换流阀的通断对阀塔避雷器均压环表面电场的影响（电力）
董志勇1，杜志叶1，阮江军1，金硕1，周胜1，胡蓉2，孙帮新2
(1．武汉大学电气工程学院，湖北武汉 430072;2．南方电网超高压公司，广东广州 510620)
摘要：为分析换流阀的通断对阀塔避雷器均压环的影响，采用静电场有限元数值方法．在阀厅整体模型中，对阀塔避雷器均压环表面的电场分布情况进行分析。首先基于12脉动整流电路的原理，分析了换流阀各阀组件在计算时的加载方式，然后结合仿真得到阀厅设备在额定功率和轻载运行时的电位波形。采用静电场瞬时加载法求解，得到各种运行工况下阀塔避雷器均压环场强分布云图和最大值分布规律。通过分析阀塔避雷器均压表面的最大场强与换流阀的导通截止状态发现，在当前设计方案及配置条件下，截止状态下的阀塔避雷器均压环最大场强较导通状态下偏高。这表明换流阀在截止时对周围均压环电场产生的影响较开通时
影响更大，这为后续阀厅金具设计优化提供更切合实际、更为准确的计算思路，具有重要的指导意义。
关键词：换流阀；均压环：避雷器；阀厅：开通和截止：最大场强
中图分类号：TM835 DOI：10.1 1930/j.isstn.1004-9649.2016.04.032.06
0引言
由于直流输电的电压等级逐渐提高，换流阀的结构也变得越来越复杂。而换流阀运行状况会影响整个直流输电系统甚至交流系统的安全和稳定，严格控制换流阀附近的各处场强，确保其附近无电晕产生，是保证换流阀以及阀厅正常运行的重要条件。因此，对换流站阀厅内部各场量的计算，尤其是换流站阀在开通和关断的不同状态下其周围的电场分布，特别是对附近的均压环表面电场影响的研究是十分必要的。
目前，国内对换流站阀厅内的电场已经进行了一定的研究。主要研究高压直流换流
阀以及其绝缘子表而电场计算和均压环设计。分别对超高压阀厅全模型进行了分析．主要关注的是阀厅内均压环和均压球等金具．重点研究的是阀厅内均压环和均压球等金具表面的
电场，但没有提及在换流阀开通和关断状态下．阀塔避雷器均压环表面的电场计算和分析。
本文侧重于+500 kV电压等级下阀厅运行的工程实际，采用瞬时电压加载法，选取其中比较典型的18组数据进行加载求解，并得到了相应时序下的阀塔避霄器均压环表面电场强度的最大值．分析了与之相关的换流阀是处在导通状态还是截止状态，总结出换流阀工作在导通和截止状态时阀塔避雷器均压环表面的最大场强值，从而为绝缘优化以及改善金具表面电晕提供可靠依据。本文主要考虑阀厅正常运行情况，对于换流站加压启动过程以及故障等非正常运行情况不予考虑。
1 换流阀通断的工作原理
由于高压直流输电采用的整流器为2个6脉冲整流器（义称为单桥整流电路）构成的12脉冲整流器（又称为双桥整流器），目前国内外换流站主要采用12脉冲整流电路（又称为双桥整流电路）．其可分解为2个交流侧相位差为300的6脉冲整流回路（单桥整流）串联而成。在每个6脉冲整流器中，当换流阀承受正向电压，即阀的阳极电位高于阴极电位并且控制极得到触发脉冲信号，则换流阀导通；当换流阀在导通状态下直到流通电流降为0时才会关断。本文主要是针对正常情况下的运行方式，即工况4~5运行方式作为研究对象。
下面以昭通+500 kV直流换流站极1阀厅模型为研究对象，通过对整体模型的求解．重点研究换流阀通断对阀塔避雷器均压环表面电场分布的影响。图1为在PSCAD所建模型的主体部分。
仿真时，将换流站各设备以及整个输电系统的电气参数作为输入量，在功率控制的运行方式下，在满足交流侧和直流侧输入输出电压与相应系统电压相位一致的前提下．分别对额定功率运行状态和轻载(0.1倍额定功率)运行状态下各主设备的对地电压波形进行仿真。
