CN102201669A - 一种±660kV阀厅直流金具选型方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了针对±660kV直流换流站阀厅运行安全有关键作用的±660kV电压等级金具的选型方法。采用了自定义建模的方法以阀厅整体为研究对象，对阀厅内电场运行环境分析，形成建模、分析方法。该金具选型方法首次应用于世界上首个±660kV直流换流站阀厅，为今后±660kV阀厅金具选型提供了技术支持。

Description

一种±660kV阀厅直流金具选型方法

技术领域

本发明属于±660kV直流输电领域，涉及±660kV阀厅直流金具分析和优化方法，用于改善±660kV直流阀厅运行环境，减少阀厅体积，降低阀厅建设成本。

背景技术

近年来，随着西部开发的逐步深入及全国经济的快速发展，西北及西南的众多发电基地逐渐兴起。在建的宁东-山东直流输电项目在综合考虑了传输容量及工程造价的情况下选择了±660kV这一全新的电压等级，该电压等级介于常规500kV常规电压及800kV特高压之间，是世界范围内首次采用该电压等级并投运的直流输电项目。我国在“十二五”电网规划中计划修建众多直流输电项目中，±660kV电压等级的直流输电项目占了一定的比例。

阀厅是直流输电工程的核心建筑，交直流在此转换，内部设备众多，其电压高且等级多。由于受到占地面积及造价的限制，阀厅体量有限，因此各设备之间的绝缘配合关系复杂，很难以传统的单一设备绝缘配合关系考虑。在建和运行的500kV直流阀厅目前研究的比较多且相对简单，800kV阀厅的设计尚不成熟，660kV电压等级的阀厅属于全新的领域，其设备布置方式介于上述两个电压等级之间。不同电压等级的阀厅，其内部的电磁环境有很大不同甚至存在本质区别。

为确保阀厅内设备正常运行且在任何可能的运行工况下不发生闪络，选择恰当规格的阀厅金具至关重要。阀厅内电场分布复杂，且受设备布置、场地的限制，阀厅内所用金具不同于常规交直流金具，且每一个工程均有较大的变化。以往工程中均以经验推算金具的规格，并且仅考虑设备个体的金具设计并未考虑阀厅整体运行情况，且无系统的计算方法和理论依据为金具选型做理论支撑。 对于660kV这一全新的电压等级，需要提出可靠的理论计算方法以选择合理的金具规格。本发明根据660kV阀厅的特点，以阀厅作为整体研究对象，对660kV阀厅的电场分布进行了数值计算和仿真分析，提出了660kV阀厅金具的选型设计方法，为今后660kV阀厅金具的选型提供了可靠的理论依据，为660kV阀厅运行提供了安全保障，推进我国直流输电项目的快速发展。该方法可推广至其他电压等级的阀厅金具选型。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可靠的金具选型计算方法，以阀厅整体作为研究对象，采用有限元法完全真实、可靠的模拟不同金具选型情况下阀厅的电场分布，最终选择合理的阀厅金具规格。

