±800kV气体绝缘直流穿墙套管的研制

西安西电开关电气有限公司的研究人员刘朋飞、南振乐、李振军，在2017年第12期《电气技术》杂志上撰文指出，±800kV直流穿墙套管作为换流变电站的重要设备之一，其核心技术被少数几家国外企业所掌握，我国已经正式投运的特高压直流输电线路所用穿墙套管仍依赖进口。

为支撑我国特高压直流输电工程建设，实现重大装备国产化，西安西电开关电气有限公司开展了±800kV直流穿墙套管的研制工作。文中研制了一种气体绝缘直流穿墙套管，使用专业分析软件对直流穿墙套管内部电场及结构强度进行了仿真计算，并在国家高压电器质量监督检验中心通过全部型式试验，其结构简单、通流能力强、可靠性高，能够很好的适用于特高压直流输电工程中。

在±800kV特高压直流输电工程中，必须通过穿墙套管才能将阀厅内的换流阀与户外的直流场设备连接起来,保证输电回路对墙绝缘和承载直流电流。在±800kV特高压直流系统中，直流穿墙套管包括±800kV直流穿墙套管、±400kV直流穿墙套管和直流中性母线穿墙套管[1-2]。其中，±800kV级直流穿墙套管是特高压设备制造难点之一。

1　特高压直流穿墙套管技术发展现状

目前直流穿墙套管类型主要有：油浸纸电容式结构，环氧芯体SF6气体复合绝缘结构，SF6气体绝缘结构。油浸纸电容式结构低电压产品工艺成熟，但存在漏油、爆炸燃烧等风险。

环氧芯体SF6气体复合绝缘结构是当前主流产品，最高电压等级为±800kV，电气性能优良、绝缘结构合理，但设计制造难度大，通流能力较差[3]。SF6气体绝缘结构相对简单，电气性能稳定，通流能力强，但设计和制造难度相对较高。  

我国已建线路所采用的直流穿墙套管主要由国外公司供货，加大了电力建设的成本，并且在运行中也出现了一些故障；国内几家套管制造企业也在进行特高压直流穿墙套管的研制工作。

2 特高压直流穿墙套管研发

2.1气体绝缘直流穿墙套管的结构 

直流套管在固体绝缘介质上极易积聚静电荷，静电荷的存在、转移和消失会直接导致固体绝缘介质内部电场分布的改变，对其内部的局部电场起到削弱或加强的作用。

当直流套管运行状态变化时，特别是极性反转时，静电荷极易使固体绝缘介质内部电场发生畸变，使得局部区域电场集中，从而引发闪络或击穿放电，严重威胁特高压直流输电系统的安全运行[4-6]。

为了解决直流电场条件下静电荷积聚对固体绝缘介质电场的畸变和劣化问题，本文中设计的气体绝缘直流穿墙套管（以下简称穿墙套管）内部不设任何固体绝缘材料支撑，其内部主绝缘为SF6气体介质。

穿墙套管结构见图1，由两根复合绝缘子、支撑金属外壳和电连接金属导体三部分组成。其中间的导流导体由铝合金制成，两端与套管端部法兰采用可靠地插入式连接，端部法兰外部设有接线端子和均压屏蔽环，均衡套管外部电压分布[7]，套管与中间支撑筒连接处设有接地端屏蔽，以均衡内部电压分布。

图1 穿墙套管结构

与其它油浸纸穿墙套管和环氧浸渍干式穿墙套管相比，采用SF6气体绝缘结构的直流穿墙套管，还有重量轻、结构简单、性能稳定、散热条件好、通流能力强等优点。

2.2 绝缘结构研究

穿墙套管的绝缘结构分为内绝缘和外绝缘，内绝缘采用SF6气体作为主绝缘，其设计重点通过设置合理的接地屏蔽来保证电场分布的均匀程度，同时保证所有元件的最高工作场强在许用值之内。外绝缘主要考虑穿墙套管运行中所承受的电气负荷持续电压、瞬时过电压、空气绝缘等，还要考虑污秽程度对外绝缘的影响[8]。

2.2.1外绝缘结构研究

外绝缘采用重量轻、强度高的空心复合绝缘子。考虑直流电的静电吸附效应会吸附较多的灰尘，所以户外部分的爬电比距达到了51mm/kV；外屏蔽环设计采用三层均压环组合结构，其重量轻、结构简单，同时可以保证穿墙套管正常运行时空气中不产生电晕放电现象；同时，高刚性和强度的空心复合绝缘子保证在悬臂安装时不产生较大的挠度变形和有很高的机械可靠性[9]。

2.2.2内绝缘结构研究 

特高压直流穿墙套管在运行过程中会承受直流、交流、极性反转等多种工况[10-11]。本文提出的穿墙套管内部不设任何固体绝缘支撑，因此主要研究了穿墙套管在交流激励电压下的电场分布情况。

