高压直流换流阀用绝缘子表面电场计算及均压环设计
高压开关用绝缘套管均压环结构设计
高压开关用绝缘套管均压环结构设计摘要：由于一些电站的特殊布置，制造厂的出厂试验工装无法及时满足型式试验和出厂试验对126kV和145kV电压等级气体绝缘金属封闭开关设备（以下简称GIS）的局部放电测量要求。
在以往的GIS套管用均压环结构中，多使用固定螺栓插接，如果是临时使用，则使用软线将均压环捆绑在套管端子板上，这样除了不够便捷外，可能出现电场结构特别不均匀的情况。
为此，设计可通用在瓷套管与复合套管需要屏蔽场景的均压环，极大提升试验效率，同时在结构设计中考虑安装便捷、稳定，使用后也能够方便取下。
关键词：高压开关；绝缘套管；均压环结构；引言ＧＩＳ设备由断路器、隔离开关、接地开关、互感器、避雷器、母线、电缆终端、进出线套管等元件组成，具有运行可靠、占地面积小、检修维护工作量小、安装方便、受周围环境影响小等优点，被广泛应用于各电压等级的变电站中。
ＧＩＳ设备内部充满ＳＦ６气体用于绝缘和灭弧。
通常情况下，电气设备的使用年限在２０年以上。
设备一旦投入运行，就很难对其进行安装位置变更和地基改动，然而在实际运行过程中，由于各种原因引起的地基变化，如地基隆起和地基沉降等，对设备的安全运行产生极大危害，轻则引起设备发生倾斜，重则引起设备破裂或被破坏。
1电气高压开关设备在电力系统中，泛指额定电压3.6kV及以上开关设备统称为高压开关设备，其在系统运行过程中起着通断、控制和保护系统的作用。
高压开关设备不仅可在电网运行过程中按实际需要对部分线路及设备进行投入或退出控制，同时，还可在线路及设备发生故障时将该故障区段迅速从电网中切除，以确保其他无故障区段能够正常运行。
在整个电网中，高压开关设备占据着举足轻重的地位，作为最重要的输配电设备，其运行的安全性和可靠性直接影响着整个电力系统的运行。
高压断路器作为心脏元件，虽然种类繁多，但目前主要采用SF6或真空作为主要灭弧绝缘介质。
SF6是一种较常用的绝缘介质，由于其电弧溶解性强、介质电阻大、物理形态稳定等优点，得到了广泛的应用。
±800kV特高压直流合成绝缘子均压环的研究
±800kV特高压直流合成绝缘子均压环的研究目的和意义我国电网正处于快速、健康、持续发展的新时期。
以三峡电网为中心电网互联形成全国统一大电网的局面将很快形成。
随着电力工业的飞速发展电力输电线路对重量轻、机械强度高、耐污秽、少维护的复合绝缘子的需求在急剧增加。
由于电场的集中材料缺陷或不同材料间的交界面处会产生内部的局部放电这会导致绝缘子材料出现过早老化从而引起绝缘性能的下降。
而复合绝缘子接地端由于电场分布不均匀仅承担很低的工作电压而造成复合绝缘子接地端部分长度的浪费。
随着电压等级的升高长串型绝缘子的电场不均匀问题会更加突出。
因此合成绝缘子上需要装设均压环。
它的作用主要是降低合成绝缘子上某些部位或者两端金具表面过高的电位梯度对绝缘子表面电场的屏蔽引开工频电弧减少端部局部放电电弧以减少表面腐蚀和污闪的可能。
对超高压合成绝缘子均压环的优化布置能够明显的改善电极形状使沿绝缘子轴向的电场分布和最大场强得到较大的改善。
目前在电场数值分析计算中常用的方法有基于微分方程模型的有限差分法、有限元法、蒙特卡洛法基于积分方程模型的模拟电荷法、矩量法和边界元法和基于直接积分运算关系的数值积分法等。
超高压合成绝缘子均压环的布置还没有统一的标准一般都是设计单位根据实际运行经验来配置合成绝缘子均压环。
在均压环的优化中应综合考虑均压环的结构尺寸安装高度h环径r离绝缘子的距离R、高压导线和杆塔的影响以保证均压环对电场分布具有最优化的控制作用。
在复合绝缘子中间加装一个或多个均压环虽然可以改善电场的分布但因加装多个中间均压环会减少一部分绝缘距离同时增加设备造价因此在实际运用时还需综合考虑安装中间均压环的数量并进行进一步的试验验证。
由于复合绝缘子均压环有各种不同作用, 根据不同的需要, 复合绝缘子均压环的最佳设置也不同对不同的线路情况都需进行优化配置。
2.课题任务、重点研究内容、实现途径及进度计划课题的任务利用FEMLAB有限元计算软件建立±800kV直流特高压合成绝缘子的计算模型对±800kV直流特高压合成绝缘子沿面电位和电场分布进行计算并对均压环结构进行优化培养学生从事科研和工程设计的能力。
特高压直流换流站阀厅金具表面电场计算及结构优化
特高压直流换流站阀厅金具表面电场计算及结构优化
随着我国大力推进特高压直流输电工程建设,换流站阀厅作为交流系统和直流系统转换的核心部位,对整个直流输电系统的安全稳定运行有着至关重要的作用,其内部电磁场分布极其复杂,易出现设备尖端的电场畸变和电晕放电。
因此,研究阀厅金具表面电场分布对换流站建设和阀厅设计具有重要的工程意义。
本文以±800kV特高压换流站阀厅金具为主要对象进行了如下研究:依据高端阀厅电气设备的连接情况,搭建了阀厅3D实体模型,并进行了剖分处理;通过±800kV特高压直流换流系统仿真模型获得了一个工频周期内高端阀厅内部金具的瞬态电位,将其作为加载条件;采用伽辽金边界元法计算了±800kV特高压换流站高端阀厅金具表面电场,该方法只需对金具表面进行合理的剖分处理,避免了三维模型的复杂剖分处理,剖分节点少且计算精度高。
