空间电荷效应下±1 000 kV直流穿墙套管电场计算

张用，刘军，韩德顺，王昭鑫，程艳，孙树敏，张黎，辛征，张丽娜

（1．国网山东省电力公司电力科学研究院，济南250003；2.山东电力调度控制中心，济南250002；3．山东大学，济南250002；4.济南西门子变压器有限公司，济南250024）

空间电荷效应下±1 000 kV直流穿墙套管电场计算

张用1，刘军4，韩德顺2，王昭鑫2，程艳1，孙树敏1，张黎3，辛征3，张丽娜3

（1．国网山东省电力公司电力科学研究院，济南250003；2.山东电力调度控制中心，济南250002；3．山东大学，济南250002；4.济南西门子变压器有限公司，济南250024）

±1 000 kV直流穿墙套管是一个复杂的绝缘系统，在运行过程中空间电荷会导致绝缘介质内部的电场畸变，材料的绝缘极易破坏甚至击穿。利用有限元电场分析软件ElecNet搭建±1 000 kV直流穿墙套管的模型，对强场空间电荷效应下高压套管在直流、交流、极性反转等不同工况条件下的电场分布进行了仿真分析，为套管的设计研制提供参考依据。

特高压；直流穿墙套管；空间电荷效应；极性反转

0　引言

特高压直流穿墙套管作为特高压直流输电系统的重要设备，在电力的经济传送、灵活分配和安全使用中具有关键作用。但高压套管存在局部放电、介质性能、耐热性等难以解决的问题，特高压直流穿墙套管的绝缘优化设计一直是一个难题。空间电荷问题是穿墙套管研究的难点之一，套管在运行过程中将承受多种激励，如直流、交流、极性反转等。在所有工况下，绝缘介质内部的电场分布都会受到空间电荷转移、消失等情况的影响，极易导致材料的绝缘破坏甚至击穿［1］。因此，有必要对特高压直流穿墙套管在强电场环境下的电场分布和空间电荷效应展开深入研究。

利用有限元电场分析软件对±1 000 kV直流穿墙套管的电场分布进行研究。首先，以±1 000 kV特高压直流穿墙套管为研究对象，利用软件ElecNet建立考虑空间电荷分布的特高压穿墙套管结构模型，研究直流稳态、交流稳态和极性反转瞬态过程中空间电荷与电场变化的内在关系，研究特高压直流穿墙套管在不同工况下考虑空间电荷影响的电场分布。这对特高压直流高端设备的研制，以及特高压直流输电技术的发展，都具有重要的应用价值、经济价值和社会效益。

1　空间电荷理论及计算

空间电荷主要由同极性电荷和异极性电荷组成，前者由电极注入的可迁移和入陷的载流子产生，在高电场作用下，它们是主要因素，称为同极性空间电荷；后者是因为有机或无机杂质在电场作用下被电离并发生迁移造成的，当电场较低时，它们是主要因素，称为异极性电荷［2］。这些空间电荷会畸变聚合物内部电场的分布，使其介电性能发生变化，直接对聚合物绝缘材料的电导、击穿破坏、老化等方面的电学特性有明显影响。

电磁场麦克斯韦方程组的积分形式为

式中：D为电位移矢量，C/m2；E为电场强度，V/m；B为磁感应强度，T；H为磁场强度，A/m；J为电流密度，A/m2；ρ为电荷密度，C/m3。

在直流电压下，高压套管处于静电场中，忽略电磁感应，可推导出麦克斯韦方程组的微分形式：

以及两种或多种媒介质分界面处的衔接条件：

在工频交流电压下，感应电场很小，可忽略不计。因此，此时麦克斯韦方程组的微分形式为

介质交界面处的衔接条件与静电场相同。

在电压极性反转过程中，麦克斯韦方程组的微分形式为

此时介质交界面处的衔接条件：

式中：E1t和E2t分别为介质1和介质2中电场的切线分量；D2n和D1n分别为介质1和2中电感应强度；H1t和H2t分别为两种介质中的磁场强度；B1n和B2n则是两种介质中的磁感应强度。

根据式（1）～（6），可以得到在3种工况下都适用的介质分界面上空间电荷面密度计算公式，即：

2　空间电荷效应下的电场分析

建立±1 000 kV的高压直流套管的简化模型，如图1所示。所建模型是套管剖分面一半的平面二维模型。为了简化，建模时将绝缘介质厚度增加，将层数减到10层，并不会改变电场的整体分布趋势。将每层绝缘纸板的外侧面设置成浮动电极，来代表包绕的铝箔。

图1　±1 000 kV特高压直流套管有限元模型

2.1直流电压下的电场分布和空间电荷计算

用Transient 2D求解器求解，得到施加直流电压过程中空间电荷积聚过程，以及电场强度分布的变化情况。径向电场分布比较如图2所示。

由图2知，空间电荷对直流电压下高压套管的电场分布具有比较大的影响，由于空间电荷在直流电压的作用下聚集在套管内部，从而导致套管内部的电场分布产生畸变。

图2　有无空间电荷积累时径向电场分布对比

2.2交流电压下的电场分布和空间电荷计算

在套管上施加800 kV的正弦交流电压，用Time Harmonic 2D求解器求解，可得电容芯子中的径向电场分布，如图3所示。

图3　交流稳态电压下径向电场分布

用Time Harmonic 2D求解器求解，观察空间电荷的积累对交流稳态条件下电场分布的影响。根据计算结果，无论空间电荷的存在与否，电荷量的增加或减小，计算得到的电场分布曲线是几乎重合的。用Transient 2D求解器求解，结果显示，电场强度的分布情况随时间的变化而改变，但其值始终小于2×104kV/m。上述结果表明，在交流稳态情况下，空间电荷对于套管内部的电场强度分布影响较小；而在暂态瞬间，空间电荷的积累对高压套管内部电场强度的分布有一定影响，也会在局部出现电场强度值激增的情况。

