基于低电导温度系数环氧复合材料的直流套管均压装置

本发明属于高压直流套管技术领域，尤其是一种基于低电导温度系数环氧复合材料的直流套管均压装置。

背景技术：

高压直流套管作为换流站的关键设备，其安全可靠运行直接关系到直流输电系统的稳定性。然而，在实际运行过程中，套管电容芯子承受电热耦合的综合作用，成为其失效的主要原因。

直流套管通常采用交流套管的设计方式，即等电容、等台阶的设计方法，这种方法可以使电容芯子内部的轴向和径向场强均匀分布。可是，在额定工况下，载流导体的焦耳热与介质损耗在电容芯子内部形成温度梯度。在这种温度梯度下，使均一的电导率分布变为径向降低的电导率分布，其电导率梯度往往高达到几个数量级。这种情况下，使用纯环氧树脂材料的电容芯子，导致电场沿径向递增，其径向最大场强高达9.3kv/mm，高于设计场强8kv/mm，极易引起放电发生。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种基于低电导温度系数环氧复合材料的直流套管均压装置，解决高压直流套管由温度梯度引起的电场畸变问题。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种基于低电导温度系数环氧复合材料的直流套管均压装置，包括套管、套管电容芯子、金属法兰、载流导体和外导体，所述载流导体安装在套管中央，外导体同轴安装在载流导体的外部，在载流导体与外导体之间设有热绝缘气隙，在外导体周围使用环氧电容芯子绕包；在环氧电容芯子内部绕包多层同轴均压铝箔，所述套管电容芯子采用环氧树脂/氧化石墨烯纳米复合绝缘材料，该套管电容芯子设置在外导体与金属法兰之间位于套管内部，在套管电容芯子与套管之间填充有sf6绝缘气体；所述金属法兰安装在套管下端及套管电容芯子外部，该金属法兰作为固定装置将套管与换流变压器油箱固定在一起，套管电容芯子下端浸入变压器油中。

进一步，所述套管上端、下端均安装有均压环，在套管上端内部安装有内均压环，所述载流导体安装在套管中央且两端与均压环固定在一起。

进一步，所述该载流导体为中空结构。

进一步，所述均压铝箔为15层，其中，最外层连接金属法兰。

进一步，所述均压铝箔为等电容、等台阶结构。

进一步，所述套管的外伞裙为硅橡胶复合绝缘材料。

进一步，所述套管电容芯子的下端为呈阶梯层状结构。

本发明的优点和积极效果是：

1、本发明设计合理，其将高压直流套管中的环氧树脂更换为低电导温度系数环氧树脂复合材料后，通过电容芯子内部电场得到显著的均匀化，最大径向、轴向电场强度得到了有效的降低，控制在设计场强以内，并且通过电热耦合仿真验证了低电导温度系数环氧树脂复合材料有效地削弱了电场畸变的效果。

2、本发明在套管上端、下端及内部安装有内均压环，可以有效地防止异常放电，保证了换流变压器的正常稳定工作。

附图说明

图1为本发明高压直流套管均压装置的结构图；

图2为图1中a部放大结构图；

图3为使用本装置的换流变压器阀侧套管在额定工况下时间-电压波形图；

图4为使用不同绝缘材料的套管电容芯子电场分布图，图中，(a)为恒定电导率；(b)为环氧树脂材料；(c)为ep/go-0.05；(d)为ep/go-0.1&0.5；(ep/go-后面数字为填料的重量含量wt％)

图5为使用不同绝缘材料的套管电容芯子径向电场分布图；

图6为使用不同绝缘材料的套管电容芯子轴向电场分布图；

图中，1-均压环，2-套管，3-内均压环，4-套管电容芯子，5-均压铝箔，6-金属法兰，7-变压器油，8-空气，9-载流导体，10-sf6气体，11-空气隙，12-外导体。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步详述。

一种基于低电导温度系数环氧复合材料的直流套管均压装置，如图1及图2所示，包括套管2、套管电容芯子4、金属法兰6、载流导体9、外导体12。套管外部为外伞裙，在套管上端、下端均安装有均压环1，在套管上端内部安装有内均压环3，均压环可以用来防止异常放电。所述载流导体安装在套管中央且两端与均压环固定在一起，载流导体为中空结构且中央为空气8，在载流导体周围使用环氧浸渍纸绕包。所述外导体同轴安装在载流导体的外部，在载流导体与外导体之间设有热绝缘气隙11，在外导体外部以等电容、等台阶方式绕包有均压铝箔5，其中最内层铝箔连接外导体，最外层铝箔通过金属法兰接地。所述套管电容芯子设置在均压铝箔及外导体外部且套管电容芯子上端位于在套管内部，在套管电容芯子与套管之间填充有sf6绝缘气体10。所述金属法兰安装在套管下端及电容芯子外部，该金属法兰作为固定装置将套管与换流变压器油箱固定在一起，换流变压器油箱内的套管电容芯子为呈阶梯层状并浸入变压器油7中。

