应用快速多极子曲面边界元法的换流阀塔电场计算

直流换流阀塔电场的精确快速计算对于阀塔设计具有重要指导意义,但是阀塔结构复杂,规模巨大,多种介质混合存在,数值求解存在较大困难。针对该问题,提出多介质多极子曲面边界元法。以静电场多介质边界积分方程为基础,解决多介质共存问题。提出多介质情况下多极子的展开形式,利用改进的多极子方法加速基于坐标变换的曲面边界元,提高计算精度,降低计算代价。通过带有均压环的绝缘子模型,与不同方法比较验证算法的计算准确度和效率。使用实际换流阀塔模型研究绝缘子对金具表面电场的影响以及绝缘子内部电位和电场的分布情况。最后应用该算法分析±160kV换流阀单桥臂的电场。本文方法适合于分析多介质共存的大规模电场问题,是直流换流阀塔优化设计的有效工具。     

柔性直流输电换流阀阀塔电场分布与结构设计研究

为研究高压柔性直流输电换流阀阀塔不同结构设计时表面电场分布情况,采用有限元ANSYS对换流阀阀塔静电场进行仿真计算。首先分析了顶部均压环在不同管径下的电场分布情况,各管径下顶部均压环电场分布近似,顶部均压环拐角内侧可不添加小型均压环。然后研究了板状屏蔽罩与管状屏蔽罩的电场分布,两种屏蔽系统下对阀塔均有良好的屏蔽能力,板状屏蔽系统略好于管状屏蔽系统。最后分析了阀塔底部法兰电场分布,该分布主要集中在其相连接斜拉绝缘子鼓包处。该研究为后续高压柔性直流输电换流阀阀塔设计提供了准确的设计思路及详细的参考方向。     

典型特高压换流阀塔屏蔽装置电场仿真及对比分析

为研究实际阀厅布置中特高压换流阀塔屏蔽装置的电场分布规律,分析了某±800 k V直流输电工程不同阀厅中所用3种典型换流阀塔的结构特点,利用ANSYS仿真软件建立了各种阀塔的电场计算有限元等效模型,同时为考虑实际运行时阀厅内各设备间的相互影响,建立了3种换流阀塔各自所在阀厅的整体模型作为求解区域,计算了额定工况下阀厅内6组换流阀塔1个周期内的电位、电场分布,并对比了3种典型阀塔屏蔽装置的电场分布特点。研究结果表明3种换流阀塔的屏蔽装置在额定工况下表面电场强度最大值分别为1 599、1 007、1 515V/mm,均满足小于2 000 V/mm的控制场强要求;阀层弯边式分体屏蔽装置电场分布的均匀性优于阀层整体屏蔽型与单片式分体屏蔽型。     

应用混合权函数边界元法的特高压换流阀屏蔽罩表面电场计算

直流换流站阀塔结构复杂、体积庞大,三维电场的快速、准确计算对阀塔屏蔽罩设计与表面场强控制具有重要的指导作用。为此,建立混合权函数边界元法,在离散边界积分方程时,采用伽辽金匹配和点匹配相结合的方式,利用伽辽金匹配精度高和点匹配速度快的优势,实现精度和速度的较理想的结合。针对自主研发的A5000型、±800 kV换流阀,计算其在直流耐压工况下的表面电场分布,结果表明：基于当前设计方案,屏蔽罩表面最大场强为16 kV/cm左右,以20 kV/cm 作为起晕场强判据,屏蔽罩无起晕现象,该数据为换流站阀塔屏蔽罩的设计规划提供了参考依据。同时,通过和伽辽金边界元计算结果的对比,进一步验证了所提算法的有效性。     

柔性直流换流阀厅全模型电场多极子边界元分析

柔性直流换流阀厅内设备众多、结构复杂、多种介质共存且环境封闭,造成阀厅全模型电场强度数值计算建模难度大、计算规模大、采用传统方法计算效率低。对称多极子曲面边界元法计算速度快、内存占用少,适合于求解大规模问题。分别对2种不同结构的±160 kV柔性直流换流阀厅建模,应用对称多极子曲面边界元法计算阀厅全模型电场,计算中节点达到133万个。综合分析了阀塔屏蔽系统结构、桥臂电气连接方式以及阀厅布置方式对金具表面电场影响规律;掌握了阀厅空间内电场分布规律,为设备布置提供参考。所提方法为全面掌握柔性直流换流阀厅内电场分布提供有效手段,对设计过程中设备的绝缘配合具有重要意义。     