计算结果表明,在该设计方案下,阀厅金具表面场强最大位置出现在低压端B相连接管母处,最大值为14.7kV/cm,低于起晕场强限值。
仿真结果为阀厅及金具设计提供了参考依据;通过±800kV特高压直流输电系统分层接入方式下的仿真模型,获得了受端低端阀厅典型金具的电位分布;校核计算了传统±800kV低端阀厅金具在分层接入电压激励下的表面电场分布;结合电场仿真结果,对低端阀厅内电场分布恶劣的典型金具进行了结构优化,并提出了一种适用于分层接入方式的±800kV阀厅金具设计方案,从而将阀厅金具表面电场强度控制在一个合理的水平。
该计算结果为采用分层接入方式的特高压直流工程设计和建设提供了数据支撑。
高压直流换流阀用绝缘子表面电场计算及均压环设计
2014年2月Power System Technology Feb. 2014 文章编号：1000-3673（2014）02-0289-08 中图分类号：TM 85 文献标志码：A 学科代码：470·4034高压直流换流阀用绝缘子表面电场计算及均压环设计王星星1，罗潇1，齐磊1，李超1，崔翔2，甄永赞1，刘士利3，王高勇3，王泽忠1（1．高电压与电磁兼容北京市重点实验室(华北电力大学)，北京市昌平区102206；2．新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学)，北京市昌平区102206；3．国网智能电网研究院，北京市昌平区102200）Calculation of Electric Field Distribution Along Composite Insulator andDesign of Grading Ring of HVDC Converter ValveWANG Xingxing1, LUO Xiao1, QI Lei1, LI Chao1, CUI Xiang2,ZHEN Yongzan1, LIU Shili3, WANG Gaoyong3, WANG Zezhong1(1. Beijing Key Laboratory of High V oltage & EMC (North China Electric Power University), Changping District, Beijing 102206,China; 2. State Key Laboratory for Alternate Electrical Power System With Renewable Energy Sources(North China Electric Power University), Changping District, Beijing 102206, China;3. Smart Grid Research Institute of State-Grid, Changping District, Beijing 102200, China)ABSTRACT:Converter valve is the core equipment of HVDC converter station, therefore calculation of the electric field surrounding conductors in high potential area and the surface of insulators is the key to optimal insulation design of converter valve under a small margin of safety. Many of the typical structures in the converter valve such as insulators, thyristors, etc., can be reduced to 2D model, and calculation in the 2D electric field is fast and accurate. In this paper, the 2D and 3D electric field example was calculated separately, it was found that the constrained boundary electric field equation is more accurate than the ANSYS in the 2D field. Then, the surface electric field of a converter valve’insulator was calculated with the constrained boundary electric field equation in axisymmetric 2D field, and the equalizing ring was designed as well. The electric field of insulator fitting’s surface reduced from 7.55 kV/mm