由于阀厅内部各连接金具对地电压是呈周期变化的，这里通过仿真得到在一个周期内阀厅内部各连接金具对地电压分布图，如图2所示。图中换流变阀侧对地电压波形有突变的情况．主要是因为在换流阀换相时引起了电压冲击。
2昭通换流站加载方法分析
2.1 阀厅内基本电气参数
昭通+500 kV直流换流站极1阀厅的换流变压器电源电压为j相525 kV，由6个单相的变压器组成．3个单相变压器组成Y-Y形，3个组成Y-D形。
2.2 阀厅主设备电位
考虑到阀厅内部实际情况，对于全模型，电位加载方式不同时，阀厅内部金具上的电场分布也不同．因此有必要对典型相序时的电位、电场分布进行仿真分析。根据以往得到的其他阀厅的最大电场值以及其电场分布的经验，再结合本次阀厅的实际情况进行计算。对PSCAD仿真得到的数据进行了等时间问隔的离散提取，选择40。左右的间隔，考虑r不同负载下的情况。其中包含了（Y 侧）YA. YB. YC和1（D倾）DA、DB、DC及直流出线管母等部位所加的电位分别取最高值的时刻，根据以}二选取的电位进行加载和分析，来计算各关注点的电场强度，
2.3 阀组件加载方式分析
根据对换流阀图纸的分析，昭通站每个4重阀的连接方式如图3所示。
其中黑线连接的3个阀组为一个桥臂，红线表示各桥臂之间以及与引出线的连接。包括阀塔避雷器在内的电气连接如图4所示。
从图4可以看出：(1)1L、1R、2L为一个桥臂．与阀塔避雷器F4并联，1L侧接低压中性出线．2L侧接D侧换流变阀侧出线；(2)2R、3L、3R作为一个桥臂，与阀塔避雷器F3并联，2R侧接D侧换流变阀侧出线，3R侧接换流阀Y侧与D侧之间的250 kV连接母线；(3)4L、4R、5L为一个桥臂，与阀塔避雷器F2并联，4L侧接250kV连接母线．SL侧接Y侧换流变阀侧出线；(4)5R、6L、6R为一个桥臂，与阀塔避雷器Fl并联．SR侧接Y侧换流变阀侧出线，6R接500kV高压出线。
基于上述分析，可以确定各阀组在计算时的电位加载方式：(1)1L加载低压中性}H线电位；(2)2L. 2R加载D侧换流变阀侧出线电位；(3)3R、4L加载250 kV连接管母电位；(4)5L、5R加载Y侧换流变阀侧出线电位；(5)6R加载500 kV高压直流出线电位。
下面以额定功率下1800相角时刻为例介绍此时各个阀塔部位电压加载情况及桥臂的工作状态。
此时．YA与YB的电位均与高压m线电位相同．说明A相阀塔的桥臂5R-6L-6R导通，B相阀塔的桥臂5R-6L-6R导通。YC的电位与连接母线的电位相同，说明C相阀塔的桥臂4L-4R-5L
导通。同理，DA的电位与连接母线的电位相同，则A相阀塔的桥臂2R -3L-3R导通。DB的电位介于低压出线的电位与连接母线的电位之间，则DB处于截止状态。DC的电位与低压出线的电位相同，则C相阀塔的桥臂1L-1R-2L导通。此时，双桥整流器处在工况4~5之“5”状态。同理可得出．在轻载功率下356.40相角时刻，双桥整流器处在工况4~5之“4”状态。以此类推，可得出各个相角下的阀臂丁作状态，从而确定各阀组件上加载的电位。
这种电位加载方式，能比较客观地反映晶闸管在开通和关断的不同情况下，阀厅内各处电位的值，进而在仿真中能得到各处场强的值更接近于实际。
3阀厅全模型电场计算
3.1 有限元模型及剖分控制