2.3极性反转工况下的电场分析

直流传输系统中潮流的方向和大小是由控制系统所控制，会发生潮流极性反转［5］。在极性反转瞬间，空间电荷未能消散，其数量及分布几乎不变。此时，由外施电压产生的电场和由空间电荷产生的电场将互相叠加，出现局部场强值急剧增大的现象，从而容易对套管造成击穿［6］。根据设备的实际运行状况及相关的实验，极性反转过程中高压直流套管发生绝缘故障的概率大大增加。因此，对高压套管在极性反转工况下电场的分布和空间电荷变化规律进行分析是很有必要的。

根据IEC 62199中相关规定，实验设备的速度决定了记性反转的时间，极性反转时间不能长于2 min［7］。因此，本仿真中极性反转时间的设定远小于空间电荷的扩散时间，以确保仿真的准确性［8-9］。本仿真中具体设置的步长如表1所示。

表1　极性反转的计算步长

通过Transient 2D求解器，得套管室内极性反转前后及反转瞬间电场分布云图，如图5所示。

图4　极性反转过程中电场分布对比

由图4知，极性反转过程使总体电场强度增大，这因为反转时间极短，电极电压变化率大，空间电荷来不及扩散，空间电荷引起的场强与电极产生的场强叠加，使电场强度瞬间增大。极性反转结束之后，电场值逐渐减小并趋于稳定。

因此，当在实际运行中发生潮流极性反转时，套管中空间电荷会对周围的电场造成严重的畸变作用，从而引起设备的闪络或击穿，对高压直流输电设备乃至整个系统安全稳定运行造成严重的威胁。

3　结语

围绕特高压直流（±1 000 kV）套管电场分布，研究了考虑空间电荷效应的特高压直流套管电场分布。利用软件Elecnet搭建了±1 000 kV高压直流穿墙套管模型，对各种工况（直流、交流、极性反转）下特高压直流套管电场分布等内容进行了探索，为套管的设计研制提供了有价值的参考依据。

［1］王云杉，周远翔，李光范，等.油纸绝缘介质的空间电荷积聚与消散特［J］.高电压技术，2008，34（5）：873-877.

［2］周远翔，王宁华，王云杉，等.固体电介质空间电荷研究进展［J］.电工技术学报，2008，23（9）：16-25.

［3］陈忠，伍衡，黄和燕，等.±800 kV直流穿墙套管耐压试验发生外闪原因分析及改进措施［J］.高电压技术，2011，37（9）：2133-2 139.

［4］M Li，D Kim，D A Lowther，et al.A Sensitivity Approach to Force Calculation in Electrostatic MEMS Devices［J］.IEEE Transaction on Magnetics，2008，44：1 610-1 613.

［5］赵畹君.高压直流输电工程技术［M］.北京：中国电力出版社，2004：109-110.

［6］L Li，F Ji，G Liu，et al.Calculation of Transient Electric Field of Converter Transformer under Polarity Reversal Voltage［C］.14th Biennial IEEE Conference on Electromagnetic Field Computation，2010，1（1）：1-4.

［7］IEC 62199—2004Bushings for D.C.application［S］.

［8］T Hasegawa，M Hatano，K Yamaji，et al.Dielectric strength of transformer insulation at DC polarity reversal［J］.IEEE Transac tions on Power Delivery，1997，12（4）：1526-1531.

［9］T Nara，K Kato，F Endo，et al.Study on dielectric breakdown at DC polarity reversal in oil/pressboard-composite insulation system［C］.Electrical Insulation and Dielectric Phenomena Conf.，2009：588-591.

Electric Field Calculation of±1 000 kV DC Wall Casing under Space-charge Effect

ZHANG Yong1，LIU Jun4，HAN Deshun2，WANG Zhaoxin2，CHENG Yan1，SUN Shumin1，ZHANG Li3，XIN Zheng3，ZHANG Lina3
（1.State Grid Shandong Electric Power Research Institute，Jinan 250003，China；2.Shandong Electric Power Dispatching and Control Center，Jinan 250002，China；3.Shandong University，Jinan 250002，China；4.Jinan SIEMENS Transformer Co.，Ltd.，Jinan 250024，China）

±1 000 kV DC wall casing is a complex insulation system，the existence of space charge will distort electric field distribution inside the insulating medium in the process of operation，leading to insulation damage and even breakdown of the material.The model of±1 000 kV DC wall casing is set up by ElecNet.With the space-charge effect of strong field，the distribution of electric field under different working conditions，such as direct current，alternating current and polarity reversal condition，are analyzed in the simulation.The results can provide

for casing design.

ultra-high voltage；DC wall casing；space-charge effect；polarity reversal

TM72

A

1007－9904（2015）10－0005－04

2015-07-28

张用（1983），男，工程师，从事高电压技术、电力电子技术方面的研究工作。