±800kV柔性直流换流阀阀塔均压优化设计

柔性直流输电工程已迈入特高压时代,现有柔性直流换流阀(VSC阀)的均压屏蔽设计已无法满足特高压应用场合.为解决±800 kV VSC阀塔顶部均压管母表面电场强度过大的问题,文中首先利用PTC Creo与ANSYS联合建模技术完成复杂阀塔结构的三维建模与静电场有限元仿真,通过增加与顶部均压管母等电位连接的顶部屏蔽板,有效降低阀塔顶部均压管母及子模块的表面电场强度.然后,提取顶部屏蔽板增加前后的阀塔对地寄生电容参数,分析顶部屏蔽板对操作冲击下模块电压分布的影响.最后,研究阀塔不同均压部件间距对最大电场强度分布的影响,完成±800 kV VSC阀塔均压优化设计,并在阀塔样机上进行冲击电压试验.文中所提优化措施提升了VSC阀在特高压应用场景的安全运行能力,为VSC阀在特高压柔性直流输电工程的应用及设计提供借鉴.     

±800 kV柔性直流换流阀阀塔均压优化设计

柔性直流输电工程已迈入特高压时代,现有柔性直流换流阀(VSC阀)的均压屏蔽设计已无法满足特高压应用场合。为解决±800 kV VSC阀塔顶部均压管母表面电场强度过大的问题,文中首先利用PTC Creo与ANSYS联合建模技术完成复杂阀塔结构的三维建模与静电场有限元仿真,通过增加与顶部均压管母等电位连接的顶部屏蔽板,有效降低阀塔顶部均压管母及子模块的表面电场强度。然后,提取顶部屏蔽板增加前后的阀塔对地寄生电容参数,分析顶部屏蔽板对操作冲击下模块电压分布的影响。最后,研究阀塔不同均压部件间距对最大电场强度分布的影响,完成±800 kV VSC阀塔均压优化设计,并在阀塔样机上进行冲击电压试验。文中所提优化措施提升了VSC阀在特高压应用场景的安全运行能力,为VSC阀在特高压柔性直流输电工程的应用及设计提供借鉴。     

±1100kV特高压直流换流阀绝缘型式试验下的电场仿真及优化

为提高特高压直流换流阀塔绝缘可靠性、实现小安全裕度下换流阀绝缘的优化设计,以±1 100 k V直流换流阀作为研究对象,采用Solid Works及ANSYS混合建模技术,建立了换流阀塔的3维模型。对该模型进行单阀绝缘型式试验及多重阀直流耐压试验,得到其电场分布;并针对电场薄弱环节进行局部结构优化。研究结果表明:当选取2 700 k V/m作为换流阀厅内金具表面工作控制电场强度时,单阀绝缘型式试验中的屏蔽罩及横梁均存在电场薄弱环节,有可能产生电晕及放电现象;而多重阀直流耐压试验中不存在电场薄弱环节,不会产生电晕及放电现象。此外,增加横梁拐角、屏蔽罩侧边的倒角值以及在层间绝缘金具处添加均压环可以使得薄弱处电场强度低于控制值。     

±1100kV换流阀屏蔽罩结构改进及U50试验

±1 100 kV直流换流阀相对目前电压等级最高的±800 kV直流换流阀电压有较大提高,为了确保外绝缘设计的可靠性,对±1100kV换流阀屏蔽罩结构改进和换流阀外绝缘操作冲击电压放电特性进行了全面研究。首先通过改进屏蔽罩结构以实现屏蔽罩表面电场的合理分布,然后针对换流阀不同类型屏蔽罩分别制定外绝缘操作冲击电压试验方案,并设计了一种无晶闸管的操作冲击50%击穿电压(U_(50))试验阀塔,最后采用操作冲击U_(50)试验验证了换流阀外绝缘电气强度。结果表明,±1100kV换流阀屏蔽罩结构改进设计合理,阀塔对墙的最小空气净距达到5 m其外绝缘强度即可达到要求的绝缘水平,实际阀厅的空气净距有较大的安全裕度。     