阀厅由于环境限制，内部各设备的布置相对比较紧密，因此阀塔避雷器均压环表面的电场分布不仅与各换流阀组件的电位有关，还受到阀厅内部其他金具设备的影响。为了得到避雷器均压环表面较为真实的电场分布，针对阀厅整体模型展开有限元电场分析，研究阀塔避雷器均压环以及其他金具设备表面的电场分布情况。根据阀厅实际结构CAD图建立3D全模型，如图5所示。阀塔以及阀塔避雷器均压环的局部模型，如图6和图7所示。模型还有高压套管、套管均压环、阀塔、阀塔避雷器、阀塔避雷器均压环、支柱绝缘子、软导线、525 kV极线穿墙套管、52 kV极线穿墙套管以及相应的连接管母等阀厅内部主要设备实际结构尺寸。
另外，由于阀厅内设备结构复杂，数量众多、种类繁杂、且计算区域大，需要对计算量进行一定的控制。考虑到金具表面轴向场强为零，而金具表面切向场强与金具表面场强方向一致．所以只需要对金具表面法向网格的尺寸进行精细的控制。在剖分过程中，随着控制单元尺寸的减小．剖分单元的数量将大大增加，计算内存消耗会超过硬件容量。根据先前本项目组经验．考虑到本项目阀厅整体设备剖分单元的数量限制，本文根据金具设备的形状和尺寸，将金具设备表面与空气交界面的法向单元控制尺寸设定为10～30mm。
3.2 阀塔避雷器均压环表面电场分布
在导通和关断状态下，分别取阀塔避雷器均压环表面电场分布最大值的一组云图，如图8和图9所示。
不同相角下最大场强值及与之相关的桥臂状态如表1和表2所示。
在导通状态下，阀塔避雷器均压环表面最大场强出现在轻载功率下356.40相角时刻．为9.27kV/cm。在截止状态下，阀塔避雷器均压环表面最大场强出现在额定功率下1800相角时刻。为14.8kV/cm。截止状态下阀塔避雷器均压环表面场强最大值高于导通状态，原因是：在图8和图9所示中，换流阀处在截止状态时，以品闸管的关断为理想状态，忽略其流过的电流，在一个换流阀组件中，串联在中间的阀组件是悬浮电位，与附近的加载高电位的避雷器均压环有较大的电位差，从而产生较大的电场一与加载悬浮电位的阀组件距离最近的均压区域是产生场强最大的地方，如图8所示，侧视图即为场强最大的区域。正视图所示的区域距离相对较远，所以其区域场强相对较小。
在额定功率下．1800相角时刻阀塔避雷器均压环表面场强最大值为14.8 kV/cm，是所考虑的最极端的情况。由于其电场值远低于起晕场强控制值，说明从电晕控制角度来讲，阀塔避雷器均压环均能在阀厅环境中安全稳定运行。如果在极端情况下场强较大，可以通过增大双环的间距、环的半径和管的半径来降低阀塔避雷器均压环表面场强。
4结论
通过上述分析和场强计算，得出如下结论。
(1)采用本文的阀塔电位加载方式，得到的场强计算值更接近于阀厅内场强的实际分布，进而得到的阀塔避雷器均压环表面的场强值也更接近其真实值。
(2)通过汁算，发现阀塔避雷器均压表面最大场强出现在额定功率下1 800相角时刻，为
14.8 kV/cm,与之相关的桥臂处在截止状态。通过对18组的数据分析，可以看m截止状态下的阀塔避雷器均压环最大场强较导通状态下偏高。这说明换流阀在关断时对周同电场产生影响较开通的影响大。可以得出，在品闸管关断的时刻，阀塔避雷器均压环最大场强值更接近于实际运行中阀塔避雷器均压环的最大值。而出现最大值的时刻和位置．即为以后阀厅计算和运行中要重点关注的对象。这为后续阀厅金具设计与优化提供更切合实际、更为准确的计算方法和参考依据。
(3)通过对阀塔避雷器均压环表面电场的校核．得出阀塔避雷器均压环表面场强最大值远低于起晕场强控制值．进而阀塔避雷器均压环均能在阀厅环境巾安全稳定运行。由于本次求解内容的侧重点是换流阀的通断对阀塔避霄器均压环表面电场的影响，冈此没有对换流阀内部进行精细建模求解，、但是，通过此次的求解，可以为以后对换流阀内部电场的研究提供重要的参考。
