学术简报｜柔性直流换流阀串联支撑绝缘子电压分配均衡方法
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新能源电力系统国家重点实验室（华北电力大学）的研究人员）李静怡、沈弘等，在2018年第21期《电工技术学报》上撰文指出，随着电压等级的提升，柔性直流换流阀常采用绝缘子串联的多层支撑结构设计，从而保证足够的对地绝缘间隔。然而在模型测试中出现了换流阀各层绝缘子电压分配不均的问题，使得绝缘子选型困难，增加了换流阀的设计成本与难度。
针对某±800 kV柔性直流换流阀塔，分析了交直流绝缘型式试验下造成串联支撑绝缘子电压分配不均的原因，建立电路计算模型，提取模型中的电容和电阻参数，通过与电准静态场计算结果对比，验证了电路计算模型的正确性。
在此基础上，提出串联支撑绝缘子连接法兰与水路等电位联结的电压均衡方法，计算分析水管长度、等电位联结的水管根数、支撑绝缘子的数量和高度及等电位联结位置对串联支撑绝缘子电压分配的影响规律，并结合工程设计要求，确定串联支撑绝缘子的电压分配均衡方案。电路计算模型与水路钳制均衡方法相结合，避免了反复建模与复杂的电场数值计算，能够在满足设计需求的同时，大大节约设计成本与时间。
在传统高压直流输电发展的同时，基于电压源换流器的柔性直流输电技术也在不断发展，换流阀结构也发生了很大改变，从悬吊式结构转换为支撑式结构。在目前实际投运的众多柔性直流输电工程中，单根支撑绝缘子即可满足其电压等级下的对地安全距离。
但是随着柔性直流工程电压等级的不断提升，对支撑绝缘子的绝缘距离与耐压要求越发严格，倘若只增加单根绝缘子的长度，则对绝缘子本身的制造工艺提出了较高的要求，所需成本较大；而采用多根绝缘子串联组成的多层支撑结构则相对较为经济。
但在对多层支撑结构的特高压换流阀进行工频耐压试验仿真时，出现了各层绝缘子承受电压相差较大问题。工程设计中，不同层绝缘子型号选取时一般均按照最恶劣情况考虑，这将大大增加换流阀设计成本与难度，因此换流阀多层串联支撑绝缘子电压分配均衡设计受到了越来越多的关注。
目前绝缘子均压设计的研究较多集中在输电线路中绝缘子串或单根绝缘子上，而对于阀塔多层支撑结构中的串联绝缘子电压分配问题的研究相对较少。文献[11]研究了线路均压环安装位置与尺寸参数对±800 kV输电线路绝缘子串表面电位分布的影响。
文献[12]基于有限元法优化为某柱式绝缘子设计了均压环以改善其电位分布。然而特高压柔性直流换流阀相比上述研究对象，结构更为复杂，均压环数量更为庞大，因此导致均压环结构设计复杂，计算量相对较大。同时，均压环虽然能很好地控制绝缘子沿面电场的分布，但不能有效解决多层支撑结构中的绝缘子串联电压不均匀分配的问题。
考虑到阀塔内部有多根进出冷却水管，水路内部传导电流密度远大于位移电流密度，其蛇形主水管部分水路温度与流速差异较小，电导率保持一致，因此整体电位呈现均匀分布。相比额外增加分压器、均压环等装置，利用水路的电阻特性对串联绝缘子进行电位钳制是一个更方便、快捷的均压手段。
串联绝缘子上电压分配的计算方法较多，包括有限元法、边界元法、等效元法等。有限元法因其计算准确、适用性强等优点，受到研究人员的关注[15-17]。工频电压下系统状态变化率较低，由磁场变化产生的感应电场可忽略不计，交流耐压试验中的工频电场为电准静态场，因此水路钳制后面临电流场和静电场耦合计算相对复杂的问题。
考虑到其本质是一个包含电阻电容的简单电路网络，绝缘子分压用层间寄生电容表示，水路用线性电阻表示，快速得到电压分配结果。Ansys软件可在仅保留金属导体的计算模型的基础上，计算系统储存的静电能量，从而得到准确的寄生电容参数[18,19]，计算过程相对较为简单。
本文针对某±800 kV柔性直流阀塔，分析了交直流绝缘型式试验下造成串联支撑绝缘子电压分配不均的原因，建立了电路计算模型，提取了模型中的电容和电阻参数，通过与电准静态场计算结果对比，验证了电路计算模型的正确性。
在此基础上，提出了串联绝缘子金具与冷却水路等电位联结的电压均衡方法，计算分析了水管长度、等电位联结的水管根数、支撑绝缘子的数量和高度及等电位联结位置对串联支撑绝缘子电压分配的影响规律，并结合设计要求，确定了串联支撑绝缘子的电压分配均衡方案。电路计算模型与水路钳制均衡方法相结合，避免了反复建模与复杂的电场数值计算，能够在满足设计需求的同时，大大节约设计成本与时间。
图8 简化后的完整阀塔模型
分析了阀支架交直流绝缘型式试验下造成串联支撑绝缘子电压分配不均的原因，建立了电路计算模型，提出了串联绝缘子金具与冷却水路等电位联结的电压均衡方法，计算分析了水管长度、等电位联结的水管数量及等电位连接位置对串联支撑绝缘子电压分配的影响规律，并结合工程设计要求，确定了串联支撑绝缘子的电压分配均衡方案，得到以下结论：
1）提出一种水路钳制的均压方案，明确寄生电容是导致电压分配不均的直接原因，利用水路的电阻特性实现电压均衡的目的；相比额外增加分压器、均压环等装置，水路钳制更适合改善柔性直流阀串联支撑绝缘子电压分配不均。
2）建立了电路计算模型，通过与电准静态场计算结果对比，验证了电路计算模型的正确性。在此基础上，计算分析了水管长度、等电位联结的水管数量、支撑绝缘子的数量和高度及等电位联结位置对串联支撑绝缘子电压分配的影响规律，并结合工程设计要求，确定了串联支撑绝缘子的电压分配均衡方案。当整体模型结构保持不变，仅通过水路钳制进行优化时，采用电路计算的方法具有显著的高效性。
3）交直流耐压试验下的电压分配均衡结果与水路参数息息相关，在本文的工程设计对象下，能够寻找到合适的钳制点范围；并且同时进行钳制的水路数量越多，水路的钳制效果越好；蛇形主水管顶端的高电位钳制点下移后，满足工程设计需求的钳制点可选范围更大；在满足应力要求和耐压要求的基础上，减少绝缘子数量和降低绝缘子高度，能够在节约工程成本的同时改善钳制效果。