在本发明中，外导体周围以环氧电容芯子绕包并绕包屏铝箔，作为主绝缘；电容芯子和套管之间的sf6绝缘气体，作为辅助绝缘；套管外伞裙采用硅橡胶复合绝缘材料，作为外绝缘。

在本实施例中，电容芯子采用环氧树脂/氧化石墨烯纳米复合绝缘材料作为绝缘材料。

下面通过电热耦合有限元仿真，验证本发明的应用效果。

使用±800kv的换流变压器阀侧套管进行仿真试验。该套管总长度为13500mm，载流导体的内径为40mm，外径为120mm。外导体的内径为130mm，外径为160mm。载流导体与外导体之间有一厚度为5mm的热绝缘气隙。电容芯子厚度为265mm。套管上部分和接地法兰位于阀厅，下端浸在变压器油中。为了避免电场畸变，在套管上、下端及内部均设置了均压环，以实现均压。为保证电容芯子内部场强分布均匀，设计了铝箔屏蔽，并且在缠绕过程中同轴嵌入电容芯子内。这些铝箔的半径和长度根据等电容等台阶方法设计并计算。考虑到计算时间和计算资源，仿真中的铝箔简化为15层。表1给出了材料的电热详细参数；表2给出了材料的热-流体详细参数；

表1套管电热仿真参数表

表2套管热-流仿真参数表

由于在实际运行工况下套管电容芯子的电导率对电场强度不敏感，将环氧树脂及环氧树脂/氧化石墨烯(ep/go)纳米复合绝缘材料简化为仅与温度相关的函数

其中，w表示活化能，kb表示玻尔兹曼系数，1.3807×10^-23j/k，t表示温度(k)。表3给出了环氧树脂/氧化石墨烯纳米复合绝缘材料的电导率函数，其中ep/go后面数字为填料的重量含量wt％；

表3ep/go纳米复合绝缘材料的温度与电导率函数表

上表中，ep/go为环氧树脂/氧化石墨烯纳米复合绝缘材料，ep/go-后数字代表添加含量，分别代表0.05wt％,.0.1wt％,0.5wt％.

建立±800kv换流变压器阀侧套管的有限元模型，使用表1、表2的数据对材料进行设置；

进行电场仿真设置：

载流导体和外导体设置为实际工作电压，波形图如图3所示；接地法兰设置为零电势；电容芯子内部的铝箔屏蔽层设置为悬浮电位；为了模拟实际状况，将套管外部空气域设置为无限元域。

进行热场仿真设置：

载流导体、外导体、电容芯子、法兰、外伞、均压环设置为固体传热；空气、sf6绝缘气体、变压器油设置为流体传热；套管与空气、变压器油接触部分设置为自然对流传热；套管内部sf6绝缘气体设置为层流模型；根据试验标准，空气和变压器油设置为等温域50℃，90℃。

进行热源设置：

其中，q1代表导杆发热，q2代表绝缘介质损耗。p0为焦耳热功率(w)，v为导体体积(m³)，ia为电流有效值4500(a)，β为趋肤效应系数，λ为导体电阻率(ω·m)，α为电阻率温度系数(1/k)，t为导体温度(k)，l为导体长度(m)，s为导体(m²)，γ是绝缘的导电率(s/m)，e是电场(v/m)。值得注意的是，由于电压交流成分所产生的损耗与总损耗相比较少，在这里可以忽略不记。

将所有条件设置完毕，进行几何域的剖分，对场集中位置进行细致剖分，对其他部分进行粗略剖分，以节省计算时间和计算资源；最后进行电热耦合仿真，获得电场仿真结果。

通过上述试验可以可出：

图4所示为使用不同绝缘材料下的套管电容芯子内部场强分布，为了比较分析也给出了恒定电导率下的电场分布。由图4可以看出，恒定电导率下电场分布较为均匀；使用纯环氧树脂的电场沿径向产生严重畸变；使用环氧树脂/氧化石墨烯纳米复合绝缘材料的电场变得更加均匀，随着填料含量的增加，均化电场的作用性越强，但添加重量含量达到0.1wt％效果趋于稳定。图5、图6为使用不同材料的电容芯子径向、轴向电场分布，所选择径向、轴向位置由图1给出。可以看出，使用纯环氧树脂的电场产生严重畸变，最大径向，上、下端轴向电场达到9.30,0.65和1.30kv/mm；使用ep/go-0.1&0.5的电场得到有效地电场均化，最大径向，上、下端轴向电场达到6.40，0.46和0.93kv/mm，分别降低了31％，29％和28％，有效地削弱了电场畸变。

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。