to 2.87 kV/mm, and the electric field along insulator reduced from 1.93 kV/mm to 0.9 kV/mm. Finally, the checksum calculation of the equalizing ring size was carried out in the complex 3D model, and results show that the method proposed in this paper is reliable and practical for the electric field calculation of DC convertor valve’s insulator surface and optimal design of the equalizing ring.基金项目：国家自然科学基金项目(51277065)；国家863高技术基金项目(2012AA052701)。
电力机车高压隔离开关及绝缘子的均压环设计
电力机车高压隔离开关及绝缘子的均压环设计武誉中国铁路呼和浩特局集团有限公司内蒙古呼和浩特市 010010摘要：电力机车车顶高压隔离开关及其支撑绝缘子是重要的户外高压电器，对其电场分布进行分析优化，有利于提高电力机车安全运行。
基于此，本文分析了电力机车高压隔离开关及绝缘子的均压环设计。
关键词：电力机车；高压隔离开关；绝缘子；均压环电力机车车顶高压隔离开关及其支撑绝缘子是其高压系统的重要部分。
车顶高压隔离开关是无负荷动作的主开关设备，用于隔离相关设备或回路。
支撑绝缘子能支撑受电弓及汇流母线，并隔离高、低压端。
此外，均压环能有效改善绝缘子电位分布，降低高电场区域场强，防止电晕及电击穿事故，在电力系统中得到了广泛应用。
一、电力机车优点电力机车又称电力火车，是指从供电网(接触网)或供电轨中获取电能，再通过电动机驱动车辆行驶的火车。
电力机车运行所需电能由电气化铁路的供电系统提供，而自身携带发电能源和装置的电传动内燃机车及燃气机车等则不属于电力机车范畴。
1、具有功率大、速度快、过载能力强、自身负重低、牵引力和加速度大、整备作业时间短、维修量少、能源利用率高、运营费用低、便于实现多机牵引、能采用再生制动及清洁环保等优点。
使用电力机车牵引车列能提高列车运行速度和承载重量，从而大幅提高铁路运输、通过能力。
2、清洁环保，运行时不像蒸气机车或柴油机车那样产生废气。
供电气化铁路使用的发电厂在采用化石燃料时，均会控制废气排放，另外，也可使用低污染风力或水力发电，还能提高热效率。
在噪音方面，电力机车在运行时亦比柴油机车安静得多。
因此，电力机车适用于在城市轨道交通线上运营。
3、在性能上，电力机车无需像蒸汽机车或柴油机车那般自携很重的引擎及燃料，能减轻自重，因此在加减速和最高速方面均比蒸汽机车及柴油机车优胜，可进一步缩减行车时间，是高速列车、动车组等的第一选择。
二、隔离开关和绝缘子的电场仿真1、隔离开关和绝缘子的有限元模型。
考虑到高压隔离开关的不对称性，建立三维有限元仿真模型。
换流变压器阀侧交流外施耐压及局部放电现场典型试验参数、均压环与加压引线的典型参数、试验记录基本要求
（资料性）
典型试验参数
A.1 换流变压器交流阀外施出厂试验电压
不同直流输电工程中，相同电压等级换流变压器的交流阀侧外施耐压试验电压值有所差异，表A.1给出了各电压等级换流变压器阀侧交流外施耐压及局放试验的典型出厂试验电压。
A.2 试验区域空间安全距离
表A.2 不同电压等级换流变压器阀侧交流外施耐压及局放试验的推荐空间安全距离
（1000m以上海拔换算）
（资料性）
均压环与加压引线的典型参数
B.1 试验用均压环
谐振电抗器和分压器的均压环结构和推荐尺寸如图B.1和表B.1所示，其中谐振电抗器的均压环应有开口。
图B.1谐振电抗器和分压器试验用均压环示意图
表B.1 谐振电抗器和分压器试验用均压环推荐尺寸
套管均压环通常采用换流变压器运行用的均压环，典型的±1100kV换流变压器阀侧套管运行均压环如表B.2所示。
表B.2 ±1100kV换流变压器阀侧套管运行均压环典型尺寸
B.2加压引线
加压引线推荐的线径尺寸如表B.3所示。
表B.3 试验用加压引线推荐线径
附录C
（资料性）
试验报告模板
表C.1试验报告模板。
特高压交流输电线路倒V型绝缘子串电场分布计算和均压环参数优化设计
了安全 运行 ’ 。但 由 于特 高压 输 电工 程 电 压等 级
高、 输 电走廊 占地 面积 大 ， 使 得线路 输 电走 廊 清理等 费用较 高 ； 同时 ， 特 高 压 交 流输 电线 路距 离 长 ， 线 路 经过 的地 区地理气 候 条 件 复 杂 ， 不 同地 区的 海拔 高 度、 污 秽程 度 、 雨雾 和冰 雪 情况 差 异 较 大 ， 线 路 防污 闪和 防覆 冰是其安 全稳 定运 行亟需 解决 的 问题 。为
相对 较高 ， 场强较 大 ， 特别是 导线 端 ， 电场畸 变严重 ，
学与 中 国 电力 科 学 研 究 院 合 作 ， 开 展了 １ ０ ０ ０ ｋ Ｖ特 高压交 流 复合绝 缘子 耐张 串均压 特性 的研 究 ¨ 。