考虑穿墙套管中心导体挠度变形及复合绝缘子悬臂变形等因素，基于有限元分析计算软件，建立穿墙套管的计算分析模型，进行雷电冲击电压下的静电场分析，各部分材料的介电常数取值见表1。

与穿墙套管中心导体相连接的导电体加载雷电冲击耐受电压2100kV，穿墙套管中部用于与墙体支架相连接的安装法兰及墙体电压取值0 kV，穿墙套管整体的计算电位分布图见图2，电场计算仿真结果见图3。

表1 介电常数

图2 穿墙套管电位分布

图3穿墙套管内部电场分布

根据穿墙套管内部电场仿真计算结果，接地屏蔽末端为内部电场值最大的部位，最大电场值约为SF6气压0.5MPa时设计基准值[12]的80%。

2.3通流能力研究

随着电网负荷不断增长的需求，对换流站的传输容量提出了更高的要求，作为换流站的重要设备——穿墙套管的通流能力也成为设备可靠运行的重要指标。

构建穿墙套管整体有限元分析模型，利用专业分析软件进行分析计算，通流电流取值1.2倍额定电流。设定边界条件：中心导体，内部高压端屏蔽，两端外部屏蔽加压流进电流+9600A，流出-9600A；接地屏蔽，安装试验墙，户内屋顶和远端墙壁施加0kV。

根据GB/T 11022规定镀银触头, 在SF6气体中的最大温度105ºC，周围空气温度40ºC时的温升65K。导电零件镀银件、裸铝合金件在SF6气体中的最大温度115ºC，周围空气温度40ºC时的温升75K。

计算结果如图4所示，中心导体与螺旋弹簧接触位置最大温度点83.6ºC，中心导体和户内端部盖板温度为77.6 ºC，各部位温升值均符合标准要求。

表2 散热系数

图4穿墙套管温升仿真

2.4机械强度计算分析

由于穿墙套管安装时两端套管处于悬臂状态，因此，需对复合绝缘子、中部支撑筒的强度进行分析计算。同时还要考虑内部的中心导体产生的挠度对内绝缘的影响。

2.4.1导体强度计算

中心导体在正常安装状态下可简化为一端固定、一端简支梁的模型，根据机械设计手册提供计算公式，对其弯曲变形量进行计算。

建立中心导体模型采用有限元软件进行仿真分析（如图5），计算结果为0.041m，仿真结果与公式计算结果对比较为接近。

图5 中心导体挠度仿真

穿墙套管装配完成后对中心导体中部的挠度进行测量，测量结果为0.035m，实际测量结果与公式计算、仿真结果对比均较为接近。

2.4.2 绝缘子刚度分析

穿墙套管安装完成后，其两侧绝缘子均呈悬臂状。根据机械设计手册提供计算公式，对其弹性变形量进行计算。

2.4.3穿墙套管抗震计算分析

对穿墙套管进行建立模型，采用有限元软件进行仿真计算，分析此结构能否满足AG3地震强度下的运行要求。

图6 安装法兰受力分析

图7导体变形分析

仿真计算结果显示，Y轴和Z轴方向(即垂直于套管轴线截面)地震运动对穿墙套管的影响较大。Von Mises应力最大值出现在中间法兰的筋板与壳体的焊接部位（如图6），其值为11.378MPa，远小于铝合金材料的设计许用应力93.3MPa；穿墙套管内导体的变形量也较小（如图7），最大变形量出现在垂直于导体轴线的方向（即Y轴或Z轴方向）最大变形量δmax＜10mm。

将上述穿墙套管的机械强度计算分析结果进行电场校核，其机械强度满足设计要求。

3型式试验

±800kV气体绝缘直流穿墙套管在国家高压电器质量监督检验中心一次性通过了规定的所有型式试验项目[13-17]，其中温升试验是在8000A的试验电流下完成，套管各部位的温升值远小于标准要求值。

穿墙套管按国标规定依次进行了逐个试验及型式试验。其中逐个试验项目包括：直流耐受电压试验、极性反转试验、介质损耗与电容量测量试验等。型式试验项目包括：工频耐受电压试验、雷电冲击耐受电压试验、操作冲击耐受电压试验、温升试验、热短时电流耐受试验、悬臂负荷耐受电流试验、无线电干扰电压试验等（如图8和图9）。  

图8直流湿耐受电压试验

图9 雷电冲击耐受电压试验

4总结

文中分析了我国特高压直流穿墙套管设备的使用现状。根据未来我国直流输电建设对直流穿墙套管的使用需求，从结构设计、电场分析、机械性能计算等方面进行深入研究，研发出了一种在通流能力强、可靠性高、结构简单的特高压直流穿墙套管产品，并通过了国家标准规定的强制型式试验。该产品的成功研发，将更好的支持我国特高压直流输电的建设。