800kV换流变网侧套管替换方案及绝缘性能分析

国网新疆电力有限公司电力科学研究院 李龙飞 刘磊 张飞 韩雪峰 葛志杰 国网新疆电力有限公司 张维宁

1 引言

换流变压器和换流阀共同作为交流和直流系统的接口设备，在交流电网与直流线路之间起连接和协调作用。网侧套管是换流变重要部件，常规网侧充油套管内部故障会诱发瓷套炸裂、变压器烧毁等严重事件。为消除充油套管安全隐患，2019年国家推行结构强度高、抗爆、抗燃性能好的环氧树脂浸纸套管（干式套管）在换流变网侧的试点应用。

干式套管与油式套管相比，除在无燃烧及无爆炸危险方面具有优势，还具有设计紧凑、体积小、重量轻、运行中无局放、免维修、适配性强、气密性好及可以任意角度安装等优点。在对换流变油式套管进行替换时，需要对替换套管的电气性能、尺寸及变压器油枕油位及升高座结构进行全面考虑，同时，还要对替换套管的绝缘裕度是否满足要求进行验证[1-2]。

结合800kV 换流变网侧高压套管替换方案，对替换套管的电气性能、套管结构及升高座改造方案进行分析。采用专业电磁有限元分析软件，建立二维轴对称有限元模型，对替换套管的电场强度进行仿真计算，并分析绝缘裕度，对套管替换过程作出详细说明。

2 套管电气参数

与原套管相比，替换套管的电气性能试验参数须不低于原套管电气性能试验参数，替换套管为环氧树脂浸纸式套管，主要由环氧树脂浸纸电容芯子、法兰、复合外套、均压球等结构组成。环氧树脂浸纸式套管与原油套管结构如图1所示。环氧树脂浸纸式套管结构与原套管电气试验参数对比如表1所示。

图1 环氧树脂浸纸式套管结构与原油套管结构

由表1可知，环氧树脂浸纸式套管的电气试验参数比原油式套管裕度更大，500kV 环氧树脂浸纸式套管温升试验电流确定为3150A，试验时油温控制（90±2）℃、空气侧环温控制(50±2）℃，载流导电杆最热点温度要求＜120℃。因此，环氧树脂浸纸式套管电气绝缘参数优于原油套管，满足替换需求。

表1 原油式套管与替换干式套管电气试验参数对比

3 套管安装尺寸

原油套管与环氧树脂浸纸式套管的安装尺寸对比如表2所示。

由表2可知，环氧树脂浸纸式套管与原油套管除在变压器总长方面需要改进外，其他方面的安装尺寸均可行。在原油套管长为1285mm 时，环氧树脂浸纸式套管总长为1485mm，新套管比原油套管高200mm，采用将升高座加高200mm的方式进行套管替换。

表2 原油套管及新套管安装尺寸对比

4 环氧树脂浸纸式套管电场仿真计算

利用有限元分析软件，结合环氧树脂浸纸式套管及天山宜宾站低端换流变压器网侧500kV的装置模型，建立相应的二维轴对称有限元模型，计算测试电压为AC680kV[3-5]。

在有限元计算模型中，与该电场分析对应的边值问题为：

式中：u为电位；γ为材料电导率。

场域中各点的电场强度E=-∇u。

施加的边界条件设置如下。

一是导电杆作为电压承载部件，定义为高电位，即额定电压为680kV；二是与导电杆相连的金属部件（如出线装置和均压环）与导电杆为等电位，设置为高电位；三是法兰、升高座接地，设置为零电位；四是对于环氧树脂芯子内的铝箔屏蔽，每层铝箔的电位相同，层与层之间铝箔电位等量增加（由外至内），首屏与导电杆电位相同，设为高电位。末屏与法兰电位相同，设为零电位。将末屏与首屏顶部节点相连，等效为电位等量增加的斜面，将其设置为零电位到高电位的线性电位。不同材料的电气参数，材料为Oil变压器油相对介电常数为2.2，材料为Rip 环氧树脂浸纸相对介电常数为4.0。

图2为套管底部均压球与升高座之间电场强度分布云图。套管电压为680kV,电力线从导电杆,均压环,草帽到升高座内壁由密到疏,整体电场强度最大值位于草帽均压球处,则油中电场强度约为4.6kV/mm。研究表明，套管电场畸变最为严峻的区域为换流变套管均压球外表面及尖角电极附近区域。在本文中重点研究均压球外表面电场分布。

图3为电位分布云图，图4为电场强度分布云图。由图2～图4可知，在交流680kV电压下，油中最大电场强度出现在上均压球绝缘表面，为6.67kV/mm，因此绝缘结构可行。

图2 套管底部均压球与升高座之间电场强度分布云图

图3 电位分布云图

图4 整体电场强度分布云图

5 套管替换方案

干式套管首先在备用换流变上完成安装，随换流变一同推至运行位置，且备用换流变为新设备入场状态，即无换流变排油、引线拆除、原套管拆除等工作，直接安装增长升高座及干式套管。

5.1 换流变网侧、阀侧套管设备连线拆除

拆除网侧套管的设备连线接头，将设备连线进行固定。拆除阀侧套管母线时，合理利用电动葫芦和阀厅作业车，提高效率，对管母线接头拍照，填写断复引记录。拆卸后的管母线按照换流变相位统一堆放在阀侧套管下方，避免混淆。

5.2 换流变本体排油

排油过程中需要注意排油时油面变化大，容易引起瓦斯继电器动作，应将保护短暂闭锁，并将换流变本体排油模块打到手动状态，防止换流变误排油。

5.3 原套管拆除

一是防止连接螺栓或异物掉落到升高座中。

二是防止由于套管提升力过大等原因导致出线装置受损。

5.4 新套管安装

套管安装过程中，若与出线装置均压结构不对，可能导致套管挤压出线，造成绝缘不可修复性变形。可通过内窥镜实时监测+拉杆拉力监测的方式，对套管与底座对接过程进行监测。将内窥镜放入升高座内，使镜头可以清晰看到下拉杆底部接线端子处，保证在安装过程中下拉杆与套管导电杆同心。

6 结论

一是环氧树脂浸纸式套管的电气试验参数比原油式套管裕度更大，满足现场套管替换需求。

二是经过电场仿真计算，套管电场最大场强处位于换流变套管均压球外表面，则其电场强度为6.67kV/mm，满足绝缘裕度要求，绝缘结构可行。

三是套管更换方案的工艺步骤为网侧套管设备连线拆除，换流变本体排油，原套管拆除，新套管安装，为同类型套管更换具有指导借鉴作用。