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500 kV线路限流电抗器保护用电容器装置的研制
摘要：针对变电站出现系统故障时，与之相连的线路断路器的瞬态恢复电压（TRV）陡度会瞬间提高，影响断路器的正常开断。为了解决这一问题，本文设计了一种在500 kV线路上对限流电抗器起抑制谐波、限制合闸涌流等作用的保护电容器装置（简称“电容器装置”）。首先，对电容器装置的工作原理及设计方案进行说明；其次，开展了静力强度、抗震性能和电场仿真计算，仿真结果表明均满足设计要求；最后，该装置一次性成功通过全套型式试验项目，满足相关标准及技术条件要求。
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近年来，随着国内电力行业的高速发展和电力电子器件的大量使用，使得电网中非线性负荷越来越多，这些非线性负荷带来大量不利于电网正常运行的各种谐波，尽可能地消除或减少谐波的危害成为亟待解决的突出问题[1-2]。
因出于对抑制谐波、限制合闸涌流和滤除谐波等因素的考虑，需要在某些220 kV或500 kV线路装设限流电抗器。在变电站某些特殊的运行方式下，若出现系统故障时，与之相连的线路断路器的瞬态恢复电压（TRV）陡度会瞬间提高，大大超过断路器标准中瞬态回复电压陡度规定值，从而可能影响断路器的正常开断。为了降低系统故障时线路断路器的TRV陡度，有利于线路断路器开断，需在限流电抗器两端并联连接电容器装置。笔者描述的就是一种在500 kV线路上对限流电抗器起抑制谐波、限制合闸涌流等作用的保护电容器装置[3-4]（以下简称“电容器装置”）。
1、限流电抗器用电容器装置的工作原理
在变电站或开关站的电路图中可以看出，电容器装置并联连接在线路中限流电抗器的两端，若变电站在进行某些特殊的操作或者系统故障时，线路中断路器的TRV陡度会瞬间提高，大大超过断路器瞬态恢复电压陡度的规定值，从而可能影响断路器的正常开断。若在限流电抗器的两端并接电容器装置，可降低特殊操作或故障时线路断路器的TRV陡度，有利于线路断路器开断，同时电容器装置自身还具有对限流电抗器起抑制谐波、限制合闸涌流等作用[5-6]。
电容器装置在500 kV系统线路中的具体接线图见图1。
图1 限流电抗器的电容器装置接线图
2、电容器装置的参数要求
在限流电抗器两端并联的电容器装置，其额定电压、过负荷能力、绝缘水平应与限流电抗器保持一致。依托相关的工程项目作为支撑，选用某一个限流电抗器项目上的技术参数作为依据，结合耦合电容器、电容式电压互感器的制作经验及工程实例研制一种500 kV限流电抗器的电容器装置，用于限制瞬态恢复电压。选用的电容器装置应并联在限流电抗器的两端，保证一次进线端及线路返回端均满足500 kV设备的外绝缘要求，考虑到瞬间合闸的过电压状况，该项目不设置中间接地点，但需保证550 kV的外绝缘要求，故要求配备满足电压、爬电距离、机械特性的550 kV支柱绝缘子[7-8]。
根据上述要求，结合耦合电容器的相关标准及制造经验，将保护电容器装置的型号确定为。该装置由电容器单元通过串并联方式进行叠装，并与支柱绝缘子装配在一起组成[9-13]。
电容器装置的基本参数见表1。
表1 电容器装置参数
最终确定产品的设计方案为：保护电容器装置由9节电容器单元（3串3并）、18节支柱绝缘子单元（3串6并）、均压环、降噪装置、安装板及基座组成。电容器装置见图2，电容器单元见图3。
图2 电容器装置
图3 电容器单元
3、机械强度计算
为确保电容器装置满足需求，并尽可能地降低开发成本，减少开发周期，按照方案绘制三维模型图，采用MSC.NASTRAN软件进行机械强度验算和耐地震性能动态计算分析[14]。
3.1 材料参数的选择
在建模过程中，电容器装置中的电容器单元套管和支柱绝缘子的材料采用高压电瓷材料，其质量密度采用等效值法，以保证模型与实际结构质量相等。电容器装置中的法兰、均压环的材料设置为铝，安装板的材料设置为铝合金。仿真模型所需材料参数见表2[15]。
表2 仿真模型所需材料参数
