应用伽辽金边界元法的特高压直流换流站阀厅金具表面电场计算

特高压直流换流站阀厅金具表面场强的精确计算对于阀厅和金具的设计具有重要的指导意义,但由于阀厅内部设备众多、结构复杂,金具几何建模和表面电场数值求解存在较大困难。为准确计算阀厅金具表面场强,首先采用Pro/E建立了±800 kV阀厅金具的全尺寸模型,并通过ANSYS进行离散剖分;然后通过PSCAD仿真金具关键部位的瞬时电压分布,作为场计算的边界条件;最后采用伽辽金边界元法对阀厅金具表面电场进行数值分析,该方法大大降低了剖分难度和计算代价。计算结果表明,在该设计方案下,阀厅金具表面场强最大位置出现在低压端B相连接管母处,最大值为14.7 kV/cm,低于起晕场强限值。仿真结果为阀厅及金具设计提供了参考依据。     

直流换流站阀厅内三维电场的分布式并行计算

直流换流站阀厅的三维电场计算对金具结构设计与厅内场强控制具有重要的指导作用。然而,由于阀厅内部设备多、结构复杂,其几何建模与数值仿真较为困难。为此基于ANSYS分布式并行计算平台,通过对ANSYS模型实体进行自动化相对编号,提出了模块化与独立化的建模方法,并使ANSYS模型的APDL(ANSYS参数化设计语言)代码具有重用性。基于该方法建立了直流换流站阀厅内部交流侧设备的模型。通过选择适合分布式并行计算的ANSYS求解器,计算出阀厅内部的三维电场分布。计算结果表明,在当前设计方案下,阀厅内部金具表面最大场强为27.51 kV/cm,以球-板电极起晕场强作为判据,阀厅内无起晕现象。该数据为换流站阀厅的设计规划提供了可靠支撑,具有重要的指导意义。     

±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。     

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。     

基于区域化剖分技术的特高压直流换流站阀厅电场求解方法

由于换流站阀厅在直流输电系统中的重要地位,其安全运行至关重要。因此其内部金具场强必须控制在一定范围内,防止电晕对设备运行的干扰。阀厅内部金具的表面电场计算对于阀厅金具的设计有着重要的指导意义。针对阀厅内部结构复杂造成的剖分困难,笔者结合某±800 kV换流站阀厅整体模型的表面电场计算,提出了区域化的剖分方法。该方法基于模块化与独立化的思想,便于分工操作,可操作性强,效率高。该方法下整体模型与子模型计算结果的对比表明,基于区域化剖分技术的整体模型计算结果具有较高的精度。该方法为特高压直流换流站阀厅以及其他复杂模型的有限元电场求解提供了一定的借鉴,具有重要的指导意义。     

宝鸡换流站阀厅电气连接及金具设计特点

直流换流站阀厅设备布置、电气连接以及金具设计是保证阀厅电气安全净距,控制电晕及场强,实现换流站安全可靠运行的重要环节。分析了完全采用国产化设备的±500 kV宝鸡换流站阀厅电气设备选型、布置及一次连接的设计特点。在此基础上,根据阀厅内电气连接的特殊要求,详细介绍阀厅内金具的设计方案及特点,并对阀厅电气设计和建设管理经验进行了总结。     

±500kV换流站四重阀阀厅金具电场计算与分析

对于阀厅全模型电场强度数值模拟,电位加载方式不同时,阀厅内部金具上的电场分布是不同的,因此有必要对典型相序时的电位、电场分布进行仿真分析。笔者根据阀厅设备电位波形特点,提出瞬时电位加载法进行电场计算,能够真实模拟阀厅内部电位各种频率分量的作用。相对于两重阀而言,四重阀阀塔周围金具连接结构复杂,电场计算难度较大。基于文中提出的方法,依据昭通±500 kV换流站阀厅四重阀真实模型,建立有限元仿真模型,通过计算得到了阀厅内部金具表面电场强度的最大值,为阀厅内部金具的电晕控制提供了依据。     

±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。     

±1100 kV特高压阀厅金具表面电场计算及起晕校核

为了校核±1 100 kV换流站阀厅金具的起晕状态,以某±800 kV换流站阀厅工程图和某±1 100 kV换流站阀厅初始设计方案为基础,建立阀厅3D全模型;通过瞬时电位加载法求得阀厅模型的整体电场分布,并采用子模型法对局部电场进行精确求解;根据计算结果,结合Peek公式及现有的试验数据,对管形和球形金具进行起晕校核,并对最容易起晕的金具进行优化设计。计算结果表明,本阀厅内的金具在电晕控制方面,具有一定的安全裕度;换流变D侧C相下部套管均球形压装置,最容易起晕,建议改为双环均压装置。研究成果可为在建的±1 100 kV输电工程提供指导意见。     

±1100kV直流阀厅金具电场仿真设计

阀厅金具作为直流输电工程换流站阀厅设备电气连接及固定用装置,连接和组合换流站阀厅电力系统中各类装置,以传递机械、电气负荷及实现某种防护作用。其表面电晕直接影响着阀厅及其设备的表面电场分布,对其表面电场进行仿真具有重要意义。本文基于Infolytica Elec Net电场仿真软件对阀厅金具电场仿真影响因素空气包大小、电极长短进行了研究。结果表明:随着空气包的增大,其表面电场逐渐减少,直至趋于一稳定值;金具表面电场与电极长度无关,其影响可忽略不计。根据研究成果给出了±1100k V直流阀厅金具管母外接头电场仿真结果,对±1100k V特高压直流输电工程阀厅金具的研制具有重要指导作用。     

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。     

±660kV直流换流站阀厅内金具表面电场数值求解

针对我国特有的±660kV的电压等级下的阀厅全模型的金具电场计算,采用静电场瞬时加载法,首先根据±660kV换流站阀厅换流变压器设备参数,通过MATLAB仿真得到阀厅内部主要设备在额定功率以及轻载功率下的电位波形,选取比较典型的16组数据进行数值求解,从而得到相应情况下阀厅内部场强最大值以及场强变化曲线。计算结果表明,...     

