摘要：换流变阀侧直流套管是直流输电系统中换流变压器的关键组部件之一，对高压直流输电系统的安全运行起着重要的作用。本文简要阐述了目前国内外换流变压器用阀侧直流套管的发展现状，按套管主绝缘，外绝缘和辅助绝缘材料的不同将阀侧直流套管进行了分类，并对各类型套管的优缺点进行了简要分析，同时介绍了目前换流变阀侧直流套管的主要研究内容。
关键词：环氧树脂浸纸式；直流套管；套管类型；
一、目前换流变阀侧直流套管的发展现状
目前我国自主生产直流套管的能力较弱，国内直流输变电线路数量日趋增长，只有国外ABB、西门子等公司拥有直流套管的制造技术，且产量有限，我国运行中的直流套管几乎被国外公司所垄断，给国内直流输电技术创新工作增加了很大难度。因此，加快高压直流套管关键技术研究，解决高压直流套管制约我国直流输电发展的瓶颈问题，为解决高端电力设备“空心化”问题，提升我国电力设备制造企业的制造水平和与国内外产品的竞争能力做出贡献，社会效益和经济效益的意义重大。
二、目前国际上换流变使用的主要阀侧直流套管类型
目前国内外换流变使用的阀侧直流套管的主绝缘主要为干式，其由接线座、头部盖板、复合外套、芯子、法兰、尾部接线端子等几个主要部分组成，整体结构见图1。
图1 阀侧直流套管主要结构
2.1环氧树脂浸纸电容式直流套管（无硅橡胶复合外套）
主绝缘为环氧树脂浸纸式电容芯体，空气端外绝缘防污伞裙在主绝缘上车削而成，外表面喷涂绝缘漆，套管中心穿载流导管，通常在安装法兰处设有穿过阀厅用穿墙接地筒。该种套管广泛应用于我国±120kV，±186kV等电压等级的直流背靠背项目工程，用于连接交流电网。目前的国内背靠背联网项目全部使用此种直流套管。
套管主要优点如下：
（1）结构简单，重量轻；
（2）制造工艺简单，尺寸紧凑，免维护；
（3）无变压器油，抗震性能好，局放小；
（4）产品防爆，可任意角度安装，防火，可靠性高等。
该类型套管缺点：
（1）受外绝缘类型影响应用的电压等级较低，通常不超过±200kV；
（2）只能在户内使用，不能在户外运行。
2.2硅橡胶复合外套+填充固体绝缘+环氧树脂浸纸电容式直流套管
该类型套管主绝缘为环氧树脂浸纸电容芯体，外绝缘为硅橡胶复合外套（硅橡胶+环氧树脂浸渍玻璃丝缠绕筒），电容芯体与外绝缘之间填充固体绝缘（聚氨酯弹性体+气体，气体可为N2或SF6），中心穿载流导管。该类型产品交直流工程变压器均可以使用。适用于直流电压等级±200kV、±250kV的套管，用于交流套管电压可达到550kV。套管优点如下：
（1）免维护，无变压器油；
（2）抗震性能好，局放小，产品防爆；
（3）可任意角度安装，防火，可靠性高；
（4）与直接车伞的干式套管相比电压等级可做的更高。
该类型套管缺点：
（1）辅助绝缘填充技术难度大，国内无成熟技术；
（2）目前使用的套管直流电压等级不超过±500kV。
2.3硅橡胶复合外套+SF6+环氧树脂浸纸电容式直流套管
该类型套管主绝缘为环氧树脂浸纸电容芯体，外绝缘为硅橡胶复合外套（硅橡胶+环氧树脂浸渍玻璃丝缠绕筒），电容芯体与外绝缘之间填充一定压力的SF6气体，套管中心穿载流导管。目前适用于直流电压等级最高的产品，在我国±800kV、±1100kV直流输工程换流变上使用比例超过50%。该类型套管优点如下：
（1）无变压器油，抗震性能好；
（2）无局放，产品防爆，可任意角度安装；
（3）防火，可靠性高，套管密封好；
（4）有效隔离换流变与阀厅，可以避免因事故导致变压器油进入阀厅；
（5）电压等级可做到±1100kV。
该类型套管缺点：
（6）运行中存在SF6泄露的风险，需要定期检测SF6气体压力；
（7）制造技术复杂。
三、换流变阀侧干式直流套管的主要研究内容
