电晕对换流阀S型冷却水管损伤的仿真与实验分析

胡传良，周文青，刘刚，叶海，邓红雷，王慧泉，吕茵

(1.华南理工大学 电力学院，广东 广州 510641;2.中国南方电网有限责任公司超高压输电公司，广东 广州 510507)

目前我国特高压直流输电工程技术已处于世界领先地位，换流阀作为特高压直流输电工程的核心部分，保障其安全、稳定运行具有重要意义。阀在运行过程中由于通态损耗、关断损耗等会在阀塔内部产生大量热量，需要通过冷却水回路将热量运输到阀厅外面[1-5]，阀冷系统是保障换流阀运行的重要系统之一。从已有的换流站运行数据得知，阀塔内冷水系统会发生漏水的故障，给换流阀安全运行带来极大隐患。以±800 kV直流输电工程中的穗东换流站为例，其冷却系统设计冷却散热能力为 3 800 kW，冷却介质为去离子水[6-8]。然而在实际运行过程中发现，在阀内冷系统中均压电极附近的冷却水管会出现损伤导致漏水事故的发生，渗水汇集到阀层水管后滴落至阀片板，导致该2个阀片出现无回检信号，需要更换S型水管及阀片对应的阀片卡，经检测合格后方能让阀塔正式运行。本文针对换流站现有的换流阀冷却水管损伤事故，通过仿真和实验来确定事故的发生原因，为实际工程人员提供改造思路。

何潇等人[9]对换流阀阀冷却系统故障实例统计数据显示，阀内冷水故障占阀冷却系统故障总数的86%；文献[10-12]基于电流场理论对阀塔内水路进行分析，将水路电势作为求解整个场域的边界条件进行求解，在这个过程中解决了电流场和静电场的耦合问题，最后得出在考虑水路的情况下阀塔表面最大电场强度以及出现位置均发生变化的结论；文献[4]提及了2015年穗东换流站在S型阀冷却水管处损伤漏水导致系统停运的故障，经检查发现漏水位置与等电位线紧靠，水管出现明显损伤凹痕。国内外对于换流阀冷却水管损伤原因研究较为罕见，对冷却水管的研究主要集中在均压电极结垢腐蚀原理方面[13-22]，针对该类损伤问题，结合具体的损伤位置所处的复杂电场环境，从电晕放电来对损伤原因进行分析。

本文以±800 kV穗东换流站S型冷却水管损伤漏水故障为研究对象，提出了基于电晕放电的损伤机理，首先对S型冷却水管及其局部结构构建了三维有限元仿真模型，运用COMSOL仿真软件对故障部位局部结构进行仿真；然后分析了等电位线和冷却水管两者间在不同距离下的电场强度变化关系；最后设计了相关高压放电实验对仿真结果进行验证。

1 S型冷却水管局部结构

1.1 均压电极及等电位线

为了避免换流阀内冷水回路出现过大的电势差，在水路出现较大的泄漏电流，水路系统会在不同位置安装均压电极，均压电极通过等电位线(均压电极线)连接到阀塔母线等位置以实现均压效果[4-15]，等电位线是一根PVC绝缘层包被的线径为2.24 mm的19股铜导线。由于水管损伤事故发生在S型冷却水管位置，该处等电位连接的是连接2个阀臂的母线板，穗东换流站为12脉波换流，此处即为换流出线与换流变压器连接的位置。图1展示了均压电极在冷却回路的分布位置以及研究的故障点位置。由图1可知阀塔水冷主回路均压电极分为6对，对阀层间均压电极进行了省略，换流站故障点位于阀塔第2与第3阀层间S型水管处。图2展示了均压电极连接的实物图以及冷却水管损伤结果，图2中母线板、均压电极线以及均压电极距离较近，损伤故障处与均压电极线距离较小，这对后面的研究故障原因提供了思路。

图1 换流阀均压电极分布示意图Fig.1 Distribution of equalizing electrodes in converter valve

图2 均压电极连接的实物及冷却水管损伤结果图Fig.2 Objects connected with equalizing electrode (left) and the damage result of cooling water pipe (right)

图1阀塔第2与第3阀层均压电极S形水管处在2015年发生了漏水事故，其中均压电极、冷却水管、均压电极线的局部放大如图3所示。实际安装中，均压电极和母线板之间的等电位连接导线的长度要合适，导线与阀层主水管之间的距离要大于25 mm，均压电极电位连接导线在屏蔽罩内安装时，导线不能触碰屏蔽罩边缘，要保证约5 mm距离，防止屏蔽罩边缘划伤导线。

图3 均压电极、冷却水管、均压电极线的局部放大图 Fig.3 Partial enlarged drawings of equalizing electrode, cooling water pipe and equalizing electrode wire

