±1100kV直流穿墙套管内屏蔽结构设计论文_柴影辉,占小猛,谢世超,张楠楠,董祥渊

摘要：直流穿墙套管内屏蔽结构设计是最核心的问题，很大程度上决定了套管的总体结构。内屏蔽能否满足设计要求,对穿墙套管的安全运行十分重要。设计了±1100kV直流穿墙套管双层屏蔽结构和三层屏蔽结构，采用有限元软件进行了仿真分析，三层屏蔽结构比较复杂，屏蔽间用四组支撑绝缘子，双层屏蔽结构对比三层屏蔽结构相对简单、稳定，电场控制方面可以满足要求，同时考虑零部件加工和装配的工艺性，确定了双层屏蔽的套管结构。对于双层屏蔽结构的±1100kV直流穿墙套管样机，进行了绝缘试验验证，所有绝缘试验一次性通过，验证了双层屏蔽设计的合理性。

关键词：直流穿墙套管 内屏蔽结构 有限元分析

0 序言

特高压直流输电具有输电容量大、输送效率高等特点，是未来建设坚强智能电网骨干网架的重要组成部分，是新能源等电力大规模远距离输送的最佳技术解决方案，是推动低碳型战略性新兴产业发展的重要力量。直流穿墙套管连接着阀厅内部和外部高电压大容量电气设备，在特高压直流输电系统中至关重要，我国特高压建设对±1100kV直流穿墙套管需求迫切，开展该产品的研制势在必行。

特高压直流SF6气体绝缘穿墙套管具有通流能力强、结构简单、重量相对较轻的优点，但因其电压等级高、电场强度较为集中，绝缘结构设计比较复杂，合理的内屏蔽结构可以有效均匀套管内外部电场分布，对穿墙套管的安全运行十分重要。根据研究表明：基于直流放电特性，直流套管在长度、爬电距离、绝缘要求等方面与交流套管有所不同。直流套管在线路上的运行时对地电压即为额定电压，而交流套管实际运行对地电压为相电压，因此在设计直流套管时的绝缘要求更高，交流电场的分布按电容进行分布，而直流电场的分布按电阻率进行分布，设计直流套管内绝缘屏蔽结构与交流套管有所不同。设计了±1100kV穿墙套管双层内屏蔽结构和三层内屏蔽结构，采用有限元软件进行了仿真分析，通过充分对比仿真分析结果，选择出最优的直流穿墙套管内屏蔽结构。

1 内屏蔽结构优化设计

1.1建立模型

基于有限元分析软件ANSYS建立二维有限模型，由于直流穿墙套管结构的对称性，为减少网格数量，建立1/4模型进行计算，仿真计算使用的材料参数见表1。

表1 电介质物理参数

1.2双层屏蔽结构设计与仿真分析

双层屏蔽结构已广泛应用于特高压交流套管中，对于均匀套管内部电场，降低外绝缘硅橡胶伞裙的电场具有很好的效果，进行双层屏蔽结构设计，并开展仿真分析。双层屏蔽结构模型见图1。

图1双层屏蔽结构模型

分别在雷电冲击2300kV和直流耐压1683kV条件下，对双层屏蔽结构的穿墙套管进行仿真分析，各关键部位场强值见表2，最大场强位于中心导体处，为14355V/mm。各关键部位场强值能够满足控制要求。

表2 双层屏蔽套管关键部位场强值（V/mm）

1.3三层屏蔽结构设计与仿真分析

为了更好的均匀套管内部电场，拟采用三层金属屏蔽，各层中间用4组环氧绝缘棒进行支撑，可以降低绝缘棒的分压比，从而降低绝缘棒的电场强度，提高电场稳定性，三层屏蔽结构模型见图2。

图2 三层屏蔽结构模型

在雷电冲击2300kV条件下，对三层屏蔽结构的穿墙套管进行仿真分析，最大场强位于中心导体处，为14717V/mm，套管各关键部位场强值见表3。

表3三层屏蔽套管关键部位场强值(V/mm)

在直流耐压1683kV条件下，对三层屏蔽结构的穿墙套管进行仿真分析，各关键部位场强值见表4，最大场强位于中心导体处，为12083V/mm。

表4 三层屏蔽套管关键部位场强值(V/mm)

1.4 对比分析

通过对±1100kV直流穿墙套管双层屏蔽和三层屏蔽电场结果进行分析，双层屏蔽结构最大场强位于导电杆上为14355 V/mm，三层屏蔽最大场强位于导电杆上为14717 V/mm，最大场强基本相当，双种屏蔽结构都满足使用要求，考虑到双层屏蔽制造成本相对较低，且结构相对简单易于装配，因此±1100kV直流穿墙套管最终选用了双层屏蔽结构。

2 试验验证

为了进一步验证穿墙套管双层屏蔽结构的合理性，样机制造完成后，开展了的绝缘试验，试验方法按照GBT 22674-2008《直流系统用套管》的相关要求，所有绝缘试验一次性全部通过。

3 结论

（1）设计了两种不同的±1100kV直流穿墙套管内屏蔽结构，并采用有限元软件进行了仿真分析，得出了两种方案关键部位的电场分布情况。

（2）通过对比仿真分析结果，双层屏蔽和三层屏蔽结构电场强度基本相当。同时考虑制造成本和装配的工艺性，确定了采用双层屏蔽的套管结构。

（3）所设计的双层屏蔽结构，满足相关标准的绝缘设计要求,经型式试验验证,产品各项性能指标满足技术规范要求,绝缘试验合格并具有较大的裕度。

参考文献：

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论文作者:柴影辉,占小猛,谢世超,张楠楠,董祥渊

论文发表刊物:《电力设备》2020年第1期

论文发表时间:2020/4/22

标签：套管论文;  屏蔽论文;  穿墙论文;  结构论文;  电场论文;  场强论文;  关键论文;  《电力设备》2020年第1期论文;