特高压多端柔直换流站直流场均压屏蔽金具电场分布仿真分析与差异化优化方法

特高压多端柔性直流输电技术是近年来电力系统中重要的发展方向,其换流站中合理的均压屏蔽装置设计能够有效保障系统安全稳定运行,并降低投资成本。针对多端柔直换流站直流场金具优化设计,搭建开展了典型球、环电极电晕试验,得到了适用于换流站不同尺寸金具的控制场强公式。根据±800kV多端柔直换流站直流场的设计方案和设备布置,建立了三维全场域有限元仿真模型,计算分析了运行工况下直流场中各均压屏蔽装置的电位、电场分布,基于控制场强提出了典型金具的差异化优化思路与改进方向。结果表明,直流场内主设备金具及连接金具表面电场强度均不超过2000V/mm,旁路开关均压环表面场强较高、裕度较小,需要增大尺寸;±800kV穿墙套管均压环表面场强较低、裕度较大,可以适当缩小尺寸以降低成本。所得研究成果可为±800kV多端柔直换流站中均压屏蔽金具的自主研发与优化设计提供参考。     

特高压换流站大尺寸典型电极起晕特性的仿真与试验

为确保特高压换流站均压屏蔽装置设计合理可靠,提出用于一种分析复杂电场环境下大尺寸典型电极起晕特性的三维仿真计算方法,并开展大尺寸球、环电极电晕试验进行试验验证。试验结果表明,所提出的计算方法能够有效计算特高压换流站大尺寸典型电极表面起晕电场强度,预测值与试验值的相对误差范围在-2.6%～3.4%之间。该文分析并验证了均压环等效半径经验公式,获得该公式适用的均压环管径与环径范围。研究成果可为大尺寸电极起晕电场强度预测、换流站均压屏蔽金具设计提供参考和依据。     

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。     

高海拔地区特高压换流站典型电极起晕特性与均压屏蔽电极设计

合理设计高海拔地区特高压换流站均压屏蔽装置能够有效避免站内电晕放电,保障系统安全稳定运行.为实现高海拔地区均压屏蔽金具的可靠应用,文中在平原地区(平顶山)和高海拔地区(羊八井)进行了特高压换流站典型电极的起晕试验,计算获得了不同尺寸典型电极的起晕场强,并提出了海拔4300 m金具的控制场强值.仿真分析了球形、鼓形电极表...     

±800kV特高压换流站阀厅金具防晕设计尺寸研究

起晕场强是阀厅金具电晕控制的重要依据,针对±800 kV特高压换流站阀厅金具防晕设计裕度过大问题,在海拔高度分别为50 m和4300 m的试验室开展了管母线和屏蔽球的起晕电压试验。利用起晕电压试验、Peek公式和Ansys三维电场仿真计算结果,给出了±800 kV阀厅不同类型金具的防晕最小设计尺寸,并在此基础上提出了阀厅金具表面场强控制建议。建议±800 kV阀厅管形金具等效管径不小于150 mm、球形金具等效球径不小于800 mm、边缘倒角曲率半径不小于30 mm。提出±800 kV阀厅金具场强控制原则为:等效直径大于200 mm的管形金具、近似圆柱体或球形金具其起晕场强控制值不大于12 kV/cm,等效直径不大于200 mm的管形金具或近似圆柱体金具其起晕场强控制值不大于18 kV/cm。研究成果为±800 kV阀厅金具的防晕优化设计提供了一定的参考依据,为后续阀厅金具表面场强控制标准制订提供了技术支撑。     

高海拔750kV变电站防晕金具设计及电场分析

采用有限元仿真计算与紫外成像观测相结合的方法,分析了高海拔官亭750 kV变电站设备连接金具产生明显电晕的位置和起晕原因,主要是螺栓和防晕板的棱角过大、自身防晕能力差以及均压屏蔽环的结构尺寸设置不满足要求,造成局部电场过高。为消除电晕造成的损耗和电磁干扰,掌握高海拔超高压变电站连接金具起晕电场值,对海拔更高的日月山750kV变电站进行了防电晕金具优化设计。通过设置防晕型接线板和连接线夹,优化均压屏蔽环数量和尺寸等措施,有效降低了防电晕金具沿面场强。对优化后的金具进行仿真计算和测试,得到在青海高海拔地区,防晕金具表面场强小于1.5MV/m时,无电晕放电发生。     