1.2 S型冷却水管局部结构仿真建模

为了分析计算冷却水管故障点周围复杂的三维电场环境，本文采取有限单元法来求解描述模型的偏微分方程，构建了S型冷却水管及其周围的三维结构，包括均压电极、均压罩和等电位线。受均压电极位置分布的影响，冷却水管截取为2个阀层之间的主管道，整个模型高为1 660 mm，宽为850 mm，具体模型尺寸参数见表1。

表1 有限元三维模型几何参数Tab.1 Geometry Parameters of FEA Model

最后构建的穗东换流站完整的阀塔冷却回路及三维仿真模型如图4所示。

图4 阀塔冷却回路及三维仿真模型Fig.4 Cooling circuit of valve tower and 3D simulation model

2 有限元建模及结果分析

2.1 边界条件、材料参数设置

有限元研究过程中最关键的步骤便是确定模型的狄利克雷边界条件(第一边界条件)和纽曼边界条件(第二边界条件)，这样偏微分方程通过变分转换为代数方程组求解系数矩阵非奇异，可以得到一个满足误差要求的数值解。对特定的物理模型分析时，还需考虑不同物理量在材料中的本构关系，本文研究物理模型为静电场，在材料中存在的本构关系为

D=εE.

(1)

式中：ε为材料的介电常数；D为电位移；E为电场强度。

2.1.1 模型边界条件设置

穗东站每极高/低端阀塔布置有6座二重阀阀塔，高低端阀厅共同组成12脉波换流电路。根据换流理论，一座阀塔上下2个阀臂不能同时导通，否则会出现阀塔短路故障，各阀层在关断时刻需要承受网侧反向电压。均压电极通过等电位线连接到逆变引出侧，为了确定模型中均压电极和等电位线的第一边界条件，我们分析图5所示的换流变阀侧采集的A、B、C三相电压波形，统计数据见表2。选择最严厉条件设置，即1个桥臂(共4个阀段)承受正半波峰值电压约180 kV，那么1个阀段将承受45 kV，此即为仿真中施加在等电位线及均压电极上的第一边界条件。由于换流的对称性，接地端设置为模型冷却水管两端的其中一个水路端面。

图5 换流变阀侧未滤波电压波形Fig.5 Unfiltered voltage waveform at the converter valve side

表2 阀侧记录电压波形统计数据Tab.2 Statistics of unfiltered voltage waveform

2.1.2 模型材料参数设置

仿真模型涉及到的材料有PVC绝缘层、PVDF水管、去离子水(40 ℃)、金属罩、金属均压电极、金属均压电极线以及模型外部包被的半径为3 000 mm空气求解域。查找美国实验材料协会数据，有限元仿真设置参数值参见表3。

表3 仿真材料参数Tab.3 Parameters of simulation materials

需要注意的是金属均压罩没有施加边界条件，其充当一个悬浮导体作用，相对介电常数取值为104[15-16]，而均压电极和等电位线直接施加第一边界条件，该值对仿真结果没有影响。表3中给出的PVC及PVDF相对介电常数是一个范围值，具体仿真时分别取5.00和8.24。

2.2 电场仿真结果及分析

2.2.1 电场仿真结果

根据前面分析的均压电极局部电场条件以及材料参数，通过仿真得到图6所示均压电极局部电场结果。由于等电位线与水管表面形成类似极不均匀的棒-板电极结构，考虑此情况下空气击穿场强比匀强电场条件下低(峰值约5.23 kV/cm[23])，同时为了便于场强结构可视化，图6结果已经滤除了场强值低于5 kV/cm部分的显示内容。

图6 电场仿真结果Fig.6 Simulation results of electric field strength

由图6仿真结果可知：在等电位线和均压电极施加45 kV电压时，最大场强值为62.8 kV/cm，并位于去离子水中的均压电极针尖处，而去离子水的击穿场强值在650～700 kV/cm之间[24]，所以不会在去离子水中发生电晕。而在导线与水管表面切平面平行且距离最近处(最近距离为1.0 mm，下文中距离均指该距离)，仿真结果显示该处场强值在36 kV/cm左右。事故发生后检查发现等电位线靠近水管损伤漏水位置，因此可以初步判断长期电晕放电是造成水管损伤的原因。为了继续探究不同等电位线与水管表面距离对电场强度的影响，本文分别建立了不同距离下的模型并进行了仿真。

2.2.2 不同距离影响

针对等电位线与水管表面距离诸影响因素，本文在前面基础上构建了距离为1.0～8.0 mm的共8组三维仿真模型，并按照之前的设置重新进行仿真，得到导线与水管表面最近距离处的场强值结果见表4。