针对换流阀屏蔽系统表面电场的多极子边界元算法研究

换流阀屏蔽系统尺寸大,几何形状不规则,电磁场数值分析建模难度大,常规算法耗费计算资源大,效率低。为解决这一问题,利用多极子方法加速间接边界元法,使用不同的加权余量方法,分别形成了配点多极子边界元和伽辽金多极子边界元方法。为进一步提高计算效率,提出一种基于直接积分计算得到的系数矩阵的预处理方法。通过与有限元对比发现:两种多极子方法的计算精度满足工程计算要求,伽辽金多极子边界元计算精度更高。通过与传统边界元对比验证了算法在计算消耗方面的高效性;并分析了树结构分层数对计算精度、时间和存储量的影响。对±160 k V换流阀屏蔽系统电场进行了初步分析。该文的多极子边界元法的计算速度快、资源占用少,为分析大规模问题提供参考。     

柔性高压直流输电系统换流阀塔交流电场仿真计算

为提高柔性高压直流换流阀塔绝缘设计的可靠性,采用Solid Works软件建立了换流阀塔3维模型,并基于ANSYS软件对阀塔金具表面电场强度进行了仿真计算。基于电流场对阀塔内水路进行分析,将计算得到的水路表面电位作为静电场区域的第1类边界条件,进而对全场域进行求解,从而解决电流场和静电场的耦合问题。分别计算了有、无水路时的阀塔电场分布。结果表明,在进行阀塔交流耐压试验时,水路对阀塔电场分布的影响较大;与无水路模型相比,有水路时阀塔表面的最大电场强度以及其出现位置均发生了变化。因此在进行电场仿真计算时,需要考虑水路的影响。     

应用伽辽金边界元法的直流换流站屏蔽罩表面场强计算

直流换流站阀塔的三维电场计算对阀塔屏蔽罩设计与表面场强控制具有重要的指导作用;但由于阀塔屏蔽罩体积庞大、结构复杂,其几何建模与数值仿真都存在相当的难度。为节省计算资源,首先应用ANSYS参数化设计语言(APDL)建立阀塔的整体剖分模型,然后采用伽辽金曲面间接边界元法对屏蔽罩表面场强进行分析,计算阀塔屏蔽罩表面的三维电场分布。计算结果表明:在当前设计方案下,屏蔽罩表面最大场强为20.2 kV/cm,以30 kV/cm作为起晕场强判据,屏蔽罩无起晕现象。该数据为换流站阀塔屏蔽罩的设计规划提供了参考依据。     

高压直流换流阀用绝缘子表面电场计算及均压环设计

换流阀是高压直流换流站的核心装备,高电位区导体及绝缘子表面电场计算是实现小安全裕度下换流阀绝缘优化设计的关键。将换流阀内典型结构,如绝缘子、晶闸管等,简化为二维模型,在二维场中直接进行电场计算,可实现电场的准确快速计算。通过对二维、三维算例进行电场计算,证实了边界电场约束方程计算电场的精度在二维场中高于ANSYS的计算精度。因此在二维轴对称场中应用该方法对某换流阀绝缘子进行了表面电场计算及均压环设计,使绝缘子金具表面电场由7.55 kV/mm降为2.87 kV/mm,绝缘子表面电场由1.93 kV/mm降为0.9 kV/mm。最后,应用ANSYS软件在三维复杂模型中对均压环尺寸进行校验计算。文中工作为直流换流阀用绝缘子表面电场计算及均压环优化设计提供了一种可靠、实用的计算方法。     

特高压交流复合绝缘子电位和均压环表面电场分布计算

针对特高压交流线路复合绝缘子电位、电场分布数值分析存在开域边界、几何结构复杂和媒质种类多、计算量大等问题,通过等效有限元法将有限元求解区域与边界元求解区域的交界面条件耦合,实现了有限元—边界元耦合算法(FEM-BEM)。将三维FEM-BEM和子域逼近有限元算法用于计算特高压交流线路典型酒杯塔,复合绝缘子双I串的沿轴线电位分布,均压环表面电场分布。研究表明:三维FEM-BEM耦合算法能有效计算复合绝缘子沿轴线的电位分布,子域逼近有限元法能对所关心区域进行细密剖分,可有效分析均压环表面电场分布;复合绝缘子沿轴线承担最大电压单元(一大一中两小伞及芯棒)为第3单元,承担电压为7.58%,均压环典型路径上的电场强度最大值为13.39kV/cm;将三维FEM-BEM耦合算法与子域逼近有限元法相结合,为准确求解复杂几何模型和多种媒质共存的开域静电场问题提供了一条途径。