±1100 kV特高压换流站支柱绝缘子屏蔽球参数优化设计

屏蔽金具是特高压换流站设备重要组成部分,其表面电场控制对换流站设备的正常运行有着至关重要的意义。为了实现±1 100 kV特高压换流站支柱绝缘子屏蔽金具的表面电场控制,以支柱绝缘子屏蔽球为研究对象,建立了3D有限元模型,采用静电场代替瞬态场计算获得屏蔽金具在操作冲击过电压下的表面电场分布,并讨论了屏蔽球形状、开孔倒角尺寸、开孔深度、倾斜角度等因素对冲击电压下金具表面电场分布的影响。计算结果表明:提出的"鼓形"金具设计方案,在冲击电压下可将表面最大场强控制在21 kV/cm以下,安全裕度较大;屏蔽球采用100 mm以上开孔倒角半径可有效降低底部电场强度。此外,适当降低开孔深度、减小倾斜角度也有益于控制屏蔽球底部场强。该研究成果为±1 100 kV换流站支柱绝缘子屏蔽金具的设计与安装提供了参考。     

高海拔直流设备可见电晕特性的试验研究

章整理和分析了中国电力科学研究院与云南电力试验研究所有关换流站阀厅内典型屏蔽环和母线的可见电晕试验数据，讨论了不同海拔高度下起始电晕电压的校正方法(如不同海拔高度直流设备起晕电压校正方法和高海拔直流设备屏蔽环及母线起晕电压的海拔校正方法)，认为目前低海拔换流站阀厅使用的电气设备的电晕性能可以满足海拔2000m使用的要求。     

±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。     

直流导线和阀厅金具的电晕起始电压预测

电晕起始电压是高压直流输电工程电晕控制的依据,提出了一种基于电场特征集和支持向量机的起晕电压预测新方法。采用提出的方法预测了负直流导线的起晕电压,将预测值与试验值以及现有方法的计算值进行了对比,证明了所提方法的有效性和优越性。对±660k V换流站阀厅内均压球的起晕电压进行了测量和预测,得到了均压球表面的电晕起始电场强度控制值,通过对比电场有限元数值计算结果,证明了均压球在阀厅运行环境中不会起晕。该方法为高压直流输电工程导线和阀厅金具的电晕起始电压预测提供了一条可能的新途径。     

1000kV交流同塔双回输电线路刚性跳线电晕特性

1 000 kV特高压交流同塔双回输电线路由于电场间的相互影响,其电晕问题更为突出,根据示范工程开展的同塔双回耐张塔跳线及金具的电场计算结果,需要对跳线及其金具结构进行优化。为获得优化后的跳线及金具电晕放电特性,利用紫外成像仪对笼式和铝管式2类不同结构刚性跳线开展电晕特性试验研究,找出有明显电晕放电的跳线及金具,确定放电位置和电晕起始电压试验值。采用三维有限元方法建立仿真模型,计算场强,分析产生电晕的原因。研究结果不仅验证了电晕特性研究方法的有效性,同时表明优化后的跳线及金具能有效降低电场强度,防晕效果显著。根据研究成果,推荐采用的刚性跳线及配套连接金具满足特高压同塔双回输电线路的运行要求,已应用于示范工程的设计建设中。     

±500kV换流站直流场金具表面电场数值计算

直流换流站高压设备金具表面电场的准确计算有助于电晕控制以及防电晕设计。针对换流站直流场设备复杂、计算区域大、对特殊金具局部表面电场计算精度要求高的特点,以某±500 kV换流站直流场为研究对象,基于电场数值计算方法,建立3D有限元仿真模型,对整个直流场设备进行电场计算,获得了各部位的电位和电场分布计算结果。通过对全模型计算结果进行分析,对其中需要重点关注的部位采用了子模型进行了更精确的求解,获得了更加准确的电场强度数值。最后基于Peek公式对直流场各金具进行了电晕控制安全裕度的评估,结果表明直流场各金具表面最大场强符合电场控制要求,研究结果可为超、特高压换流站直流场的设计、规划提供参考。     

