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。     

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。     

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。     

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。     

多介质工频电场分析的快速多极子边界元法

针对变电站关键设备工频电场计算存在计算效率低的问题,结合快速多极子法和边界元模拟电荷法提出一种快速计算多介质工频电场分布的方法.根据边界元模拟电荷法基本原理建立变电站关键设备工频电场计算模型.利用快速多极子法可以加速矩阵与向量乘积效率的特点,得到提高多介质工频电场分布的快速算法.并应用该方法具体计算500kV变电站中开关场内刀闸周围的电场分布.结果表明:快速多极子边界元模拟电荷法的计算结果与积分工程软件的仿真结果的最大相对误差为8.1%.在满足工程误差允许前提下,该方法相对于传统边界元模拟电荷法运算速度快、内存消耗少、计算精确度高,适合于求解大尺度多未知量、多自由度的工频电场计算问题.     

基于有限元的模块化多电平换流器绝缘结构分析

模块化多电平柔性直流输电换流阀中分别采用了固体绝缘和空气绝缘结构,其中空气绝缘结构是比较薄弱的一个环节,实际运行或者试验中容易发生局部放电等绝缘故障.采用三维有限元电场计算方法,通过电场分布来分析模块化多电平柔性直流输电换流阀中空气绝缘结构.在换流阀空气绝缘结构分析中,分别对换流阀层间空气间隙中、换流阀外表面空气介质中以及阀厅中阀塔之间空气间隙中的电场进行计算.通过空气间隙中电场强度和电场分布情况来分析空气绝缘介质的绝缘强度,并指导换流阀绝缘结构的设计.     

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。     

±800kV直流换流阀模块内部电场仿真对比分析

全球能源互联网以其可再生、分布式、互联性、开放性和智能化等优势日益受到业界普遍关注,高压直流输电系统作为能源互联网中的基本组成元素,换流阀内部高电位区导体表面电场计算是实现小安全裕度下换流阀绝缘优化的关键。在实际运行的直流输电工程中,±800 k V直流换流阀塔内部电路触发板上的直流均压电阻温度过高,因此需对阀模块内部进行电路改造。为重新测量电路改造后阀塔内部绝缘的可靠性,采用Solid Works建模软件建立阀塔3维模型;并结合逐次子模型技术,利用ANSYS有限元软件对阀模块内部元件的表面电场强度进行仿真计算;对比分析改造前后的阀模块内部电场分布情况。结果表明,阀模块内部整体电场分布合理,电场分布情况满足工程设计要求,最后提出针对电场薄弱环节的优化建议。     

±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。     

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。     

模块化多电平换流阀系统天线模型及其辐射电磁骚扰特性分析

为准确预测柔性直流换流系统正常工作时产生的辐射电磁骚扰,采用矩量法与天线理论相结合的电磁场方法搭建了模块化多电平换流阀系统的天线模型,并计算了换流阀系统正常工作时产生的辐射电磁骚扰;通过测量实验和计算结果的对比证明了所提出的模块化多电平换流阀系统电磁辐射计算方法和计算模型的有效性。最后,采用柔性换流阀系统的天线模型计算并分析了换流系统正常运行时的辐射电磁骚扰特性,得到了阀厅巡视走廊的电场分布特性,换流阀厅内外的近场分布规律、远场传播特性等,求得了柔性换流阀系统无任何屏蔽措施时的安全巡视距离。该计算方法和结果对准确预测柔性直流换流系统电磁骚扰水平有指导作用。     