柔直阀厅大跨度屋盖结构选型研究

在国内柔性直流输电工程领域,屋盖结构横向跨度一般接近50～60 m,约为常规±800 kV特高压直流换流站高压阀厅跨度的2倍,属于单层、空旷、大跨厂房.目前,同规模大跨度屋盖厂房较少,结构设计经验不多.文章依托2022年冬奥会清洁能源送电项目张北柔性直流电网±500 kV丰宁换流站柔直阀厅屋盖设计,开展了柔直阀厅大跨度屋盖结构选型分析工作.通过对网架结构方案、空间管桁架结构方案进行结构布置比较和静力、动力分析,重点研究对比了其结构刚度、承载能力及钢材用量等技术经济指标.研究结果表明,在同等情况下,综合屋面檩条系统,网架结构耗钢量较空间管桁架结构低,经济效益好.推荐柔直阀厅大跨度屋盖结构优先采用网架结构方案.     

±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。     

±500kV直流输电系统换流站阀厅内金具表面电场数值求解

对于阀厅全模型数值模拟,电位加载方式不同时,阀厅内部金具上的电场分布是不同的,因此有必要对典型相序时的电位、电场分布进行仿真分析;而目前,国内关于阀厅全场域数值求解的参考文献较少.为此,讨论了交流、直流加载方式下的区别以及静电场瞬时加载法在阀厅数值模拟中的应用.根据辽宁某±500 kv换流站阀厅换流变压器设备参数,通过...     

基于温升的阀厅连接金具设计方法

为使直流特高压(ultra high voltage direct current,UHVDC)换流站阀厅连接金具的温升处在合理的范围内,建立合理的基于温升的阀厅连接金具设计方法至关重要。针对阀厅连接金具温升过高现象,通过试验结合理论分析原因,指出了由磁场引起的电流分布不均是阀厅连接金具温升过高的主要原因,提出了基于温升的特高压换流站阀厅连接金具设计方法,运用有限元(finite element method,FEM)的方法对阀厅连接金具的电流分布及温升进行仿真,优化连接金具的关键尺寸,使温升均匀分布。根据相关标准对按所提方法设计的阀厅连接金具进行试验,并和传统金具进行比较,结果表明由所提方法设计的阀厅连接金具温升分布均匀,最大温升明显降低。所提方法对特高压换流站阀厅连接金具的设计具有重要意义,同时也为换流站其他设备及输电线路上设备的设计提供了重要参考。     

特高压直流阀厅金具选型与结构优化

随着直流输电电压等级越来越高,换流阀厅内设备越来越密集,尤其是±1 100 kV电压等级阀厅,对阀厅内金具的绝缘要求更加严苛。通过有限元数值计算,可以得到阀厅内金具表面电场,判断金具是否满足绝缘设计。阀厅内部交直流混杂,针对阀厅金具,分别采用静电场与瞬态电场进行计算,计算结果表明,阀厅金具可以通过直流电压下的电场计算对瞬态结果进行预估。根据电场计算结果进行金具选型,并对金具结构参数进行优化,分析得出影响场强的主要参数,将仿真计算紧密嵌入金具设计中,缩短设计周期,降低生产成本。     

±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。     

±800kV特高压直流换流站阀厅金具的结构特点

±800 kV特高压直流换流站阀厅工程设计中,换流阀与换流变压器及穿墙套管之间采用管型母线连接方式,设备连接需采用特殊的管型母线连接金具。笔者通过对向家坝—上海、锦屏—苏南±800 kV特高压直流输电工程换流站阀厅金具的结构介绍,阐述了阀厅金具的整体结构特点,分析了金具的载流量和耐热性、防电晕特性、机械强度的可靠性、外形尺寸以及连接形式等要求。通过实例介绍了5种常用的阀厅金具的结构细节及特点,为哈密南—郑州及溪洛渡—浙江等特高压换流站阀厅金具设计提供参考和借鉴。     

基于瞬时电位加载法的±800kV特高压阀厅金具表面电场求解

换流站阀厅内部结构复杂,各部位的电位呈现非正弦周期性变化,通过瞬态场进行电场求解计算量过大,难以实现金具表面电场计算。为此,通过对阀厅主设备电位波形的分析,结合厅内电磁场的特点,提出了基于静电场的瞬时电位加载法。通过简单2维模型验证了该方法的正确性。以某±800 kV特高压阀厅为例,建立了3维有限元模型,实现了阀厅内部金具表面电场的准确求解。计算结果表明:所选阀厅内部最大电场强度为1.267MV/m,出现在D侧C相换流变压器套管均压球上,参考对应的试验值和裕度值,该值仍小于对应的起晕电场强度控制值1.589 MV/m,说明裕度充分,符合安全运行的要求。该方法解决了阀厅模型瞬态场计算量大,难以实现金具表面电场计算的问题,对于阀厅的内部电场的计算以及金具的设计具有重要的指导意义。