大直径屏蔽球电晕特性与起晕电压预测

为研究大直径屏蔽球的电晕特性,提高直流换流站阀厅绝缘设计能力,依据典型阀厅屏蔽球尺寸设计了直径100 mm到600 mm的试品球,开展了球-网-地、球-地和球-球-地3种试验布置下的正(负)极性电晕试验,提出了表征电极周围空间电场分布的特征集,将其作为输入量,引入支持向量分类机构建机器学习模型,实现屏蔽球的电晕起始电压预测。试验得到了负极性起晕场强与球径之间的关系,同时以其中两种试验布置作为训练样本,预测另一种试验布置的起晕电压,结果表明:球-网-地、球-地和球-球-地3种试验布置下负极性起晕电压预测结果同试验值相比,平均绝对误差分别为5.19%、4.99%和4.33%,预测值拟合曲线与试验值基本相符,满足工程要求。该方法能通过已有试验数据预测相似环境下结构相异样本的同极性起晕电压,为起晕电压数值计算提供了一条新的途径。     

±800kV特高压直流不同型式跳线电气特性的比较分析

现有±800 k V特高压直流输电线路耐张塔大多采用鼠笼式或铝管式刚性跳线,而刚性跳线金具是线路金具结构中最为复杂的部分,实际运行中发现由耐张塔跳线引起的电晕放电现象比直线塔严重。为比较分析±800 k V特高压直流典型耐张塔不同型式跳线的优劣性,应用三维有限元分析软件,分别仿真计算了鼠笼式刚性跳线、铝管式刚性跳线和软跳线3种型式跳线的电场分布情况。同时,基于国家电网公司特高压直流试验基地,开展了可见电晕试验和电磁环境影响试验研究。研究结果表明:鼠笼式刚性跳线和软跳线的电场特性基本相当,铝管式刚性跳线的电场强度稍高;鼠笼式刚性跳线所采用的间隔棒的可见电晕试验完全满足最高工作电压要求;鼠笼式刚性跳线和软跳线的可听噪声、无线电干扰、可见电晕和地面合成电场测试结果基本相当,无明显差异。该研究成果可为后续的±800 kV直流输电线路金具、导线表面最大场强控制值要求和耐张塔设计提供参考。     

220kV变电站电晕噪声抑制技术研究和应用

变电站电晕放电会导致变电站工频电磁场及无线电干扰水平超标,对周围环境造成噪音和电磁污染,影响居民生活和工程的环境评价,因此必须对其进行治理。根据相关设备、金具的实际布置形式和外形结构图纸,结合变电站电晕实测结果,同时考虑相间影响和周围带电导体作用,采用有限元软件ANSYS建立了220 kV变电站典型放电位置的三维电场有限元仿真计算模型,计算了金具表面的电场分布,得到了其表面的场强最大值和分布规律。根据计算结果优化了金具的结构、尺寸和参数,并提出了电晕噪声抑制措施。仿真结果表明采取优化和抑制措施后,金具的电场分布畸变有较大改善,表面最大场强下降到3 000 V/mm以下。研究成果为变电站的防晕降噪设计提供了重要参考,为绿色电网和变电站的建设提供了依据。     

在小电晕笼中分裂导线交流电晕的起始电压分析

电晕起始电压是研究导线电晕特性的重要参量,对于指导超、特高压输电线路的设计具有重要意义。为此,利用电晕笼进行电晕起始电压的研究,电晕笼尺寸为1.8 m×1.8 m,测量段部分长3 m,两侧防护段各有0.5 m长。实验时,将导线同轴放置在电晕笼的中心位置,利用电晕笼电晕损失测量系统测量不同电压下导线的电晕电流和电晕损失,根据电压-电晕损失曲线,利用切线法估算导线的电晕起始电压值,并研究在导线表面干净和污秽条件下不同导线的电晕起始电压值,获得了LGJ-300/40、LGJ-400/35和LGJ-630/45导线在干净和污秽条件下的起晕特性。研究结果表明,干净条件下,起晕电压随导线半径增加而下降,污秽条件下导线起晕电压变化规律类似。此外,随污秽尺寸增大,对导线表面场强的畸变作用增强,这也会降低导线起晕电压。     

