閥塔的橋臂1L-1R-2L導(dǎo)通。此時，雙橋整流器處在工況4~5之“5”狀態(tài)。同理可得出．在輕載功率下356.40相角時刻，雙橋整流器處在工況4~5之“4”狀態(tài)。以此類推，可得出各個相角下的閥臂丁作狀態(tài)，從而確定各閥組件上加載的電位。
這種電位加載方式，能比較客觀地反映晶閘管在開通和關(guān)斷的不同情況下，閥廳內(nèi)各處電位的值，進(jìn)而在仿真中能得到各處場強的值更接近于實際。
3閥廳全模型電場計算
3.1 有限元模型及剖分控制
閥廳由于環(huán)境限制，內(nèi)部各設(shè)備的布置相對比較緊密，因此閥塔避雷器均壓環(huán)表面的電場分布不僅與各換流閥組件的電位有關(guān)，還受到閥廳內(nèi)部其他金具設(shè)備的影響。為了得到避雷器均壓環(huán)表面較為真實的電場分布，針對閥廳整體模型展開有限元電場分析，研究閥塔避雷器均壓環(huán)以及其他金具設(shè)備表面的電場分布情況。根據(jù)閥廳實際結(jié)構(gòu)CAD圖建立3D全模型，如圖5所示。閥塔以及閥塔避雷器均壓環(huán)的局部模型，如圖6和圖7所示。模型還有高壓套管、套管均壓環(huán)、閥塔、閥塔避雷器、閥塔避雷器均壓環(huán)、支柱絕緣子、軟導(dǎo)線、525 kV極線穿墻套管、52 kV極線穿墻套管以及相應(yīng)的連接管母等閥廳內(nèi)部主要設(shè)備實際結(jié)構(gòu)尺寸。
另外，由于閥廳內(nèi)設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，數(shù)量眾多、種類繁雜、且計算區(qū)域大，需要對計算量進(jìn)行一定的控制�？紤]到金具表面軸向場強為零，而金具表面切向場強與金具表面場強方向一致．所以只需要對金具表面法向網(wǎng)格的尺寸進(jìn)行精細(xì)的控制。在剖分過程中，隨著控制單元尺寸的減小．剖分單元的數(shù)量將大大增加，計算內(nèi)存消耗會超過硬件容量。根據(jù)先前本項目組經(jīng)驗．考慮到本項目閥廳整體設(shè)備剖分單元的數(shù)量限制，本文根據(jù)金具設(shè)備的形狀和尺寸，將金具設(shè)備表面與空氣交界面的法向單元控制尺寸設(shè)定為10～30mm。
3.2 閥塔避雷器均壓環(huán)表面電場分布
在導(dǎo)通和關(guān)斷狀態(tài)下，分別取閥塔避雷器均壓環(huán)表面電場分布最大值的一組云圖，如圖8和圖9所示。
不同相角下最大場強值及與之相關(guān)的橋臂狀態(tài)如表1和表2所示。
在導(dǎo)通狀態(tài)下，閥塔避雷器均壓環(huán)表面最大場強出現(xiàn)在輕載功率下356.40相角時刻．為9.27kV/cm。在截止?fàn)顟B(tài)下，閥塔避雷器均壓環(huán)表面最大場強出現(xiàn)在額定功率下1800相角時刻。為14.8kV/cm。截止?fàn)顟B(tài)下閥塔避雷器均壓環(huán)表面場強最大值高于導(dǎo)通狀態(tài)，原因是：在圖8和圖9所示中，換流閥處在截止?fàn)顟B(tài)時，以品閘管的關(guān)斷為理想狀態(tài)，忽略其流過的電流，在一個換流閥組件中，串聯(lián)在中間的閥組件是懸浮電位，與附近的加載高電位的避雷器均壓環(huán)有較大的電位差，從而產(chǎn)生較大的電場一與加載懸浮電位的閥組件距離最近的均壓區(qū)域是產(chǎn)生場強最大的地方，如圖8所示，側(cè)視圖即為場強最大的區(qū)域。正視圖所示的區(qū)域距離相對較遠(yuǎn)，所以其區(qū)域場強相對較小。
在額定功率下．1800相角時刻閥塔避雷器均壓環(huán)表面場強最大值為14.8 kV/cm，是所考慮的最極端的情況。由于其電場值遠(yuǎn)低于起暈場強控制值，說明從電暈控制角度來講，閥塔避雷器均壓環(huán)均能在閥廳環(huán)境中安全穩(wěn)定運行。如果在極端情況下場強較大，可以通過增大雙環(huán)的間距、環(huán)的半徑和管的半徑來降低閥塔避雷器均壓環(huán)表面場強。
4結(jié)論
通過上述分析和場強計算，得出如下結(jié)論。
(1)采用本文的閥塔電位加載方式，得到的場強計算值更接近于閥廳內(nèi)場強的實際分布，進(jìn)而得到的閥塔避雷器均壓環(huán)表面的場強值也更接近其真實值。
(2)通過汁算，發(fā)現(xiàn)閥塔避雷器均壓表面最大場強出現(xiàn)在額定功率下1 800相角時刻，為
14.8 kV/cm,與之相關(guān)的橋臂處在截止?fàn)顟B(tài)。通過對18組的數(shù)據(jù)分析，可以看m截止?fàn)顟B(tài)下的閥塔避雷器均壓環(huán)最大場強較導(dǎo)通狀態(tài)下偏高。這說明換流閥在關(guān)斷時對周同電場產(chǎn)生影響較開通的影響大�？梢缘贸�，在品閘管關(guān)斷的時刻，閥塔避雷器均壓環(huán)最大場強值更接近于實際運行中閥塔避雷器均壓環(huán)的最大值。而出現(xiàn)最大值的時刻和位置．即為以后閥廳計算和運行中要重點關(guān)注的對象。這為后續(xù)閥廳金具設(shè)計與優(yōu)化提供更切合實際、更為準(zhǔn)確的計算方法和參考依據(jù)。
(3)通過對閥塔避雷器均壓環(huán)表面電場的校核．得出閥塔避雷器均壓環(huán)表面場強最大值遠(yuǎn)低于起暈場強控制值．進(jìn)而閥塔避雷器均壓環(huán)均能在閥廳環(huán)境巾安全穩(wěn)定運行。由于本次求解內(nèi)容的側(cè)重點是換流閥的通斷對閥塔避霄器均壓環(huán)表面電場的影響，岡此沒有對換流閥內(nèi)部進(jìn)行精細(xì)建模求解，、但是，通過此次的求解，可以為以后對換流閥內(nèi)部電場的研究提供重要的參考。
