摘要：换流变压器阀侧套管的运行电压由交流分量叠加直流分量组成，因此其绝缘设计要考虑交流与直流电压的叠加作用。直流套管的电场计算需考虑长期运行电压（交流分量+直流分量）、直流耐受电压（2h）、极性反转耐受电压、工频耐受电压（1min）、雷电冲击耐受电压和操作冲击耐受电压。本次应用电场仿真软件Infolitica对±250kV换流变压器阀侧套管及直流出线装置模型的直流电场进行了模拟计算，并根据计算结果对绝缘设计进行了合理的优化。
交流电压下套管的电场分布取决于其内、外绝缘结构和介质的相对介电常数。当套管的结构一定时，电场按介质的相对介电常数分布。直流电压下的电场分布与交流不同，其取决于套管的内、外绝缘结构和介质的电阻率。当套管的结构一定时，电场按介质的电阻率分布。由于施加交流电压时，套管中各种介质的相对介电常数只差1～2倍，而施加直流电压时，套管中各种介质的电阻率相差10～100倍。因此，当绝缘结构设计不合理时，其电场畸变相对交流更加严重。
1模型建立
由于套管的绝缘结构为轴向对称结构，因此在做电场仿真计算时，以套管剖视图为基础，对高压侧部件、接地侧部件进行连接处理，同时对套管芯体中的电极严格按照实际的生产尺寸进行设置，厚度精度达到0.01mm。本次，电场仿真计算采用的原件为Infolitica，其对于轴向对称结构的电场仿真中具有计算快速，边界条件处理分辨率高等优点。
仿真时，对套管中心导体、头尾接线端子、均压球等部件施加各个工况的电压，对套管安装法兰、末屏进行接地，套管芯体内的电极处于悬浮状态，进行电场仿真计算。
2运行电压直流分量125kV电场仿真
在套管运行电压的直流分量125kV下，套管电容芯子及尾部出线装置中最大场强为1.7kV/mm，设计裕度6.5倍，见图1。
图1 直流分量125kV套管油中部分电场分布和电容芯子径向电场分布
由图1可以看出，套管内绝缘芯体中沿直径方向，由内向外的电场强度先开始下降，而后上升。这是由于套管芯体的电极布置是基于交流电场进行设计，采用等电容和等裕度结合的方法，电极间的绝缘厚度不相等造成的。
3.直流耐压试验电压 490kV（2h）电场仿真
套管在直流耐压试验电压490kV下，芯体中最大场强5.5kV/mm，设计许用场强25kV/mm，设计裕度4.5倍，见图2。
图2 直流耐受电压490kV下套管油中部分电场分布
经过对±250kV干式直流套管、均压球及尾部出线装置在交直流电压下的电场分布进行仿真计算，套管芯体及出现装置中最大场强及裕度如下（见表1）。
表1 ±250kV干式直流套管电场仿真结果
4.流耐在极性反转电压下电场仿真计算
在极性反转电压过程中，由于在介质的界面会出现空间电荷，大量的空间电荷造成局部电位上升，形成附加电场叠，在套管绝缘中引起电场的畸变。根据直流套管标准规定，极性反转试验的加压顺序为：沿负极90分钟，沿正极90分钟，沿负极45分钟，降低电压至零。
由于计算机硬件的限制，本次计算只进行了一个由负极性到正极性的反转模拟计算。
极性反转电压310kV，反转时间60s。具体仿真结果见图3至5。
图3 反转0s的电位分布（尾部447kV空气端正负电荷均有）
图4 反转1320s的电位分布（尾部364kV空气端正电荷）
图5 反转3000s的电位分布（尾部315kV上部下部空间电荷基本消失）
经过对±250kV干式直流套管、均压球及尾部出线装置在极性反转电压下的电场分布进行仿真计算，总结规律如下（见表2）：
表2 ±250kV干式直流套管电场变化
由上表可见，套管内各个绝缘位置中的电场强度在极性反转电压下均有不同程度的滞后效应。其中最大场强出现在油中均压球外部包裹的纸浆处，为20 kV/mm，时间为反转+0秒时。
5.结论
本文对确定结构的直流套管利用Infolitica软件进行电场仿真计算，分别对套管模型施加运行电压直流分量、直流长时耐受电压和极性反转耐受电压，得出在各个电压情况下的绝缘中关键位置的最高场强，并结合由国内外的经验数据得到的需用场强，计算出套管在各电压的设计裕度，同时对套管在极性反转耐受电压下各关键绝缘位置的场强变化进行了暂态分析，结果表明套管的绝缘结构设计合理。
论文作者:王慧民,洪波
论文发表刊物:《电力设备》2019年第6期
论文发表时间:2019/7/9
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