为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案如下：

初步选择阀厅均压球及均压环等金具的尺寸及位置，并对阀厅整体进行建模，对阀厅的电场分布进行计算和分析，根据分析结果提出金具的优化方案。

本发明的技术方案具体叙述如下：

1.计算模型的建立

考虑到金属导体对于空间电位、电场分布起着主要作用，阀厅模型中只考虑了阀厅内的金属导体、部件，其他非金属部件在建模中不考虑。采用Ansys计算软件仿真计算。

阀厅内部各元件外套有四个空气域#1～#4(如图2所示)，用于控制四面体网格剖分由内部导体向外部阀厅边界的过渡，根据阀厅尺寸划分每个空气域的尺寸。

四个空气域的外部再建一个阀厅实际尺寸大小的空气域(如图3所示)，用于表示阀厅内部的整个空间。

对阀厅内部元件和外部五个空气域模型的剖分(图4)。模型剖分步骤如下：

1)采用Ansys自动剖分模式对阀厅内部所有导体进行网格剖分；

2)采用手动单元边长控制和Ansys自动剖分的混合模式对包含阀厅内部导体的四个空气域进行网格剖分；

3)采用手动单元边长控制和Ansys自动剖分的混合模式对表示阀厅内部整个空间的外部空气域进行剖分。

施加模型边界条件：

1)阀厅内部各管线导体表面施加电压：

2)最外层空气域的外表面施加零电位

求解过程采用Ansys的分布式预处理共轭梯度法DPCG求解阀厅内部的静电场。

2.场强与电位分布计算与仿真

仿真计算主要关注Yy与Yd换流变连接的A、B、C各相线，上下管母，阀塔各部件表面及附近的场强分布、最大场强及电位分布。最后以阀厅作为整体分析阀厅的场强分布

3.分析计算结果并给出选型结论

对阀厅局部(图5)及阀厅整体(图6)分别仿真计算分析。

附图说明

图1：660kV阀厅模型。图a)～c)分别表示阀厅的正视图、俯视图和侧视图。

图2：用于网格剖分过渡的阀厅内部元件外的四个空气域。图a)～b)分别表示阀厅的俯视图和侧视图。

图3：阀厅整个空间的空气域。图a)～b)分别表示其俯视图和侧视图。

图4：阀厅内部导体网格剖分图。其中图a)～b)分别表示侧视图及其局部放大图；图c)表示包围阀厅内部导体的#1～#4空气域网格剖分图；图d)表示阀厅内部整个空间的空气域网格剖分图。

图5表示包围各管线导体的#1～#4空气域内所做的相关场量的切面图

图6表示阀厅整体场强和电位的空间分布结果，分别示于图a)和图b)。

具体实施方式

以下结合附图和发明人依上述技术方案所完成的具体实例对本发明作进一步的描述。

1.计算模型的建立

选择阀厅均压球的尺寸(Yy换流变x/y/z跳接金具直径为Ф1600mm，其余金具尺寸统一均设置为Ф1200mm)，考虑到金属导体对于空间电位、电场分布起着主要作用，阀厅模型中考虑了yy换流变连接与yd换流变连接部分的各相引出 线、上下管母、避雷器和阀塔等金属元件，绝缘子等非金属部件在建模中不予考虑(图1)。

阀厅内部各元件为金属导体，在Ansys中用介电常数很大的材料来模拟导体内部场强为零的性质。导体相对介电常数取为10⁶。

阀厅内部各元件外套有四个空气域#1～#4，每个空气域的尺寸为34×9.9×10.3m(如图2所示)，用于控制四面体网格剖分由内部导体向外部阀厅边界的过渡。

四个空气域的外部再建一个阀厅实际尺寸大小(68×40×30m)的空气域(如图3所示)，用于表示阀厅内部的整个空间。

对阀厅内部元件和外部五个空气域模型的剖分(图4)采用专门用于静电场分析的四面体SOLID123号单元。模型剖分步骤如下：

1)采用Ansys自动剖分模式对阀厅内部所有导体进行网格剖分，自动剖分精度控制采用四级；

2)采用手动单元边长控制和Ansys自动剖分的混合模式对包含阀厅内部导体的四个空气域进行网格剖分，自动剖分精度采用四级；

3)采用手动单元边长控制和Ansys自动剖分的混合模式对表示阀厅内部整个空间的外部空气域进行剖分，自动剖分精度采用四级。

施加模型边界条件：

1)阀厅内部各管线导体表面施加电压如下：

yy连接A相：380kV

yy连接B相：320kV

yy连接C相：660kV

yy连接中性点：460kV

yd连接A相：0kV

yd连接B相：0kV

yd连接C相：330kV

上管母：330kV

yy连接部分下管母：660kV

yd连接部分下管母：0kV

2)最外层空气域的外表面施加零电位

基于具有四个节点的并行计算平台，求解过程采用Ansys的分布式预处理共轭梯度法DPCG求解阀厅内部的静电场。DPCG求解器的相对精度设为10。

2.场强与电位分布计算与仿真

仿真计算主要关注Yy与Yd换流变连接的A、B、C各相线，上下管母，阀塔各部件表面及附近的场强分布、最大场强及电位分布。

图5)给出的是分别在包围各管线导体的#1～#4空气域内所做的部分相关场量及电位的切面图。其中：

1)图a)为Yy换流变连接ABC三相及中性点的电场强度分布计算结果，Em＝26.22kV/cm。由图可看出，yy连接C相引出线表面场强较其它两相较 大，这是由于C相电压为660kV，大于A、B两相和中性点的380kV、320kV、460kV。相应的电位分布由图b)可看得更清楚。同时可以看出，较大的场强集中分布于导体表面附近，且随着距离的增大，场强衰减很快。