3.2 固有特性计算
对电容器装置的模态进行计算。其前十阶模态的固有频率和振型特征描述列见表3，典型振型图见图4。从模态计算结果可以看出，电容器装置结构的基频较低，且模态密集，15 Hz内有10阶模态。前十阶模态中包含9个整体弯曲模态和1个扭转模态。前十阶模态的固有频率在强震频段（2～15 Hz）之内。
表3 电容器装置的固有频率
图4 电容器装置的典型振型图
3.3 静力计算
设备承受的静力一般可分为产品自身重力、顶部端子拉力和风荷载3种，其中电网对500 kV一次设备的静态端子拉力（水平纵向、水平横向、垂直）要求为至少不小于3 000 N。
常规风荷载计算时的风速按照100年一遇的最大风速42 m/s(10 m高处，10 min）计算，基本风压值w0公式为[16-19]
作用在建筑物表面上的风荷载标准值wk公式为
式中：βz为高度Z处的风振系数；μs为风荷载体型系数；μz为风压高度变化系数。以上参数的选取参考《建筑结构荷载规范》[20]。
3.3.1 校核方法
电容器装置的瓷件所用的材料是高强度高压电瓷，属于脆性材料，采用最大拉应力理论来校核其强度，而其他韧性材料则采用Von Mises准则校核。
最大拉应力理论：在复杂应力状态下，材料的极限状态取决于所受的最大拉应力，此强度理论适用于校核脆性材料的脆性断裂，其强度条件可表示为
式中：为最大主应力；[σ]拉为容许拉应力。
Von Mises准则：在复合应力状态下，材料单位体积内储存的应变能等于单向拉伸下使材料屈服的单位体积应变能时，材料发生破坏，其强度条件可表示为
式中：；[σ]拉为容许拉应力；n为设定的安全系数。
3.3.2 静力强度计算
电容器装置承受组合载荷（重力+风载荷+端子拉力）的静力计算结果见表4。表中所列为电容器装置的主要部件，套管应力为电容器单元的瓷套应力，底部法兰为电容器单元的下法兰，上部法兰为电容器单元的上法兰。
表4 组合载荷下的静力计算结果
电容器装置在组合载荷下，电容器单元的套管应力最大值出现在最下节套管的底部；支柱绝缘子的应力最大值出现在最上节绝缘子的顶部，承受应力最大值7.73 MPa，其材料的强度极限为50 MPa，该最大值小于材料的允许拉应力值，安全系数为6.47。支撑板承受应力最大值56.1 MPa，其材料的强度极限为500 MPa，该最大值小于材料的允许拉应力值，安全系数为10.3。安全系数均大于2.50（静力作用安全系数），静力强度符合要求。
4、抗震性能计算
按照《特高压瓷绝缘电气设备抗震设计及减震装置安装与维护技术规程》（Q/GDW11132—2013）的要求，设备应直接安装在地坑或地面运行，采用地震波时程激励进行校核。本次时程分析，采用地震波的最大加速度，水平方向为0.35 g，垂直方向为0.28 g，其样本时间历程如图5所示。另外，在计算中也考虑了重力、顶部端子拉力和25%的风载荷的作用[16-20]。
图5 激励时程波（峰值加速度为1.0 g，根据抗震水平等级等比例放大波形）
按照《电力设施抗震设计规范（GB 50260—2013）》，不考虑底部支座的具体结构，在计算结果中要求引入动力放大系数1.4。电容器装置的应力计算结果见表5。
表5 组合载荷下的动态计算结果
电容器装置在组合载荷下，电容器单元的套管应力最大值出现在最下节套管的底部；支柱绝缘子的应力最大值出现在最上节绝缘子的顶部，承受折合应力最大值27.7 MPa，其材料的强度极限为50 MPa，该最大值小于材料的允许拉应力值，安全系数为1.81。支撑板承受折合应力最大值214 MPa，其材料的强度极限为500 MPa，该最大值小于材料的允许拉应力值，安全系数为2.34。安全系数均大于1.67（规范中动荷载作用下的安全系数），结构满足《电力设施抗震设计规范（GB 50260—2013）》规定的0.2 g抗震等级强度要求。
5、电场计算
对电容器装置构造有限元模型并采用ANSYS软件进行电场分析，计算出电容器装置整体和各部件的表面电场情况[21-23]。
5.1 计算方法
