特高压换流站阀厅电场分布特性研究

摘 要：特高压换流站的阀厅是直流输电工程的至关重要组成部分之一，其中设备复杂且紧密相连，同时与外界隔绝。因此，必须认真研究阀厅内设备表面的电场强度对设备正常运行的影响。本文以800kV直流换流站阀厅为对象，采用多物理场仿真软件COMSOL，对阀厅内设备的电场强度进行了详细计算。仿真计算结果为特高压直流工程的设计和建设提供了重要的参考依据，尤其是相关金具的设计。本文为提高特高压换流站的性能和可靠性，并降低潜在故障的风险提供了有力支持。该工作对推动直流输电技术的发展和应用具有重要作用。

关键词：换流站阀厅；金具；电场计算；COMSOL

中图分类号：TM 72" " " 文献标志码：A

换流站是高压和特高压输电工程的核心组件，能够合并整流和逆变功能，将交流电转换为直流电，并将直流电转换为交流电[1]。特高压换流站的阀室在特高压直流输电系统中具有重要作用，其正常运行对阀室内部环境的要求非常严格。内部电场分布复杂，未受监控和约束时易发生设备尖端电场畸变和电晕放电。电晕放电不仅会引起光污染、噪声问题，还会导致设备变形、寿命缩短并增加维护成本，同时随着的高频脉冲也会严重影响监控设备和电能损耗。因此，分析和计算高压阀室金属表面电场的影响对限制电晕放电引起的电能损耗和高频电磁干扰至关重要，对特高压直流输电系统的换流站阀室金属部分进行设计与验证具有实际意义。

本文以800kV直流换流站阀厅为研究对象，完成了如下任务。1）在COMSOL仿真软件平台建立了800kV特高压换流站阀厅的仿真模型，包括金具设备和空气域。本文介绍了一次电气设备的结构、仿真模型尺寸参数的选择，并在COMSOL中完成了总体模型的建立。2）对建立的阀厅模型进行仿真，记录正常运行情况下直流换流站阀厅的电压和电场强度分布情况，并结合理论知识对最大场强进行了分析。

1 阀厅模型的建立

本文使用COMSOL Multiphysics进行模型建立。

1.1 设备模型简化

本次模型设计在保证与实际结构相符的前提下，简化了部分设备结构，降低了模型剖分难度[2]。与正常运行无关的设备，如巡视走廊未被建模。阀塔内静电屏蔽的晶闸管模型被忽略。连接设备的小型金具、线夹和支架等未被纳入建模。由于研究焦点是金具表面电场强度，因此绝缘子套管和支柱被适度简化。高压绝缘子伞裙直接省略，穿墙套管上的伞群被建模为圆柱。材料、几何形状等属性已整理并简化[3]。

阀厅内器件简化后模型和材料情况见表1。

1.2 阀厅内部设备建模

1.2.1 整体模型

根据工程设计图纸和相关文献，特高压阀厅内部各种设备和布置方式均来源于真实图纸和相关文献。所建立的阀厅模型内部三维视图如图1所示。阀厅长85m，宽40.93m，高30m[4]。

1.2.2 阀塔

换流阀是换流站阀厅内完成换流工作的关键设备，外部结构由屏蔽罩、屏蔽层和阀塔避雷器组成。阀塔内有6层晶闸管，作为保护的避雷器与其并联。由于晶闸管是阀厅内的精密结构，因此其外部必须有大量屏蔽保护金具。根据静电屏蔽原理可知，其内部电场强度较小，设计中可直接忽略不计，而对应的外部金具的场强较大，是本次设计的分析对象，因此建模时忽略阀厅内部晶闸管、冷却管建模，并保留屏蔽罩、屏蔽层和避雷器[2]。阀塔的尺寸为长7.1m、宽6.7m、高8.7m[3]，被悬挂在距地面大约10m的位置。所建立模型如图2所示。

1.2.3 穿墙套管

套管的导杆通常位于其内部，并与阀塔的顶部连接，这一连接通常由均压环等均压设备组成。为降低内存使用量，对绝缘子等影响较小的部分进行了适度简化。细节尺寸如下[2]。1）D/Y换流变穿墙套管：芯棒直径0.1m，外部绝缘1m。2）800kV穿墙套管：芯棒直径0.1m，外部绝缘1.1m。3）对于400kV穿墙套管，采用模型比例缩小操作，在800kV穿墙套管的基础上实现。

该尺寸设置允许更准确地模拟不同部分的电场分布，考虑了套管、导杆和均压设备等因素。通过将绝缘子等效为同心圆柱体，并省略支撑均压环的连接金具，能够准确地捕捉到关键区域的电场强度分布，对提高特高压换流站的电场管理和优化设计具有一定技术意义。所建立模型如图3所示。

1.2.4 D/Y侧其他金具

D/Y侧金具如均压球、均压环和管母建模如图4所示，主要分为2个部分。三角形连接侧即D侧，此部分主要与外界换流变压器400kV侧链接，同时还要消除其中的谐波。星形连接侧即Y侧，此部分主要与外界换流变压器800kV侧链接，同时还要防止单相接地故障。两者虽链接方式不同，但采用的器材尺寸相同。其中管母外径为0.3m，内径为0.1m[2]。其详细建模如图4所示。

