浮子型漏水检测装置电场分布优化研究

姚 舒，娄彦涛，王江平，王文奇，梁晓文

(中国西电电气股份有限公司 西电电力系统有限公司，西安 710075)

换流阀作为特高压直流输电的核心设备，是实现交直流电转换的核心功能单元，具有技术难度高、集成度大、跨学科领域多、可靠性要求高等技术特点[1]。

随着换流阀工程电压等级和输送容量的升高，换流阀损耗增大，冷却容量也随之增大，对换流阀漏水检测的可靠性要求也越来越高[2]。漏水检测装置是检测特高压直流输电换流阀冷却回路管道是否漏水的重要设备，换流阀常用的漏水检测包括两种：浮子型漏水检测和棱镜式漏水检测。相比棱镜式漏水检测，浮子型漏水检测结构简单、安全性高。随着换流阀电压等级的升高，漏水检测装置的结构会严重影响到换流阀的电场分布，而电场分布的均匀性会直接影响到换流阀的正常运行[3]。本文主要研究浮子型漏水检测结构对换流阀电场分布的影响并对其进行优化设计，利用ANSYS仿真软件对其进行仿真计算，优化后的漏水检测装置已通过绝缘型式试验验证并应用于工程。

1 电场计算原理

1.1 理论方程

在正常工况下，换流阀周围的工频电场是准静电场，可以近似作为静电场处理，这些电场的所有场量都不随时间变化，只是空间坐标的函数[1]，因而麦克斯韦方程可简化为：

×E=0

(1)

×D=ρ

(2)

由方程(1)可知：E=-φ，且D=εE，代入式(2)，则为

·εφ=-ρ

在场域无点电荷分布时，ρ=0，此时静电场的基本方程为：

×εφ=0

(3)

1.2 ANSYS有限元法

有限元分析(Finite Element Analysis，FEA)利用数学近似的方法对真实物理体系(几何和载荷工况)进行模拟，即将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的(较简单的)近似解，然后推导求解这个域总的满足条件(如结构的平衡条件)，从而得到问题的解，用有限数量的未知量去逼近未知量的真实系统。

ANSYS软件是ANSYS公司研制的一款通用有限元分析(FEA)软件，能够将结构、流体、电场、磁场、声场融合为一体，本文将采用ANSYS有限元分析软件对换流阀底屏蔽电场进行仿真计算。

2 换流阀底屏蔽模型

换流阀的屏蔽装置主要由三部分组成：顶屏蔽、层屏蔽和底屏蔽。对于换流阀屏蔽所关心的是电场强度最大值的分布情况，增加漏水检测装置后仅对底屏蔽的电场分布产生影响，为了简化模型，减少计算量，故只对换流阀底屏蔽进行建模。阀塔漏水检测装置位于换流阀底屏蔽的中心位置，如图1所示，用以检测换流阀塔管道是否漏水，当底屏蔽积水达到一定程度，漏水检测装置就会启动，发出报警信号。

图1 底屏蔽模型

图2 浮子型漏水检测装置模型

浮子型漏水检测装置主要由三部分组成：浮子、集水装置和蘑菇头屏蔽，如图2所示。蘑菇头屏蔽用以改善由集水装置引起的电场变化。

3 边界条件设置

建立模型后，选择ANSYS Maxwell中的静电场进行仿真计算；建立空气罩作为边界，空气罩大小按照±800kV换流阀阀厅底屏蔽对地、对墙的距离进行设置，即距地距离为8米，距离周围墙壁7米；施加最大直流耐压试验值为1306kV；利用自适应网格划分，网格剖分结果如图3所示。

图3 网格剖分结果

4 换流阀底屏蔽绝缘型式试验下的电场仿真

4.1 电场计算分析

电场仿真过程中，换流阀屏蔽施加的边界条件都是绝缘型式试验中的最大值[4]，目的是检验在最苛刻的运行条件下换流阀屏蔽的电压耐受能力，目前对于换流阀表面电场控制值没有统一标准。文献[5]在设计1100kV交流线路复合绝缘子均压环时，选取2.2MV/m作为表面电场的控制值；文献[6]在800kV特高压直流线路复合绝缘子均压环结构的优化研究中，选取2MV/m作为表面电场的控制值；文献[7]在进行高压直流换流阀厅内电场分布计算时，选取3.0MV/m作为表面电场的控制值。综上所述，根据多年的工程经验及参考文献，本文选取2000kV/m作为换流阀屏蔽表面电场强度的控制值。