易发 生局 部放 电 、 闪络， 造成 复合 绝缘 子伞裙 和芯 棒
此， 国 内学 者通过 对绝 缘子 串型优 化研 究 ， 提 出 了一
种倒 Ｖ型复 合绝 缘 子 串结 构
用 。
， 其 具 有 较 好 的 防
污 和防 冰 特 性 ， 在 ５ ０ ０ ｋ Ｖ 线 路 改 造 中 已经 得 到 使
在高 压输 电线 路 中 ， 复合 绝 缘 子两 端 承 受 电压
第３ ５卷 第 １ ０期 ２ ０ １ ６年 １ ０月
电 工 电 能 新 技 术
Ａｄ ｖ ａ ｎ ｃ ｅ ｄ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ｏ ｆ Ｅｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ Ｅｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ ａ ｎｄ Ｅｎ ｅ ｒ ｇ ｙ
司马 文霞等 在有 限元法 基础 上采用 神经 网络预
电力机车高压隔离开关及绝缘子的均压环设计
20电力机车高压隔离开关及绝缘子的均压环设计李鸣霄，邱浩(西安交通大学 电气工程学院，陕西 西安 710049)摘 要：电力机车车顶高压隔离开关及其支撑绝缘子是重要的户外高压电器，分析并优化其电场分布，有利于提高电力机车的安全运行。
将均压环运用到电力机车高压系统中，建立三维有限元模型，计算了配置均压环前后隔离开关及绝缘子表面的电位与电场分布，分析了均压环的安装高度、环径和管径对电场优化的影响，并给出了明确的建议设计参数，为均压环在电力机车高压系统中的应用提供参考。
关键词：电力机车；高压隔离开关；绝缘子；开口均压环；电场优化中图分类号：TM216；U266 文献标识码：A 文章编号：1007-3175(2017)08-0020-04Abstract: The high voltage isolator and its supporting insulators are important components of high voltage system in the electric locomo-tive roof. This paper analyzed and optimized their electric field distribution, in favor of safe operation of electric locomotive. The grading ring was used in electric locomotive high-voltage system to establish three-dimension finite element model. This paper calculated the high voltage isolator before and after the grading rings configuration, insulator surface potential and electric field distribution, analyzed the im -pacts of mounting height, loop diameter and pipe diameter on the electric field optimization and gave the specific suggestion design param -eters, which provides references for the application in electric locomotive high-voltage system.Key words: electric locomotive; high voltage isolator; insulator; snap grading ring; electric field optimizationLI Ming-xiao, QIU Hao（School of Electrical Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 7 00 9, China ）Grading Ring Design of High Voltage Isolator andInsulator on Electric Locomotive作者简介：李鸣霄(1993- )，女，硕士研究生，研究方向为电力设备电磁场仿真与绝缘设计；邱浩(1986- )，男，博士研究生，研究方向为电机故障诊断和在线监测与电磁场数值计算。