换流变阀侧直流套管的电气绝缘结构类型较多，且各种介质特性复杂，影响因素也较多，涉及到电、热、力、化学等相关问题。由于直流输电工程目前向无油化的方向发展，环氧树脂浸纸干式套管将逐步取代油浸纸式套管。环氧树脂浸纸干式换流变阀侧直流套管是一个世界性难题，它涉及绝缘材料配合、界面处理、树脂浸渍、密封结构、载流结构问题，以及套管的电场、热场均匀化处理、局部放电量控制和与出线装置的结缘配合等关键技术问题，具体可归纳为以下几个方面：
3.1直流套管的交流场、直流场、暂态场的仿真计算
交流电压下的电场分布取决于套管的内、外绝缘结构和介质的相对介电常数。当套管的结构一定时，电场按介质的相对介电常数分布直流电压下的电场分布与交流不同，其分布取决于套管的内，外绝缘结构和介质的电阻率。当套管的结构一定时，电场按介质的电阻率分配。由于施加交流电压时，套管中各种介质的相对介电常数只差1～3倍，而施加直流电压时，套管中各种介质的电阻率相差10～100倍，并且介质的电阻率随温度变化。因此，当绝缘结构设计不合理时，其电场畸变相对交流严重，直流套管电压分布图见图1。
图1 直流套管电压分布图
在研究直流套管的电场分布时，绝缘材料的电阻率不是常数，是温度的函数。温度的变化将引起绝缘材料的电阻率的变化，电阻率的
变化又会导致电场变化，而电场变化又会影响套管热场的分布，从而导致温度场的变化。因此，在高压直流套管中存在着电场和温度场相互作用的问题。
3.2直流套管所用的绝缘材料介电性能和电，热老化性能分析评估技术
直流套管所用绝缘材料的电阻率受温度、湿度、杂质含量等因素的影响，严重影响其直流电场的分布，因此直流套管的绝缘材料比交流套管要求更加严苛，需要对其材料特性进行大量的研究，如直流套管用环氧树脂配方体系的研究，对其固化物的机械性能、电气性能、耐热性能、耐老化性能等方面的研究。
3.3直流套管的内、外绝缘结构优化设计
直流套管的油中均压屏蔽结构、出现装置油隙分隔设计、载流结构设计、温度场控制及成型件配置优化技术直流套管的结构与交流套管有很多的区别，交流套管只需要考虑交流工频电压和雷电冲击的影响；直流套管不仅考虑交流工频电压和雷电冲击的影响，还要考虑直流长时耐受电压、极性反转耐受电压、长时工频耐受电压和阀侧环境温度等因素的影响。在产品设计中必须考虑出线绝缘装置的结构和试验装置内变压器油颗粒度的影响，同时要考虑系统高次谐波对直流套管载流性能及温度场的影响，并结合多种因素进行优化设计，才能确定直流套管和出线绝缘的结构。
3.4直流套管的卷制工艺、真空浸渗技术、固化工艺的研究
高压直流干式套管目前只有国外两家公司拥有成熟的制造技术，其制造难度较大。对于芯体卷制、干燥、绝缘浸渍及固化等工艺来说难度较大；而随着套管电压等级的提高，需要研究大尺寸电容芯子的卷制工艺及卷制设备；浸渍工艺涉和浸渍材料的研究及相关工艺的改进研究；要解决研究大体积树脂集中固化放热影响固化物性能等一系列问题。
结束语
综上所述，鉴于国内外超/特高压直流套管的研制状况，针对我国直流输电的飞速发展和直流装备的重大需求，分析我们在超/特高压关键技术和设备方面的研究开发基础，采用仿真计算和结构优化设计等手段进行套管样机的试制，并逐步提高直流套管的电压等级。环氧树脂浸纸式直流套管的研制是一个世界性难题，因此在样品试制的技术、工艺和试验等方面都具有挑战性和创新性。
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论文作者:洪波,王慧民,朴光智,孔垚
论文发表刊物:《电力设备》2018年第20期
论文发表时间:2018/11/11
标签：套管论文; 电压论文; 环氧树脂论文; 电场论文; 电阻率论文; 结构论文; 类型论文; 《电力设备》2018年第20期论文;