图4 仿真计算精度

MVU直流耐压试验中，高压端底屏蔽承受最大电压为1306kV，所以在仿真计算中底屏蔽施加电压为1306kV。图4为计算精度结果，系统默认计算迭代数为10。从图中可知，迭代计算6次后已经达到稳定值，剖分网格数约为48.8万，系统设置的Energy Error和Delta Energy目标值为1%，迭代6次后该值达到0.38%、0.33%，远小于目标值，说明计算结果的精度满足要求。

图5为不带漏水检测装置的底屏蔽对地电场分布云图，其最大电场强度值为1380kV/m；图6为增加漏水检测装置后底屏蔽对地电场分布云图，其最大电场强度值为1890kV/m，最大值出现在漏水检测装置蘑菇头屏蔽上。很显然，增加漏水检测装置底屏蔽的电场强度明显增大，虽然降低了换流阀漏水概率，但是电场强度已接近控制值2000kV/m，增大了屏蔽出现电晕放电的风险，所以必须对漏水检测装置进行改进。

图5 不带漏水检测装置底屏蔽电场分布云图

图6 带漏水检测装置底屏蔽电场分布云图

为了改善底屏蔽电场分布，保证换流阀的绝缘性能和安全运行，对浮子型漏水检测装置结构进行优化。由仿真计算结果可知，电场强度最大值出现在漏水检测装置蘑菇头屏蔽上，为了研究蘑菇头屏蔽的曲率半径对电场分布的影响，分别计算了漏水检测装置的蘑菇头屏蔽曲率半径为25mm、30mm、35mm、40mm时该处的电场分布情况，如表1所示。

表1 不同曲率半径下的蘑菇头屏蔽表面电场强度值

由表1可知，随着曲率半径的增大，蘑菇头屏蔽的电场强度值随之减小。由此可知，电场强度值与曲率半径大小成反比，曲率半径越大，电场强度越小。因此为了改善蘑菇头屏蔽的电场分布，本文将该处的曲率半径设计为40mm。

图7 优化后带漏水检测装置底屏蔽电场分布云图

图7为优化后该处的电场分布云图。由表1、图7可知，优化后的电场强度值为1670kV/m，即当曲率半径由25mm增加到40mm时，漏水检测装置的电场强度从1890kV/m减小到1670kV/m，比原模型减小11.6%，在提高漏水检测装置可靠性的同时，减少电场强度。确保换流阀工程设备的安全运行。

4.2 实际应用

采用优化后的浮子型漏水检测装置的换流阀已在国家高压电器质量监督检验中心顺利通过绝缘型式试验，并投入实际工程应用(见图8、图9)。

图8 绝缘型式试验图

图9 应用于工程现场实物图

5 结语

由仿真计算结果可以得出，增加漏水检测装置后对底屏蔽的电场分布影响比较大，原漏水检测装置电场强度最大值为1890kV/m，当蘑菇头屏蔽的曲率半径由原来的25mm增大到40mm时，漏水检测装置电场强度最大值降为1670kV/m，比原模型减少11.6%。

通过对比不同曲率半径下的仿真计算结果可以得出：浮子型漏水检测装置蘑菇头屏蔽的曲率半径大小直接影响电场强度的大小，曲率半径越大，电场强度越小。

改进后的漏水检测装置降低了换流阀漏水概率，提高了换流阀可靠性，从而保证工程的安全运行。

[1] 颜楠楠,傅正财.直流输电换流阀屏蔽系统的电场分布分析[C]//中国电工技术学会.2010电工测试技术学术交流会论文集.武汉,2010:128-133.

[2] 杜志叶,朱琳,阮江军,等.基于瞬时电位加载法的±800kV特高压阀厅金具表面电场求解[J].高电压技术,2014,40(6):1809-1815.

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[5] LV J Z,LI L C.Study on the key equipment's insulation level of±800kV UHVDC power transmission project[C]//Power Engineering Society Conference and Exposition in South Africa.Johannesburg, South Africa：IEEE,2007:1-4.

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[7] 曹均正,汤广福,王高勇,等.±1100kV特高压直流输电换流阀研制及型式试验[J].南方电网技术,2012,6(6)：67-71.