1000kV输电线路绝缘子串的均压屏蔽技术

1 000 kV交流特高压输电线路电压较高,需要对绝缘子串进行均压和屏蔽以保证线路能安全稳定运行,为此,应用有限元法对1 000 kV交流特高压输电线路各种典型绝缘子串型的电压分布进行了计算。计算考虑了均压环的管径、环径和安装位置对绝缘子串电压分布的影响;进行了绝缘子串型的电压分布、电晕和无线电干扰等真型试验,并对有限元计算结果和试验结果进行了比较。结果表明,当均压环安装在高压侧第2片和3片绝缘子之间、均压环管径为120 mm时,均压效果较好;管径为120 mm的屏蔽环对高压侧金具具有良好的屏蔽作用,在要求的电压值下绝缘子串未产生可见电晕,无线电干扰值<60 dB,且屏蔽环可改善绝缘子串的电压分布;有限元计算结果和试验结果较为吻合,可以指导均压环和屏蔽环的设计。     

±1100kV户内直流场全域均压电极设计、仿真及优化研究

特高压直流工程金具表面最大电场强度是衡量其发生电晕放电的主要因素。±1100k V直流工程户内直流场中不同设备均压装置的外形相差较大,而且相对户外直流场,屋顶和围墙都是地电位,会进一步增强金具的表面电场,因此需开展户内直流场全域三维电场仿真,根据仿真结果反复优化户内直流场设备均压电极的形状。首先通过理论计算和试验研究,确定不同直径均压屏蔽装置的表面场强许用值;然后对±1100k V特高压直流输电工程户内直流场中的关键设备开展三维电场仿真计算研究,并通过不断优化均压电极的形状,使其满足场强控制要求。     

交直流复合电压下的稍不均匀场高压电极起晕特性

为研究复合电压下阀内部屏蔽罩电极的起晕电压特性,搭建了用稍不均匀电场电极缩尺模拟阀用屏蔽罩电极,并搭建了复合电压电极电晕放电平台,基于紫外成像技术研究了稍不均匀场中阀用屏蔽罩电极缩尺模型的紫外光子数特性及起晕电压特性,并获得了不同电极尺寸下的起晕电压的变化规律。在此基础上,利用有限元方法对不同交直流配比下,电晕起始电场强度分布进行了仿真。通过分析可以得到:气隙间距在0~10 cm范围内,在固定直流改变交流的复合升压方式下,随着正直流分量的增加,电极所加交流分量会逐渐降低,若认为起晕时交直流分量直接线性叠加得到的电压为起晕电压,则起晕电压值会随正直流分量的增加呈现先增加后降低的趋势,存在一组交流和直流电压配比,使得复合电压作用下电极的起晕电压达到峰值,数值可达65 k V左右。该研究可以为换流阀内电极结构的绝缘优化设计提供参考。     

特高海拔500kV变电站绝缘子串均压环的电晕特性

为了满足高海拔变电站金具防晕降噪的要求,使金具具有良好的电气性能,运用Ansys软件和紫外成像仪重点研究了500kV变电站典型门型构架吊管母V型绝缘子串均压环的电晕特性。首先建立静电场有限元模型进行仿真计算,然后对均压环表面最大电场强度进行海拔校正和均压环结构优化。计算结果表明,均压环表面最大电场强度出现在近管母终端球端拐角处,管径130mm的均压环可以满足海拔高度4 000m处变电站的运行要求。为了对计算结果进行验证,采用与计算模型相同参数的均压环,运用紫外成像仪在平原地区和高海拔地区进行了可见电晕试验研究。试验结果表明,均压环电晕起始电压和电晕熄灭电压都明显高于标准要求值,电晕起始部位在均压环拐角处,与计算结果一致。因此,经过优化后的均压环具有较好的电晕特性,可以满足高海拔变电站的运行要求。