±1000kV直流穿墙套管的电场分布研究

摘要

特高压直流穿墙套管作为特高压直流输电系统的重要设备，在电力的经济传送、灵活分配和安全使用中具有关键的作用。然而高压套管也有双刃性的特点，如果它的绝缘性破坏，不但无法起到保护作用，还会对其他设备乃至其周围的电力运行起到破坏作用。目前我国已可制造整流变压器等高端设备，但是±800kV及以上等级（如±1000kV和±1100kV）的高压直流套管等其他高端设备仍大部分依赖于进口，究其原因是这些特高压直流高端设备存在着诸如局部放电、介电性能、耐热性能等难以解决的绝缘问题，使得特高压直流穿墙套管的绝缘优化设计一直是一个难题。
　　研究特高压直流穿墙套管的困难之一是空间电荷问题，在运行过程中套管会承受直流、交流、极性反转等多种激励条件，无论何种工况下，空间电荷的存在、转移、甚至是消失都会畸变绝缘介质内部的电场分布，极易导致材料的绝缘破坏甚至击穿。在直流电压下空间电荷更容易积累，特别是对于极性反转等特殊工况条件，空间电荷效应最为明显，空间电荷的积累会造成局部电场强度急剧增高，畸变的电场极易使绝缘结构发生破坏和击穿，严重威胁高压套管的安全稳定运行。因此，有必要对特高压直流穿墙套管在强电场环境下的电场分布和空间电荷效应展开深入研究。
　　探究解决高压直流穿墙套管的绝缘问题的办法，除了研制和分析新的绝缘材料之外，还有必要对套管进行电场分布分析，在此基础上再展开绝缘结构的优化。本文利用有限元电场分析软件对±1000kV直流穿墙套管的电场分布进行了研究。首先，以±1000kV特高压直流穿墙套管为研究对象，利用有限元分析软件ElecNet建立了考虑空间电荷分布的特高压穿墙套管的结构模型。然后，研究分析了直流稳态、交流稳态和极性反转瞬态过程中空间电荷与电场变化的内在关系，用空间电荷理论解释了不同工况下电场强度分布的变化。针对温度场对电场分布的影响，本文将温度梯度加载到特高压直流穿墙套管的电场计算模型中，分析了温度因素对套管内部电场强度分布的影响。此外，还将软件仿真电场分布和实测热场分布相结合，提出了一种间接测量电场分布特性的方法。基于对±1000kV直流穿墙套管电场分布的计算和分析，本文深入探究了改善套管电场分布的方法，对套管的绝缘系统设计与优化展开了研究。分别针对套管的电容芯子、均压环、内电极和应力锥这几个关键部位进行了结构分析和尺寸优化，为套管的设计研制提供了有价值的参考依据。
　　本文研究了特高压直流穿墙套管在不同工况下考虑空间电荷影响的电场分布，并对套管的绝缘系统进行了分析和优化。这对特高压直流高端设备的研制，以及特高压直流输电技术的发展，都具有重要的应用价值、经济价值和社会效益。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题背景与研究意义

1．2 国内外研究现状

1．3 本文的研究内容

第二章 高压套管的电场计算方法

2．1 绝缘结构电场的计算方法

2．2 套管型绝缘结构电场的特点

2．3 Infolytica有限元软件介绍

2．4 本章小结

第三章 空间电荷理论及计算

3．1 空间电荷的产生与演化机理

3．2 空间电荷的测量

3．3 空间电荷的计算

3．4 空间电荷与电场强度分布的关系

3．5 本章小结

第四章 基于ElecNet的空间电荷效应下电场分析

4．1 直流电压下的电场分布和空间电荷计算

4．2 交流电压下的电场分布和空间电荷计算

4．3 极性反转工况下的电场分析

4．4 温度场下的电场分析

4．5 电场分布的测量及有效实验平台的搭建方法

4．5．1 通过软件仿真电场和实测热场间接计算电场的分布特性

4．5．2 使用紫外测量仪间接测量电场分布

4．6 本章小结

第五章 绝缘系统设计与优化分析

5．1 绝缘材料的选取

5．2 电容芯子的设计计算

5．2．1 电容芯子设计优化原理

5．2．2 基于软件仿真的优化计算

5．3 其它绝缘结构的优化分析

5．3．1 均压环

5．3．2 内电极和应力锥

5．4 热计算

5．5 直流套管与交流套管的区别

5．6 本章小结

第六章 结论与展望

参考文献

致谢

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