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2014年2月Power System Technology Feb. 2014 文章编号：1000-3673（2014）02-0289-08 中图分类号：TM 85 文献标志码：A 学科代码：470·4034高压直流换流阀用绝缘子表面电场计算及均压环设计王星星1，罗潇1，齐磊1，李超1，崔翔2，甄永赞1，刘士利3，王高勇3，王泽忠1（1．高电压与电磁兼容北京市重点实验室(华北电力大学)，北京市昌平区102206；2．新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学)，北京市昌平区102206；3．国网智能电网研究院，北京市昌平区102200）Calculation of Electric Field Distribution Along Composite Insulator andDesign of Grading Ring of HVDC Converter ValveWANG Xingxing1, LUO Xiao1, QI Lei1, LI Chao1, CUI Xiang2,ZHEN Yongzan1, LIU Shili3, WANG Gaoyong3, WANG Zezhong1(1. Beijing Key Laboratory of High V oltage & EMC (North China Electric Power University), Changping District, Beijing 102206,China; 2. State Key Laboratory for Alternate Electrical Power System With Renewable Energy Sources(North China Electric Power University), Changping District, Beijing 102206, China;3. Smart Grid Research Institute of State-Grid, Changping District, Beijing 102200, China)ABSTRACT:Converter valve is the core equipment of HVDC converter station, therefore calculation of the electric field surrounding conductors in high potential area and the surface of insulators is the key to optimal insulation design of converter valve under a small margin of safety. Many of the typical structures in the converter valve such as insulators, thyristors, etc., can be reduced to 2D model, and calculation in the 2D electric field is fast and accurate. In this paper, the 2D and 3D electric field example was calculated separately, it was found that the constrained boundary electric field equation is more accurate than the ANSYS in the 2D field. Then, the surface electric field of a converter valve’insulator was calculated with the constrained boundary electric field equation in axisymmetric 2D field, and the equalizing ring was designed as well. The electric field of insulator fitting’s surface reduced from 7.55 kV/mm to 2.87 kV/mm, and the electric field along insulator reduced from 1.93 kV/mm to 0.9 kV/mm. Finally, the checksum calculation of the equalizing ring size was carried out in the complex 3D model, and results show that the method proposed in this paper is reliable and practical for the electric field calculation of DC convertor valve’s insulator surface and optimal design of the equalizing ring.基金项目：国家自然科学基金项目(51277065)；国家863高技术基金项目(2012AA052701)。
