535 kV混合式高压直流断路器电场计算与分析

李伟，刘博，肖风良，谢文刚，黄瑜珑，王昊晴，樊芳芳

(1.山东泰开高压开关有限公司，山东 泰安 271000；2.电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室(清华大学)，北京 100084；3.中国电力科学研究院有限公司，北京 100192)

相比于交流电网，以柔性直流系统为基础的直流电网在大容量电力传输、分布式能源接入、交流系统无功支撑等方面显示出明显的优势，是未来电网的重要发展方向[1-5]。

构建柔性直流输、配电网络需要成熟可靠的直流断路器产品作为支撑，研制具有毫秒级开断能力的中、高压直流断路器，迅速切除直流设备或直流线路故障，对直流系统的稳定运行至关重要，更进一步地，对于构建柔性直流电网、提高整个交直流混合电力系统的运行可靠性和灵活性具有重要意义[6-11]。

根据开断原理的不同，直流断路器可分为机械式、固态式和混合式3种[12-16]，其拓扑主要由3种支路构成：主通流支路、转移支路和能量吸收支路。混合式直流断路器充分集中了机械式和固态式直流断路器的优点，在正常工作时由机械开关承载电流，通态损耗低，当发生短路故障时由电力电子开关开断故障电流，开断速度快，逐渐成为多端柔性直流输电的优选方案。

作为高电压大电流电气设备，高压直流断路的器件需大量采用串、并联连接，其一、二次设备高度融合[17-19]，器件驱动、开关机构等均需采用隔离供能，这就导致直流断路器阀塔的电位复杂，电场分布不均。

为保证高压直流断路器的可靠运行，良好的绝缘设计对均匀断路器整体电场分布、控制局部放电水平具有重要意义。535 kV混合式高压直流断路器的研制属世界首创，目前关于其电场分布及绝缘特性的研究较少。本文以应用于张北可再生能源柔性直流电网示范工程中的535 kV混合式高压直流断路器为研究对象，基于静电场分析方法对其电场分布进行仿真分析，并通过绝缘试验进行验证，以期为高压直流断路器的设计提供指导。

1 工作原理与计算模型

1.1 整体拓扑及原理

535 kV混合式高压直流断路器采用一种基于耦合负压原理的低损耗、强制换流型拓扑，如图1所示。

图1 耦合负压型混合式直流断路器拓扑Fig.1 Topology of coupled negative voltage hybrid DC circuit breaker

混合式断路器操作时序如图2所示。其中，t为时间，U0为额定直流电压，UMS为瞬态开断电压，I0为额定直流电流，Id为重合闸操作时第二次开断电流的峰值。正常运行时快速机械开关导通。当线路发生短路故障时，导通转移支路的电力电子阀单元，同时给快速机械开关发送分闸指令；当触头运动到一定距离时，触发耦合负压回路的晶闸管导通，耦合负压回路的电容器与空心变压器的原边振荡产生高频电流，通过空心变压器的副边在主通流支路和转移支路构成的回路上耦合一个负压，使转移支路整体导通压降低于快速真空开关弧压，从而强制电流由快速真空开关支路转移至转移支路，机械开关支路电流过零熄弧，完成电流转移；当机械开关触头运动到足以耐受开断后的瞬态恢复过电压时，转移支路阀单元中的电力电子开关关断，电流转移至能量吸收支路，由避雷器耗散能量，直至电流衰减[20-26]。此过程中主通流支路机械开关与转移支路需要承受被避雷器限制的系统过电压。

图2 混合式断路器操作时序Fig.2 Operation timing of hybrid circuit breaker

1.2 阀塔布置方案

535 kV混合式高压直流断路器采用模块化、标准化结构设计，阀塔整体尺寸(含支撑绝缘子)为18 m×9 m×15.5 m，其具体布置方案如图3所示。各零部件模块通过有机、紧密的结合，最终形成了以层级结构为主体的产品，整体结构可分为5大模块：快速机械开关模块、电力电子开关模块、耦合负压模块、能量吸收模块及供能模块，各模块固定在由复合支柱绝缘子搭建而成的基础上。

快速机械开关模块分4层布置，采用铜排“之”字形连接，充分降低回路杂散电感；电力电子开关模块分5层布置，每层包含8个阀段，每个阀段包含8个阀单元，主开断器件采用失效模式为短路、开断能力比绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)更强的电子注入增强型栅极晶体管(injection enhanced gate transistor，IEGT)；耦合负压模块位于电力电子模块下方的第1层，由耦合变压器、电容器、晶闸管等器件构成；能量吸收模块采用每层10柱并联、5层上下串联的连接形式；供能模块需分别为快速机械开关、转移支路阀单元和耦合负压装置提供能量，包含1台535 kV隔离变压器、12台100 kV隔离变压器和35台20 kV隔离变压器。

图3 535 kV混合式高压直流断路器阀塔布置方案Fig.3 Arrangementscheme of 535 kV hybrid HVDC circuit breaker

