电热耦合模型应用于高压干式直流套管径向温度和电场分布计算

高压干式直流套管运行中内部径向电场、温度场分布是表征套管性能的重要参数,关系着套管芯子的长期安全稳定运行。套管中心导杆欧姆发热和绝缘介质焦耳发热是芯子内部存在温度梯度分布的主要原因,且绝缘介质电导率与温度密切相关,而直流条件下电场分布又取决于电导率,因此高压直流套管电场与温度场的计算是一个相互耦合的过程。鉴于此,首先建立套管芯体圆柱模型,并进行半解析理论公式推导,实现了电场和温度场的解耦计算。在此基础上,提出了有限元电热耦合模型和计算流程,并将电热耦合理论模型与有限元模型在实际套管结构下的电场、温度场计算结果进行对比,两者吻合较好,证明了有限元电热耦合模型的有效性。进一步将有限元模型推广到与实际套管芯子结构相同的圆锥模型,计算了某干式直流套管芯子内部电场、温度场分布,并对芯子外轮廓结构进行了优化设计。优化目标为在额定运行条件下,套管最热点温度接近90℃,且套管径向场强最大值约为3.5 kV/mm,分布较均匀。最后对该干式直流套管样机进行了温升和电性能试验,证明了优化设计方案的可行性。提出的电热耦合理论、有限元模型,以及电热解耦计算方法和芯子优化设计流程可以为高压干式直流套管的研制提供参考。

干式直流套管极板边缘电场分布及优化方法

干式直流套管作为换流变、阀厅的重要组成部分,极板边缘的电场最大,局部放电最易从该处起始,进而引发绝缘失效,如何有效优化极板边缘处的电场已经成为提高干式直流套管运行可靠性的关键。为进一步确定干式直流套管极板边缘电场分布规律及优化方法,建立了双层电容屏套管芯体模型,分析了不同电容屏参数下传统经验公式的准确性,并对比了铝箔边缘半折边、敷设半导电绝缘纸、敷设非线性电导材料等方法对极板边缘电场的优化效果。结果表明,传统经验公式对极板边缘的最大电场估计偏小,且偏差基本不随d/Δt变化,约为7.5%。此外,极板边缘半折边方法可以使极板边缘曲率半径增大1倍,最大电场降低27.8%。极板边缘敷设环氧浸纸材料电导率10~100倍的半导电纸可以使极板边缘最大电场降低超过31.4%,且再增大半导电纸电导率,极板边缘最大电场几乎不再下降。极板边缘附着非线性绝缘材料方法是一种有前景的方法,可以使极板边缘最大电场下降达73.2%。

特高压直流干式套管用环氧及环氧/皱纹纸复合材料介电特性研究

为研究引入皱纹纸对环氧材料介电特性的影响,通过介电谱及热刺激去极化电流(thermally stimulated depolarization current,TSDC)测量技术,对特高压直流干式套管用环氧及环氧/皱纹纸材料复介电常数、TSDC特性进行了测量分析。提出了基于相对介电常数一阶导数的改进差分进化优化算法,该方法能有效分析环氧材料内各介电弛豫过程。试验结果表明:皱纹纸的引入使环氧复合材料复介电常数实部、虚部均变大(高温中频区除外),其高温直流电导率也显著增大。与纯环氧相比,环氧/皱纹纸复合材料α(温度低于175℃时)、β、δ过程的弛豫时间均减小;δ过程弛豫强度减小、β过程弛豫强度显著增大;δ过程活化能减小,δ过程活化能增加;环氧/皱纹纸复合材料中陷阱深度较浅、但陷阱密度显著增加。以上结果,可为干式套管绝缘材料配方评估、工艺改进提供方法及理论指导。

±800kV换流变压器阀侧干式套管的损耗分析

换流变压器阀侧用干式直流套管的电、热性能相互影响,因此实际运行中发生的电气绝缘失效与其热性能有直接联系。基于此,有必要对特高压换流变压器干式套管的损耗进行定量分析。换流变压器干式套管的总体损耗主要由载流结构涡流发热和套管芯体介质焦耳发热2部分构成,且实际承受的电流和电压波形均含有大量高次谐波成分。首先通过高压换流变干式套管的具体结构建立了芯子介质和载流结构涡流发热的理论计算模型,然后在实验室条件下获取了干式套管芯子用环氧浸纸复合绝缘的温变、频变非线性特性。进一步,基于频域有限元法,提出了换流变干式套管损耗的数值计算方法。最后,应用上述数值计算结果,分析了换流变压器干式套管在实际运行中发生绝缘失效的可能起因。研究结果可用于换流变套管的热性能计算,对高压干式套管现场运行、维护和事故分析具有一定指导意义。