直流输电换流阀系统表面电场分析与均压环设计

为避免直流输电换流阀塔结构放电,对阀塔结构设计了合适的均压环,该设计应用ANSYS软件建立换流阀屏蔽系统结构模型,采用伽辽金间接边界元方法分别对未加均压环的阀体结构与施加均压环的整体结构进行表面场强分析,具体分析了均压环的高度、位置、间距对阀箱体结构表面场强的影响,文中对不同的均压环设计方案进行比较,在满足一定约束条件下根据比较结果选择了合适方案,该方案下的均压环使阀箱体得到良好屏蔽且均压环无起晕现象。比较结果说明换流阀体结构外部均压环之间距离越大,阀箱体结构所对应的棱边中点场强越大,均压环的施加使阀箱体模型对应尖角部位表面场强大幅度减小且均压环高度越大,阀箱体尖角部位表面场强越小。     

HVDC换流阀屏蔽系统表面电场边界元与场域元耦合计算

绝缘子是直流输电换流阀塔的重要组成部分,针对绝缘子的分析对于换流阀塔的设计具有重要意义。文中考虑支柱绝缘子的换流阀屏蔽系统的表面电场分布,提出了基于积分方程的场域元与边界元耦合的计算方法。将场域元法与边界元法耦合,共同模拟考虑支柱绝缘子的换流阀屏蔽系统。通过与二维有限元算法的对比,验证了算法的正确性。建立不同情况下的换流阀屏蔽系统模型,采用耦合算法对其进行分析,得出了考虑绝缘子前后屏蔽系统的电场分布以及绝缘子内部的电场分布,提高了计算精度,拓展了传统边界元算法的应用范围。     

换流阀的通断对阀塔避雷器均压环表面电场的影响

为分析换流阀的通断对阀塔避雷器均压环的影响,采用静电场有限元数值方法,在阀厅整体模型中,对阀塔避雷器均压环表面的电场分布情况进行分析。首先基于12脉动整流电路的原理,分析了换流阀各阀组件在计算时的加载方式,然后结合仿真得到阀厅设备在额定功率和轻载运行时的电位波形。采用静电场瞬时加载法求解,得到各种运行工况下阀塔避雷器均压环场强分布云图和最大值分布规律。通过分析阀塔避雷器均压表面的最大场强与换流阀的导通截止状态发现,在当前设计方案及配置条件下,截止状态下的阀塔避雷器均压环最大场强较导通状态下偏高。这表明换流阀在截止时对周围均压环电场产生的影响较开通时影响更大,这为后续阀厅金具设计优化提供更切合实际、更为准确的计算思路,具有重要的指导意义。     

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。     

±800kV特高压直流受端分层接入方式下低端阀厅金具结构设计

特高压直流输电系统受端采用分层接入方式是我国未来电网亟待研究的课题,该方式下换流站阀厅内部金具表面电场计算及结构优化对换流站的整体设计具有重要的指导意义。为此建立±800k V特高压直流输电系统分层接入方式下的仿真模型,得出受端低端阀厅典型金具的电位分布;校核计算传统±800k V阀厅金具在分层接入电压激励下的表面电场分布,并以此为基础,提出一种适用于分层接入方式的±800k V阀厅金具设计方案,即电场分布较严酷的D侧B相避雷器均压环内侧倒角半径根据其最大场强值随倒角半径变化曲线增大至合适的数值,400k V出线均压环管径增大至90mm,其他部分保持不变。计算结果可为采用分层接入方式的特高压直流工程设计和建设提供数据支撑。     

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。     

基于有限元法的换流阀水路系统电场分析

在高压直流输电工程中,换流站阀塔内冷水系统会出现漏水故障,严重影响特高压直流输电的稳定性。针对该类漏水故障问题,从阀塔内冷水回路场强因素考虑,采用有限元仿真和实验的方法,搭建了仿真所需的阀塔内冷水回路三维模型和水路局部模型,根据阀塔运行条件对内冷水系统作了电场仿真分析,同时设计了验证实验进行探究。仿真结果表明,内冷水系统回路的冷却水管表面场强部分大于空气击穿场强,等电位线会影响冷却水管周围电场。实验证实在一定条件下等电位线与冷却水管间会有明显放电现象,研究内容为阀塔漏水事故原因分析提供了参考依据。     