1.3 绝缘要求

张北工程对535 kV混合式直流断路器电气性能的总体要求为：直流断路器各支路应在保证各元件不发生损坏的情况下满足技术规范中关于电压耐受、电流耐受和电流开断的要求。

电压耐受能力的具体要求包括：

a)直流断路器应能承受分断过程中和断态下的各种过电压；

b)设计中应充分考虑操作冲击条件下快速机械开关/快速断路器各串联断口之间和各串联电力电子开关(如有)之间的电压不均匀分布；

c)设计还应考虑过电压保护水平的分散性以及直流断路器内其他非线性因素对直流断路器的耐压能力的影响，在所有冗余断口和冗余电力电子开关都损坏的条件下，直流断路器的绝缘仍能满足技术规范中的要求。

表1为技术规范中关于535 kV混合式直流断路器绝缘性能要求的具体技术参数。

1.4 电屏蔽结构

高压直流断路器中的金属支撑、固定连接等结构件包含众多棱角、尖端，阀单元、快速机械开关、避雷器等部件电位复杂，合理的电屏蔽结构可有效改善电场分布，防止因电位不等、电场分布不均等引起的局部放电现象，同时有效避免外界电磁干扰的影响。

目前，高压直流断路器的电屏蔽设计尚无统一标准，不同厂家屏蔽装置结构各异，总体上可将直流断路器常用的电屏蔽结构分为5类：U形板状屏蔽、直线形板状屏蔽、L形板状屏蔽、U形管状屏蔽和“口”字形管状屏蔽，具体结构和典型尺寸(mm)如图4所示。

表1 535 kV混合式直流断路器绝缘性能技术参数Tab.1 Insulation performance technical parameters of 535 kV hybrid DC circuit breaker

图4 高压直流断路器电屏蔽结构Fig.4 Electrical shielding structure of HVDC circuit breaker

屏蔽罩的边缘和棱角采用圆弧设计，外形为一体化形式，表面光洁平整、无毛刺尖端，在设计时应综合考虑屏蔽目标的结构形式、结构尺寸、电位分布等因素。

535 kV混合式直流断路器阀塔电屏蔽布置的具体原则为：机械开关本体及控制箱整体尺寸相对较小，可采用图4 (a)所示U形板状屏蔽；耦合负压装置及转移支路阀单元长度方向采用图4 (b)所示直线形板状屏蔽罩，拐角处采用图4(c)所示L形板状屏蔽罩，在屏蔽内部尖端的同时，保证电场平滑过渡；避雷器外部为伞裙结构，仅上、下法兰处需进行屏蔽，可采用图4(d)所示U形管状屏蔽罩；电力电子开关模块最顶端采用2个大的U形管状屏蔽罩，快速机械开关模块和能量吸收模块最顶端采用图4(e)所示“口”字形管状屏蔽。

2 电场计算及分析

2.1 有限元模型

535 kV混合式高压直流断路器实际结构十分复杂，完全按照等比例建模计算量庞大，因此需要先对模型进行简化。简化的原则为：改动原始模型中对整体电场分布影响不大的细节结构，使仿真更加简便高效。

断路器阀塔整体电场分布主要取决于外部电屏蔽和内部各装置的结构、外形尺寸、间距等因素。在建模过程中，各屏蔽板、屏蔽环的外形参数与安装位置需严格按照设计图纸建立；内部元件由于整体包覆在屏蔽内部，只需根据其几何外形进行建模，忽略内部连接结构细节：阀单元和每层避雷器内部复杂的元件连接简化为绝缘材料的实心长方体；机械开关和耦合负压装置根据本体及控制箱外形尺寸进行简化。简化后的模型如图5所示，外部长方体区域用来模拟阀厅内部空间。

图5 535 kV高压直流断路器实体模型Fig.5 Solid model of 535 kV HVDC circuit breaker

然后进行网格划分，对电屏蔽的边沿使用小尺寸四面体单元细分，其余部分根据其外形，综合使用四面体与六面体单元粗分；同时，将屏蔽装置附近的空气从整体空气模型中分离，用较小尺寸的单元进行剖分，使网格均匀过渡，剖分结果如图6所示。

图6 535 kV高压直流断路器有限元模型Fig.6 Finite element model of 535 kV HVDC circuit breaker

2.2 数学模型和计算条件

535 kV混合式高压直流断路器分闸状态下的电场分布属于静电场分析范畴，满足准静态电场泛定方程[24]

·(γE+jωεE)=0.

