基于三相复合时变场的柔性直流换流站阀厅金具表面场强计算分析

徐健涛，杨国华，许爱斌，王 晶，李学宝

(1.平高集团有限公司，河南 平顶山 467000; 2.北京云道智研科技有限公司，北京 100192; 3.华北电力大学，北京 102206)

由于我国资源分布不均，能源主要分布在西北、东北等地区，而电能的大量使用集中在东部地区，因此高压直流输电技术得到了大力发展[1-3]。中国已经拥有高电压等级、大规模的交直流混联电网，换流站作为混连电网的中转站，其内部接线方式愈加复杂。换流阀厅日益扩大，国内对于换流站的保护及其传递特性进行了大量研究[4-7]。而其内部设备金具能否良好地控制其表面电场强度并具有一定的安全裕度，满足设备在防电晕、载流、机械等方面的要求[8-11]对于整个换流阀厅的设计与布置方面具有重要的指导意义[12-15]。

随着高压直流输电工程的不断发展，在换流站中的金具设备特性检验成为建设工程中必不可少的重要项目，同时国内外研究者对换流站的模型及工作特性进行了大量研究[16-19]。文献[20]设计了试品球并开展电晕试验，引入支持向量分类机构建机器学习模型，对其进行起始电晕电压的预测，文献[21-23]讨论了有限元分析方法的具体实用性，对有限元模型进行了简化并通过金具、导线、绝缘子等对计算结果的影响证明了简化模型的合理性，分析了换流站金具结构对周围绝缘设备表面的电位电场分布以及空气域的影响提出了优化金具结构的方法并加以验证。文献[24-25]针对高压直流屏蔽金具的电气及机械特性进行了计算分析，并根据计算结果设计了均压屏蔽装置，优化了屏蔽装置的结构参数使其适用于工程，但针对的对象较单一，而换流站阀厅的设备和金具众多，复合场工况也较复杂，需要对此进行考虑。

为开展主要关键点金具的设计选型和结构优化，探究三相交直流电压对金具场强的影响，使其满足技术性能参数要求，本文针对三峡如东海上风电柔性直流换流站用阀厅、直流场以及联接变压器室金具开展选型优化和电场仿真计算研究，并以换流站阀厅复合场为例对整个阀厅以及金具的电场、电位进行计算分析，探讨多种金具结构及其之间的位置对于电场分布的影响，为实际工程中金具生产制造、现场安装及维护更换提供参考。

1 复合场金具模型及电场计算

1.1 换流站阀厅模型

如东换流站阀厅平断面图、主设备外形图及金具图纸如图1～图2所示。

图1 阀厅布置图

图2 阀厅进出线断面图

图2中两侧均为阀厅金具。重点关注区域采用较小的网格尺寸进行详细剖分，非重点区域采用较大的网格尺寸粗略划分，同时保证网格由内到外、由小到大过渡连贯，畸变较少。

1.2 有限元计算模型

依据平断面实际布置，建立了阀厅的详细电场仿真计算模型，如图3所示。

图3 阀厅仿真计算模型

阀厅金具电场为低频时变周期场，忽略电磁感应，不考虑位移电流，麦克斯韦方程组可简化为

∇×E=0

(1)

∇·D=ρ

(2)

阀厅模型对应的电场边值问题分为三种情况：狄里克莱边界条件、纽曼边界条件以及混合边界条件分别如式(3)、式(4)所示。

(3)

(4)

式中：∇2为拉普拉斯算子；φ为电位；ρ为电荷密度；ε为电位能；L1、s分别代表区域边界。

本工程设计要求换流阀交流侧电压为相对地300 kV。因此阀厅交流侧各相电压波形如图4所示。

图4 三相电压波形

从图4可以看出，各位置电压均为交直流叠加的时变电压，可以用正弦波的波形来进行模拟。因此，在阀厅三维电场计算时，需要同时考虑交流和直流电压的影响，需要采用复合电场的计算方法，而不能单一地采用静电场或恒定电场。阀厅内带电导体多，设备和金具会相互影响，即使是位于同一运行电压下的金具，也会因为位置和周围导体的不同而具有完全不同的电场分布规律，因而计算阀厅金具电场时，需要建立考虑阀厅内各种设备和金具的全场域计算模型，即采用全场域整周期时变场的计算方法，建模时建立全模型，赋属性时同时考虑电阻率和介电常数，加载时加载实际运行电压波形，计算时取载荷为电场最为恶劣的状态。