表4 等电位线与水管表面不同距离下的仿真场强Tab.4 Simulated field strength at different distances from equipotential line to water pipe surface

由表4可以看出，随着等电位线与冷却水管表面距离的增加其仿真场强值趋近于平稳，对该仿真结果按式(2)进行拟合,即

(2)

式中：x为等电位线与水管表面距离；a、b、c均为拟合系数。根据图5所示结果，采用拟合精度R2为0.987 1，拟合结果如图7所示。等电位线和水管表面距离在1～5 mm时，随着两者距离增大，场强仿真值变化较明显，当两者距离达到5 mm及以上时，场强值趋于一致，已无明显变化。

根据拟合式计算，当间隔10 mm时场强已经低至1.9 kV/cm，可以保证等电位线与水管表面足够安全距离。

3 高压电晕实验及分析

3.1 高压电晕实验

为了验证仿真模型，根据换流阀实际使用的等电位线以及冷却水管设计了在等电位线和水管表面不同距离下的实验组进行验证，所用实验系统是如图8所示的ZJC-100 KV计算机控制材料介电强度试验机。此系统可以获得交流100 kV、直流150 kV的电压试验条件，试验原理图如图9所示。

图7 距离与场强关系拟合结果Fig.7 Fiiting results of relationship between distance and electric field strength

图8 ZJC-100 KV计算机控制材料介电强度试验机Fig.8 ZJC-100 kV computer control material dielectric strength testing machine

T-调压器；B-变压器；R-保护电阻；F-分压器；L-均压电极线；P-水管；D-绝缘凳。

图9 高压实验原理
Fig.9 Scheme diagram of high voltage experiment

实验过程中会调节L与P之间的距离。根据前面确定的边界条件，给均压电极线施加45 kV交流电压，通过调整均压电极线和冷却水管的间距来观察放电的变化情况，在实验过程中分别将两者距离调整为1 mm、3 mm、5 mm和7 mm，并使用CoreCAM6紫外成像仪记录了起晕电压和放电强度，观测距离为2.5 m，指标参数选择紫外设备仪器自带的光子统计数，积分参数为8，实验记录结果显示如图10所示。

图10 实验记录结果Fig.10 Experiment results

图10展示了等电位线与冷却水管表面在4个不同距离下的放电紫外光子记录结果及其关系图，其放电光子数量分别为28 825(1 mm距离)、27 015(3 mm距离)、24 980(5 mm距离)和24 440(7 mm距离)，结果表明小距离条件下放电强度比大距离情况下大，原因是均压电极线与聚偏氟乙烯(PVDF)水管构成类似棒-板结果电极。由电容定义可知电容量和电容极面距离成反比，因此可判断其储能也大，放电越强。该实验结果亦验证了仿真模型的正确性。

3.2 损伤分析

本文仿真和实验均为最严厉条件下进行的，实际中可能并没有如此严重，因为通常情况下等电位线与冷却水管表面会间隔足够距离；但由于安装工艺差别、阀塔震动等原因导致导线与水管距离太近，从而在长时间电晕影响下造成水管损伤。图11为PVDF材质水管在均压电极附近损伤的实物图。

图11 PVDF水管损伤实物图Fig.11 PVDF water pipe damage image

由图11可以看出，损伤位置有炭黑状物质，损伤形状为局部聚拢型。由于受损材料为PVDF，根据高分子材料理论，无定型聚合物温度达到一定时，整个高分子聚合物分子链在外力(如重力、机械力等)作用下会发生互相滑动的宏观表现，这就是无定型高聚物的黏流态，当外力消失，发生的形变不能自发恢复。从图2和图11损伤结果来看，损伤部位由于某短时放电强度增大和局部放电特性，使PVDF材料局部呈现黏流态，在外力作用下造成不可逆形变效果。

4 结论

本文针对穗东换流站S型冷却水管损伤故障问题，构建了局部结构的三维有限元分析模型，同时设计了验证实验，仿真和实验均表明：

a)等电位线与PVDF材质冷却水管在不合理布置时，其局部场强会增大，最大场强分布在等电位线与水管表面切平面距离最短处，随着距离增大其场强减小。

b)短时剧烈电晕放电会使等电位线靠近冷却水管部位达到黏流态，受外力影响产生不可逆形变，甚至造成管壁厚度无法承受冷却水回路内部径向压力而出现渗水漏水事故。

本文研究结果从仿真和实验2个方面较详细地分析了穗东站冷却水管故障原因，对其他换流站类似事故提供了参考依据，但对于PVDF从常态到黏流态再恢复到常态这一详细过程还需做进一步研究。