式中：γ为电导率，S/m；E为电场强度，V/m；ω为角频率；ε为相对介电常数；γE为传导电流密度，A/m2；jωεE为位移电流密度，A/m2。

计算时，外部长方体区域用来模拟阀厅内部空间，其表面设为一类边界条件，施加零电位；机械开关及阀单元顶部进线端施加高电位，此处选取更严苛的阀端间1 min直流耐受电压856 kV；底部出线端施加零电位；中间各级屏蔽均匀承担试验电压，与各自连接的母线电压相同。

2.3 计算结果与分析

2.3.1 起晕场强判据

535 kV混合式高压直流断路器安装在阀厅内部，受外界环境影响较小，根据静电场理论，导体内部的场强均为零，导体表面的起晕场强可参照空气介质的击穿场强[27]，本文选取3 kV/mm作为直流断路器金具表面的起晕场强判据。

2.3.2 结果分析

基于以上计算模型及求解条件，采用ANSYS软件对535 kV混合式高压直流断路器的整体电场分布进行计算，计算结果如图7和图8所示。

图7 535 kV高压直流断路器电位分布Fig.7 Potential distribution of 535 kV HVDC circuit breaker

图8 535 kV高压直流断路器整体电场分布Fig.8 Electric field distribution of 535 kV HVDC circuit breaker

分析图7和图8可知：535 kV高压直流断路器阀塔整体电场分布不均匀，由于电屏蔽结构的存在，阀塔内部场强较低，高场强区集中在部分阀层屏蔽板、阀塔屏蔽罩及屏蔽环的大曲率边沿；最大场强出现在顶端U形管状屏蔽端部圆弧处，如图9所示，其最大值为1.74 kV/mm，小于3 kV/mm，满足设计要求。

8台机械开关的电场分布如图10所示，其最大场强值为0.73 kV/mm，位于第8台机械开关静侧出线处。

图9 阀塔顶部屏蔽电场分布Fig.9 Electric field distribution of top shield

图10 机械开关电场分布Fig.10 Electric field distribution of mechanical switch

转移支路5层阀单元的电场计算结果见表2。5层阀单元的场强最大值偏差较小，呈现随阀层增加先减小后增大的趋势，但均远小于3 kV/mm，具有较大的绝缘裕度。图11为第5层阀单元的电场分布。

表2 阀单元电场计算结果Tab.2 Calculation results of electric field strength for valve element

3 绝缘试验

绝缘试验是考核产品绝缘设计优劣的关键，为验证所设计535 kV混合式高压直流断路器的绝缘性能，分别对其进行直流电压耐受试验、局部放电试验和冲击电压试验，具体参数见表3和表4。

图11 转移支路阀单元第5层电场分布Fig.11 Electric field distribution of the fifth layer for transfer branch valve unit

表3 直流电压耐受试验参数Tab.3 Parameters of DC voltage tolerance test

试验项目应施电压/kV实测电压/kV加压时间-901-9051min-617-6203h对地直流电压耐受试验+901+9111min+617+6223h+902+9111min+617+6251h端间直流电压耐受试验-902-9121min-617-6231h

表4 冲击电压试验参数Tab.4 Parameters of impulse voltage test

所设计535 kV高压直流断路器成功通过了直流电压耐受试验和冲击电压试验，图12为进行冲击电压试验时正极性的波形。

局部放电试验在对地直流电压耐受试验3 h的最后1 h内进行测量，超过300 pC的局部放电数目应按照IEC 60700-1：2015《高压直流(HVDC)输电用晶闸管阀 第1部分：电气试验》附录B的要求进行记录，要求整个记录期间：平均每分钟300 pC以上的脉冲不超过15次；平均每分钟500 pC以上的脉冲不超过7次；平均每分钟1 000 pC以上的脉冲不超过3次；平均每分钟2 000 pC以上的脉冲不超过1次。试验结果见表5，结果均在标准要求范围内。

图12 冲击电压试验波形Fig.12 Waveform of impulse voltage test

表5 局部放电试验结果Tab.5 Partial discharge test results

最后1h内平均每分钟脉冲次数>300pC>500pC>1000pC>2000pC5.025.010.1603.112.550.710

4 结论

本文以535 kV混合式高压直流断路器的研制为依托，基于静电场分析方法，对其电场分布进行了计算和分析，可得到以下结论：

a)535 kV高压直流断路器阀塔整体电场分布不均匀。由于电屏蔽结构的存在，阀塔内部场强较低，高场强区集中在部分阀层屏蔽板、阀塔屏蔽罩及屏蔽环的大曲率边沿。

b)阀塔最大场强值为1.74 kV/mm，位于顶端U形管状屏蔽端部圆弧处，但低于起晕场强值(3 kV/mm)。

c)机械开关支路场强最大值为0.73 kV/mm，位于第8台机械开关静侧出线位置；转移支路5层阀单元的场强最大值为0.79 kV/mm，整体呈现随阀层增加先减小后增大的规律。

d)直流断路器的电屏蔽结构主要有：U形板状屏蔽、直线形板状屏蔽、L形板状屏蔽、U形管状屏蔽和“口”字形管状屏蔽，设计时可根据阀塔内部结构不同选用不同类型的电屏蔽，保证电场平滑过渡。