2 阀厅及金具电场计算分析

本文中阀厅交流侧为三相交流电流，每一相换流阀两侧的金具结构及位置相同，由于金具表面电场强度受靠近相电压影响更大，因此主要计算在三相交流电压分别达到电压幅值时金具的表面电场。在计算过程中以阀厅换流变设备参数和换流阀的电气参数作为输入量，仿真得到阀厅内主设备电位波形，进而得到指定时刻阀厅金具设备电位，并通过静电场计算得到阀厅电场分布。

为便于对计算结果进行研究分析，根据实际布置将阀厅各金具进行编号，以A、B、C为开头的编号分别代表A、B、C三相换流阀两侧的金具，数字编号相同的两侧金具其结构相同，模型编号后如图5所示。

图5 阀厅金具编号

A相电压达到峰值时阀厅整体电位及场强分布如图6～图7所示。

图6 阀厅整体电位分布

图7 阀厅整体场强分布

以A相两侧金具为例，在A相电压达到峰值时取两侧不同结构的金具作电场计算，各金具场强分布如图8所示。

图8 不同结构金具表面场强分布

将图8中金具场强最大值列出，如表1所示。

表1 不同结构金具表面场强最大值 kV/mm

根据计算结果可以看出，金具A1、A3、A4、A6表面场强最大值均出现在其均压环外侧，且分布值连续，各金具场强均低于控制场强2.0 kV/mm，其中A1、A4、A5、A6、A11、A12均留有较高的安全裕度。A2、A3表面场强较高，这是因为二者与300 kV电极距离较短电位梯度增大，且金具尺寸较小，有必要增加上述金具尺寸以增加安全裕度。

3 不同时刻金具场强变化

在三相交流电压变化的过程中，金具表面的电场强度也随之不断变化，由于同时受到三相电压的影响，结构相同的金具由于在阀厅中位置的不同，受到电场影响后其表面场强也会不同，因此将三相电压分别达到峰值时两侧金具的表面场强作仿真计算并进行对比。将计算得到的金具表面场强最大值进行分析，表2为所取的三种工况下三相电压值。

表2 阀厅加载电压

对三种工况下阀厅整体电位分布进行计算，A相电压达到峰值时的阀厅电位分布如图6所示，B、C相电压达到峰值时的阀厅整体电位分布如图9～图10所示。

图9 0.011 665 s时阀厅整体电位分布

图10 0.018 335 s时阀厅整体电位分布

所取的三种工况分别对应三相电压值分别达到峰值时的时刻。将三种时刻下金具表面场强最大值进行对比如表3～表5所示。

表3 不同时刻A相两侧金具表面场强对比 kV/mm

续表

表4 不同时刻B相两侧金具表面场强对比 kV/mm

表5 不同时刻C相两侧金具表面场强对比 kV/mm

续表

从表3～表5可以看出，A、B、C三相左侧金具分别在两相电压达到峰值时表面电场强度达到最大值，右侧金具在三种工况下的表面场强最大值变化不大，这是因为不同时刻下阀厅整体电位分布右侧均明显强于左侧，金具表面场强同时受到三相电压的影响，而左侧金具则主要受达到峰值的相电压影响。阀厅中金具场强受到金具形状、尺寸大小以及阀厅整体电位分布的影响，编号相同的金具其形状尺寸均相同，可以看出同种类型的金具在阀厅两侧受到三相电压值的影响导致的表面场强分布基本一致，其中编号为2和3的金具分别在三相电压达到峰值时均得到较高的表面场强，这是由于其均压环尺寸设计较小。从表3～表5中可看出，所有金具在最恶劣工况下表面场强最大值均低于控制场强2.0 kV/mm。

4 结 论

本文基于三峡如东海上风电柔性直流换流站阀厅中三相交直流复合场计算模型，对不同工况下不同形状尺寸的金具进行电场计算，以验证金具是否满足控制场强要求，具体结论如下：

(1)开展了有限元仿真实验，计算最恶劣工况下金具表面场强，其中计算得到的表面场强最大值范围为0.372～1.994 kV/mm，大多金具表面场强可控制在1.2 kV/mm以内，均留有较高的安全裕度，满足工程需要。

(2)在阀厅整体电位分布较强的地方，金具表面场强受三相电压、金具形状尺寸及其所处位置的影响较小，而在阀厅整体电位分布较弱的地方受三相交流电压影响较大，其中金具尺寸小可能导致表面电场出现畸变，此时金具表面场强较大。

(3)在三相电压分别达到峰值时，对应的A、B、C三相两侧同种形状尺寸的金具表面场强分布差异较小，即金具场强受到另外两相电压的影响较小。