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。     

柔性直流输电系统换流阀无线电干扰特性仿真分析

为了对柔性直流换流站运行时产生的无线电干扰(RI)水平进行预测,以某柔性直流输电工程为背景,采用仿真计算的方法,首先分析了模块化多电平换流器(MMC)物理拓扑结构和运行机理,结合Hertz偶极子模型搭建了柔直换流阀阀塔FEKO电磁辐射模型。采用直接频域计算方法,通过PSCAD电力系统仿真软件仿真获得了换流阀上、下桥臂电压和电流的时域波形,通过快速Fourier变换计算得到换流阀在稳态运行时各点的阻抗频率特性,得到了仿真计算的阻抗参数。最后将典型IGBT导通关断时的波形作为仿真激励参数,利用基于以矩量法为核心算法的FEKO软件,分析了柔性直流换流阀在运行期间无线电干扰特性。研究结果表明:随着频率升高,阀塔产生的RI在数值上逐渐减小,方向性逐渐增强,阀塔横向侧场强明显高于阀塔纵向侧场强,仿真计算得到最大干扰值约75.10 dB,数值上未超出规定的干扰限值。该研究对实际的柔性直换流阀电磁兼容设计和电磁干扰防护具有参考价值。     

?800kV特高压直流换流阀地震响应分析

位于地震高烈度区的换流站中换流阀塔的抗震性能对换流站的安全运行有重要意义。以?800 kV特高压直流换流站的高端换流阀厅及换流阀塔为原型,采用非线性弹簧单元模拟悬吊绝缘子,建立了有限元模型进行时程响应的分析计算。结果表明,地震作用下阀塔底部水平位移响应可超过1 m,绝缘子的非线性特性使得阀塔竖向加速度响应剧烈,阀层出现"弹跳"现象。阀厅对地震波的放大作用可增大阀塔的加速度响应,但对位移响应影响有限。由于阀塔的高阶局部振型频率与阀厅基频接近,阀厅与阀塔发生共振导致阀塔顶部水平加速度响应巨大。建议采用直径更大的悬吊绝缘子以防止屈曲,并采取措施限制阀塔底部的水平位移。     

±500 kV柔性直流换流阀电场分布及绝缘特性研究

采用静电场有限元数值方法,对自主研发的±500 kV柔性直流换流阀的内绝缘和外绝缘特性进行了分析计算。按照子模块最大保护电压,校核换流阀的内绝缘特性;按照阀支架雷电冲击试验,校核换流阀的外绝缘特性。计算结果表明,自主化±500 kV柔性直流换流阀阀塔内部空气中最大电场强度为1.017 kV/mm,屏蔽系统最大电场强度为1.619 kV/mm,底部支撑绝缘子处最大电场强度为2.941 kV/mm。以3 kV/mm作为起晕场强判据,雷电冲击试验下,阀支架无起晕现象。试验结果表明,采用当前换流阀设计方案,换流阀顺利通过型式试验,无闪络、击穿放电现象,冷却系统无损坏。研究结果为±500 kV柔性直流输电系统换流阀绝缘设计提供了参考。     

电压源型换流阀在绝缘型式试验下电场仿真计算

模块化多电平电压源型换流器作为柔性环网控制器和统一潮流控制器(UPFC)系统中的关键设备,其运行的可靠性直接影响到整个系统的安全稳定运行。文中以应用于柔性环网控制器及苏南500 k V UPFC工程的换流阀作为研究对象,采用PTC Creo 3D与Ansys混合建模技术,建立了换流阀塔的三维模型,详细计算了换流阀塔在绝缘型式试验下的电场分布。计算结果表明:换流阀塔对地空气间隙、层间空气间隙以及换流阀塔的外表面的空气介质等绝缘强度都能满足换流阀绝缘型式试验的要求,保证换流阀的安全可靠运行。     

柔性直流换流阀功率模块绝缘试验下的电场仿真分析

为提高柔性直流换流阀功率模块绝缘设计的可靠性,实现其优化设计,文中主要针对功率模块绝缘试验的实施方法进行研究,提出了一种柔性直流换流阀功率模块电场仿真分析方法。通过对功率模块的工作原理进行分析,建立了功率模块计算模型。进而根据柔性直流换流阀功率模块绝缘试验及电场仿真计算方法,设定相应的边界条件,采用ElecNet电场仿真软件分析了绝缘试验电压下功率模块内部电场的分布特性,最终得到其内部出现较大场强的位置以及对应的最大场强值。对比绝缘试验结果,验证了该电场仿真分析方法的有效性和正确性。文中证明了该方法可为功率模块安全可靠地通过绝缘试验提供保证,从而减小设计周期、节省研发成本。     

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。     

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。