2)阀塔顶部和底部外侧的电位分布基本均匀，场强也就相应很小(Em＝26.22kV/cm)。这是由于阀塔的顶部和底部的外侧距离施加电压的内部导体较远，且由于阀塔的屏蔽罩消弱了与A、B、C相线相连的避雷器对阀塔外部场强的贡献作用。

3)由图c)阀塔切面场强分布可以看出，在阀塔内部，场强集中分布在与各相线相连的避雷器附近，其余部分的场强则很小.

4)图d)表示了阀塔电位分布正视图。

图6)给出了以阀厅作为整体分析阀厅的场强/电位分布计算图，可知：

a)阀厅外边界所加电位为零，所以由电位分布图可以看出，等位线由内部的围绕元件几何形状分布，逐渐向外部过渡，最终与阀厅外边界相吻合的分布趋势。这一电位分布趋势表明，目前计算结果具有合理性。

b)场强均集中分布于导体表面，且随着距导体表面距离越远，场强衰减得很快。

c)由于yd连接部分只有C相线加了330kV电压，而yy连接部分各相线所加电压为380kV、320kV、660kV，所以从全空间的电位分布图来看，yy连接周围空间的电位比yd连接部分高，场强也更大

3.分析计算结果并给出选型结论

根据上述计算结果，全空间最大场强出现于yy连接A、B、C三相进线的端部以及上下管母，大小为26.22kV/cm。yd连接的A、B、C三相进线端部场强也较强为14.32kV/cm。但上述场强均小于空气的击穿场强，阀厅内部基本不存在起晕现象。这说明当前金具选型合理，能够满足660kV阀厅安全运行要求。

上述实例不以任何形式限定本发明，凡采取等同替换或等效变换的形式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.本发明的目的在于提供一种可靠的金具选型计算方法，以阀厅整体作为研究对象，采用有限元法完全真实、可靠的模拟不同金具选型情况下阀厅的电场分布，最终选择合理的阀厅金具规格。

2.为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案步骤如下：

2.1计算模型的建立

考虑到金属导体对于空间电位、电场分布起着主要作用，阀厅模型中只考虑了阀厅内的金属导体、部件，其他非金属部件(如绝缘子)在建模中不考虑。采用Ansys计算软件仿真计算。

阀厅内部各元件外套有四个空气域#1～#4(如图2所示)，用于控制四面体网格剖分由内部导体向外部阀厅边界的过渡，根据阀厅尺寸划分每个空气域的尺寸。四个空气域的外部再建一个阀厅实际尺寸大小的空气域(如图3所示)，用于表示阀厅内部的整个空间。

对阀厅内部元件和外部五个空气域模型的剖分(图4)。模型剖分步骤如下：

1)采用Ansys自动剖分模式对阀厅内部所有导体进行网格剖分，自动剖分精度控制采用四级；

2)采用手动单元边长控制和Ansys自动剖分的混合模式对包含阀厅内部导体的四个空气域进行网格剖分，自动剖分精度控制采用四级；

3)采用手动单元边长控制和Ansys自动剖分的混合模式对表示阀厅内部整个空间的外部空气域进行剖分，自动剖分精度控制采用四级。

2.2施加模型边界条件： 

1)阀厅内部各管线导体表面施加电压：

2)最外层空气域的外表面施加零电位

2.3求解过程采用Ansys的分布式预处理共轭梯度法DPCG求解阀厅内部的静电场。

3.场强与电位分布计算与仿真

仿真计算主要关注Yy与Yd换流变连接的A、B、C各相线，上下管母，阀塔各部件表面及附近的场强分布、最大场强及电位分布。最后以阀厅作为整体分析阀厅的场强分布。

4.根据权利1、2、3所述方法，Yy换流变x/y/z跳接金具直径为Φ1600mm，其余金具尺寸统一均设置为Φ1200mm。 

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