2 边界条件和电压的设定

2.1 边界条件的设定

静电场与时域无关，描述静电场“共性”的方程是Poisson方程和laplace方程，二者均属于一元二次线性偏微分方程，这类偏微分方程的定解条件是在场域V的边界S上给定的边界条件包括3种类型。1）第一类边界条件（狄利赫莱（Dirichlet）条件）：已知场地边界S上各点的电位势值。2）第二类边界条件（纽曼（Neumann）条件）：已知场边界S上点电位势的法向导数。3）第三类边界条件（混合条件，又称罗宾（Robin）条件）：第一类和第二类边界条件的线性组合。

由于本次研究的阀厅只进行直流高压下的电场强度计算，因此只需要满足第一类边界条件，即阀厅墙壁和地面电位设为0V，以此作为阀厅计算模型的外边界条件。

2.2 电压的设定

由于本文采用的是简化后的阀厅模型，多种设备进行了设备和简化，因此采用的电压节点不应过多。过多的节点会导致操作烦琐、计算复杂，甚至可能导致仿真失败，影响计算准确性。因此将10个关键节点的电压作为主要加载电压。这10个节点包括800kV出线端电压、400kV出线端电压、塔连母线电压、“Y”形侧的三相阀塔进线端电压、“Y”形侧中性点电压、“D”形侧的三相阀塔进线端电压和阀塔屏蔽层电压，应均匀加载，屏蔽球电压应与管母相同，墙壁和其他接地点电压设为0。

3 阀厅场强分布和最大场强分析

基于COMSOL的AC/DC静电场模块，设立边界条件、施加电压，并使用稳态求解器求解阀厅内全模型电势和电场强度，分别如图5、图6所示。

根据上文设置的零电位墙壁边界，套管与墙壁间的电位差急剧增加，引起穿墙套管内电场强度显著上升。这不仅会对其他设备的电场干扰造成不必要影响，还干扰了电场的显示和标记。因此，为准确反映阀厅内的电场情况，使用COMSOL进行三维绘图时忽略套管绝缘子和芯棒的影响。

图5和图6显示了电势和电场的最大值和最小值，最大电场强度出现在400kV管母屏蔽球附近，为1.06×104kV/m。该高电场强度源于阀塔屏蔽层施加的高电压，同时距离阀厅墙壁非常近，导致电场强度发生明显畸变。

由于对阀厅内模型进行了大幅度简化，并对部分模型如塔连管母类金具进行了倒圆角处理，因此并未出现金具表面电场强度过大的情况，但对套管的绝缘进行了大幅简化，因此与实际阀厅的偏差增大，如果后续需要进行深入研究，可将重心分析各类套管单个绝缘子子模型电场强度。

这一结果对特高压换流站的设计和运行具有实际意义。高电场强度区域可能会引起电晕放电，增加设备维护成本和缩短寿命。此外，电场的非均匀分布可能影响设备正常运行，降低系统稳定性。因此，在特高压换流站设计和布局中需要更细致地考虑电场强度分布，以减少不均匀性，保证设备安全可靠运行。该结果可为优化特高压换流站电场管理、减少电晕放电引起的电能损耗和设备故障风险并提高输电系统效率和可靠性提供参考。

4 结论

通过COMSOL多物理场仿真软件，本文全面分析了±800kV换流站阀厅内金具表面电场。在仿真计算中，本文采取了精细的尺寸设置，如套管的导杆、绝缘子等，以准确模拟各部分的电场分布。最大电场强度出现在Y侧B相下方，约为1.06×104kV/m，而其他区域的电场强度均＜500kV/cm。

这一发现为特高压换流站的设计和运行提供了重要信息。首先，高电场强度区域容易引起电晕放电，从而增加维护成本并缩短设备寿命。其次，电场强度的非均匀分布可能影响设备的正常运行和系统的稳定性。

因此，本文具有一定的理论和实际意义。理论上，深入了解了电场分布，可为电晕放电和电磁干扰等问题提供更深入的研究基础。实际应用方面，该研究结果可用于特高压直流输电系统的电场管理和设备设计优化，降低电能损耗和维护成本，提高系统的可靠性和效率。未来可进一步研究改进策略，以进一步优化特高压换流站的性能，并保证其可持续、高效运行。

参考文献

[1]王洋.特高压直流换流站阀厅金具表面电场计算及结构优化[D].吉林：东北电力大学，2017.

[2]石钰.换流站阀厅金具表面电场分析研究[D].淮南：安徽理工大学，2019.

[3]张竞言.特高压直流换流站高压阀厅金具表面电场分布计算[D].北京：华北电力大学，2016.

[4]金硕，甘艳，阮江军，等.特高压直流输电系统阀厅金具表面电场精细求解[J].高电压技术，2015，41（4）：1299-1305.