Project Supported by the National Natural Science Foundation of China(51277065)；The National High Technology Research and Development of China (863 Programme) (2012AA052701). KEY WORDS: HVDC converter valve; insulator; calculation of electric field; design of grading ring; constrained boundary electric field equation摘要：换流阀是高压直流换流站的核心装备，高电位区导体及绝缘子表面电场计算是实现小安全裕度下换流阀绝缘优化设计的关键。
将换流阀内典型结构，如绝缘子、晶闸管等，简化为二维模型，在二维场中直接进行电场计算，可实现电场的准确快速计算。
通过对二维、三维算例进行电场计算，证实了边界电场约束方程计算电场的精度在二维场中高于ANSYS的计算精度。
因此在二维轴对称场中应用该方法对某换流阀绝缘子进行了表面电场计算及均压环设计，使绝缘子金具表面电场由7.55 kV/mm降为2.87 kV/mm，绝缘子表面电场由1.93 kV/mm降为0.9 kV/mm。
最后，应用ANSYS 软件在三维复杂模型中对均压环尺寸进行校验计算。
文中工作为直流换流阀用绝缘子表面电场计算及均压环优化设计提供了一种可靠、实用的计算方法。
关键词：直流换流阀；绝缘子；电场计算；均压环设计；边界电场约束方程法DOI：10.13335/j.1000-3673.pst.2014.02.0030 引言近年来，从±800 kV向上及锦屏—苏南特高压直流输电工程相继投运，到准东—重庆的±1 100 kV 特高压直流输电工程即将开工建设，随着电压等级的不断提升，换流阀厅尺寸不断增大，阀厅内部结构也日趋复杂。
在传统特高压直流输电发展的同时，基于电压源换流器的柔性直流输电技术也在不断发展。
从我国首例柔性直流工程上海南汇风电场柔性直流输电示范工程的投运，到大连跨海柔性直流输电工程的规划建设，电压等级由±30 kV 提升到±320 kV 的同时，换流阀结构也发生了很大改变。
因此，对换流站阀厅内部各场量进行计算，尤其是高电位区导体及绝缘子表面电场计算是实现小安全裕度下换流阀绝缘优化设计的关键[1]。
目前，关于交、直流线路绝缘子表面电场计算及均压环设计的文献较多，而针对换流阀用绝缘子的相关研究很少，其中有限元法因其计算准确、适用性强等优点，尤其是ANSYS 软件在电场计算方面的不断成熟与发展，大量研究人员更多采用有限元方法对其电场进行计算。
文献[2]应用有限元法计算了1 000 kV 特高压交流线路绝缘子串的三维电场分布，并针对不同的均压环设计尺寸和放置位置进行了对比计算。
文献[3]在文献[2]的基础上，研究了均压环的管径、环径和抬高距对绝缘子电场分布的影响规律。
文献[4-5]分析了±800 kV 特高压直流输电线路单V 型复合绝缘子安装均压环前后的沿面电位和电场强度分布情况，并在三维场中分析了均压环尺寸变化时对电场分布的影响。
文献[6]在文献[4]的基础上，为减小计算量降低计算难度，对复合绝缘子及均压环三维模型进行合理简化，在二维轴对称场中应用ANSYS 软件计算了均压环各尺寸对绝缘子伞群及均压环表面电场分布的影响规律。
本文在高压直流换流阀用绝缘子表面电场分布计算及均压环设计时，在文献[7]简化模型的基础上，为提高边界电场的计算精度，在二维轴对称场中采用边界电场约束方程法[8]对均压环尺寸进行优化，得到满足绝缘要求的均压环尺寸后，在考虑实际工程中周围结构的三维模型中，对其进行了校验计算。
1 边界电场约束方程法1.1 边界电场约束方程静电场边值问题通常可用泊松方程表示，相应的等价能量泛函[7]：21()[]d 2d d n ΓΓV S SW j e j j rj ej ejy =Ñ×Ñ-+-òòòI E (1)设场域剖分为m 个单元、n 个节点，其中，第一类边界及第二类边界上单元数分别为为m 1、m 2个，场域内未知电位节点n 1个，已知电位节点(n -n 1)个。
采用插值方法构造电位j 的近似解：1nj j j N jj ==å% (2) 式中N j 为第j 个节点的形状函数。
将式(2)代入式(1)，并令偏导数()/0i I jj ¶¶=%(i =1, 2,…, n )，得 112211111{d } d d d ee een me e i j j j e m me eii n e e m ei e ΓN N V N V N S N S =====Ñ×Ñ=-+ååòååòòåòE W W G e j r e e y (3)若空间自由体电荷密度r =0，式(3)可简写为 1112221221æöæöæö==ç÷ç÷ç÷èøèøèøSS F S ΦS S F U j (4) 式中：S 为整体系数矩阵；U 为第一类边界上已知节点电位列向量；j 为未知节点的电位列向量；F 1对应式(3)中右端第2项，为未知右端列向量，其中包含待求的第一类边界上的电场强度的法向分量；F 2对应式(3)中右端第3项，为已知右端列向量。