仿真计算主要针对两种情况下的电场分布。一是从整体布局出发，以模型对整个装置进行覆盖性电场核算，计算电场分布；二是从局部结构出发，对保护电容器装置中的各个部件的电场情况进行计算。
电晕起始场强Ec根据电极形状的不同而有所差异，一般常见的电极有柱状电极，如高压管母；以及球状电极，如管母的封端盖。因此，电晕起始场强Ec可以根据比克（F.W.Peek）提出的不同电极结构的Ec经验公式来计算[24-27]。
1）柱形导体
电极表面电晕起始场强Ec（峰值）公式为
式中：m为表面粗糙系数，对于全面电晕m=0.82，对于局部电晕m=0.72，光滑表面m=1;δ为空气的相对密度，0海拔处近似取为1;r为柱形电极半径。
电容器装置中，均压环半径为10 cm，表面粗糙系数m取1，可以得到均压环表面的电晕起始电场强度Ec有效值为23.4 kV/cm。金具半径为25 cm，表面粗糙系数也为1，金具电晕起始电场强度有效值为22.7 kV/cm。
因此，为使电容器装置不出现明显的电晕放电，其电场强度需小于电晕起始电场强度。为了留有一定的设计裕度，要求将金具和均压环等结构表面的最大电场强度控制上限值提高到在15 kV/cm以内。
2）海拔对电晕起始电场的影响
δ为相对空气密度，在零海拔下δ为1，均压环与金具表面电晕起始电场分别为23.4 kV/cm与22.7 kV/cm。当海拔为1 000 m时，δ为0.903，电晕起始电场分别降低为21.2 kV/cm与20.6 kV/cm，当海拔为4 000 m时，δ为0.653，电晕起始电场分别降低为15.7 kV/cm与15.1 kV/cm，详见表6。通过对电容器装置各部件的电极形状进行近似处理后，通过经验公式计算出电晕起始场强。
表6 海拔与空气密度关系
5.2 电场计算结果
电容器装置所有金属导体表面的电场仿真结果见图6，施加电压单位为kV，建模尺寸单位为mm，故电场强度单位为kV/mm。整个结构的最大电场强度位于下均压环的下表面附近，如图中红色圆形标记处，最大值为0.955 kV/mm，即9.55 kV/cm。
从距地1.5 m处，电容器装置的整体电场强度分布可知，电场强度最高出现在金具的表面附近，约为0.09 kV/mm，即0.9 kV/cm。在以装置为中心的广大范围区域内电场强度在0.03～0.04 kV/mm之间，即0.3～0.4 kV/cm。电容器装置的电场仿真结果见图7。
图6 电容器装置的电场仿真结果
图7 距地1.5 m处电容器装置电场分布仿真结果
由电场计算结果表7可以看出，电容器装置的最大电场强度为9.55 kV/cm，位于下均压环的下表面附近，小于海拔4 000 m下的均压环柱形电极的电晕起始场强值15.7 kV/cm。电容器装置的其他部位的电场强度均远小于各自的电晕起始场强值，因此电容器装置的电场强度符合要求，不会产生电晕。
表7 电容器装置的电场计算结果
依照设计思路、机械强度仿真及电场计算的结果，将方案优化后投入制作一台样机，一次性通过全套型式试验项目，所以有指标均满足相关标准及技术条件要求。
6、结语
1）文章设计了电容器装置的基本结构，搭建了三维模型，通过组合载荷（自身重力、风荷载和顶部端子拉力）的静力强度计算，结果显示静态安全系数均大于2.50。
2）通过加入地震波的组合载荷下的抗震性能计算，结果显示其动态安全系数均大于1.67，且满足《电力设施抗震设计规范（GB 50260—2013）》规定的0.2 g抗震等级强度要求。
3）采用有限元模型的电场仿真分析可知该电容器装置的最大电场强度为9.55 kV/cm，符合电晕起始场强不超过15.7 kV/cm的要求，不会产生电晕。
4）根据仿真结果优化后的样机一次性通过全套型式试验项目，并满足相关标准及技术条件要求。
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文章来源:杨硕亮,赵莹,杨茜,等.500 kV线路限流电抗器保护用电容器装置的研制[J].电力电容器与无功补偿,2024,45(05):8-15.
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