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。     

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。     

超高压交流变电站金具电晕特性与选型研究

为消除电晕放电造成的能量损耗和电磁干扰,对不同种类金具的电晕特性以及不同电压等级下金具选型进行研究。利用紫外成像仪对几座超高压交流变电站的电晕放电现象进行观测,找出易发生电晕放电的金具;对此金具结构建立三维有限元仿真模型,计算在施加500 kV和750 kV电压等级下,不同尺寸金具表面电场强度分布情况,并针对场强较大的结构进行优化设计。研究结果表明,随着均压环、屏蔽环管径和屏蔽球球径的增大,其表面电场强度逐渐减小;结合金具表面起晕场强控制限值,给出了500 kV和750 kV电压等级下,耐张绝缘子串屏蔽环、V型绝缘子串均压环以及导线屏蔽球的尺寸选型。     

特高压电晕笼防护段的设计

为了克服特高压电晕笼设计中电晕笼两端部的电场畸变,确保电晕特性测试准确有效,需要增设一定长度的防护段。采用三维有限元方法精细计算了电晕笼内导线表面电场分布,分析了导线弧垂对防护段长度的影响并提出了新颖的电晕笼防护段设计方法。计算说明新型结构的防护段能有效平滑和抑制电晕笼端部附近导线表面电场的畸变,使电晕笼内导线表面电场更趋于一致,提高了电晕特性试验的准确性。     

特高压复合绝缘子电场计算及基于神经网络遗传算法的均压环结构优化设计

为了满足超/特高压大容量输电技术的发展需求,研究复合绝缘子的电场分布,寻找合理的电场优化措施已成为影响输电线路安全运行的关键因素。利用有限元法(FEM)建立了工程实际应用情况下特高压(UHV)交流输电线路复合绝缘子的单串、双串和V串电场计算模型,在考虑横担、分裂导线和均压环及其金具连接情况下,对复合绝缘子的电位和沿面电场分布进行了计算。针对特高压复合绝缘子电位分布极不均匀,且最大沿面电场强度大大超过电晕起始场强的情况,分析了不同的均压环配合方式对复合绝缘子沿面电场分布的影响。针对单串绝缘子下的计算结果,引入神经网络遗传算法(BP-GA),对均压环的结构参数进行了优化设计,利用BP神经网络的高度非线性映射能力直接计算遗传算法的适应度函数值,解决了穷举法计算时间冗长的问题。计算结果表明:加装均压环能够大大降低最大沿面电场强度,明显改善复合绝缘子沿面电位和电场的分布;通过遗传算法优化后的均压环结构参数,能使均压环表面场强和绝缘子沿面场强均小于电晕起始场强,为特高压绝缘子均压环的选取提供了一种可靠、实用的设计方法,可为我国特高压输电线路外绝缘优化设计提供新的参考。     

特高压阀厅金具表面电场计算及起晕校核

为了对阀厅内部金具的起晕情况进行校核,以某±800 kV特高压换流站阀厅为研究对象,采用第三方软件完成实体精细建模,输入到有限元仿真软件ANSYS进行前处理,结合PSCAD软件仿真得到的电位波形,采用瞬时电位加载法,对阀厅3D模型在一周期内各工况下的电场分布情况进行了有限元计算。采用子模型法,实现了局部电场的精确求解。根据电场计算结果,结合相关经验公式以及试验结果,对管形和球形金具的起晕情况进行了校核,在校核过程中,对形状不规则的金具进行了相应的等效模拟。校核结果表明所选阀厅金具在电晕控制方面具有一定裕度,满足阀厅金具设备安全运行要求。研究结果为特高压阀厅金具的设计提供了重要的借鉴。