CN102290757A - 新型直流换流站管母线选型布置方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型直流换流站管母线选型布置方法，它的步骤为：(1)选定一管型母线；(2)给定所在区域湿度；(3)设定管型母线表面场强；(4)计算管型母线周围电场强度；(5)计算电离区域半径r_e；(6)计算电离系数α和附着系数η；(7)计算电离区边界自由电子数和初始电子数比值；(8)若大于3500，管型母线表面电场强度即为在该湿度下起晕场强；若小于3500，将管型母线表面电场强度增加一定值，然后遍历步骤(2)-(7)；(9)计算对地高度和极间距的起晕临界；(10)在备选管型母线中另选一种管型母线半径，遍历步骤(2)-(9)；(11)根据实际条件选出合适管型母线型号、管型母线对地高度和极间距。

Description

新型直流换流站管母线选型布置方法

技术领域

本发明涉及特高压输电领域的技术，具体指一种考虑空气湿度的条件下，选择直流换流站管型母线型号，设置管型母线对地高度和极间距的新型直流换流站管母线选型布置方法。

背景技术

我国一次能源分布与负荷中心一直呈现不均衡状态。一次能源多数分布在西北、西南等经济欠发达地区，而我国经济快速增长的华东、华南却多数一次能源匮乏。为了解决我国经济发展与能源需求之间的矛盾、给西部地区带来更大的发展机遇，我国制定了西电东送的整体能源战略，变输煤为输电，满足负荷增长需要。因此，为加强远距离、跨区域输电的能力，减少输电损耗，我国积极建设直流输电项目。

直流管型母线电晕特性是换流站选择管型母线的主要考虑因素。管型母线电晕的大小不但影响换流站周围的电磁环境，如增大无线电干扰、可听噪声等，严重时电晕电流可能会对换流站二次保护、控制，以及通信设备产生电磁干扰，甚至可能造成电晕损耗。因此研究换流站母线的电晕特性，提出最优的母线型式，对换流站母线设计以及将来的经济运行是非常重要的。

导线电晕是指导线表面电位梯度超过某一临界值之后，引起导线周围的空气电离所产生的发光放电现象。导致电晕产生的外施场强临界值定义为起晕场强，决定带电导体表面起晕场强高低的主要因素有导体表面的曲率半径、材料、表面粗糙度以及周围空气的湿度和温度。由于直流输电线路输送距离长，不可避免地要经过高湿度地区，因此在选择管母线型号和设置管母线时，考虑环境湿度对直流导线电晕的作用尤为重要。目前通常用Peek公式计算管型母线和导体表面的起晕场强，但Peek公式不考虑湿度对管母线电晕的影响。

发明内容

本发明的目的就是为了解决空气湿度对直流换流站管母线设置影响问题，提供一种高湿度地区用新型直流换流站管母线选型布置方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种新型直流换流站管母线选型布置方法，它的步骤为：

(1)在备选管型母线型号中选定一管型母线；

(2)给定管型母线所在区域湿度；

(3)设定管型母线表面场强设定初始值；

(4)利用公式

计算管型母线周围电场强度，其中E是管型母线周围某位置电场强度，r为管型母线周围某位置离导线圆心的径向距离，E₀是管型母线表面场强，r₀是导线半径；

(5)算出使α＝η的电场强度E_e，在通过公式

计算该湿度下电离区域半径r_e；α是电离系数，η为附着系数；

(6)计算该湿度下电离区域内电离系数α和附着系数η；

(7)利用公式

计算在特定湿度下电离区边界自由电子数和初始电子数比值；其中n是初始电子崩中自由电子数目，n₀是空间自由电子的初始数目，α是电离系数，η为附着系数，r_e是电离区半径，r₀是管母线半径；

(8)若此比值大于3500时，此时管型母线表面电场强度即为在该湿度下起晕场强；若此比值小于3500时，将管型母线表面电场强度增加一定值，然后遍历步骤(2)-(7)；

(9)由公式4Ah²+As²-4s²h²＝0计算管型母线在规定电压等级下，对地高度和极间距的起晕临界值，其中A＝r·exp(2U_c/r₀·E_c)，U_c是管型母线起晕电压，E_c是管型母线表面起晕场强，单位为kV/cm，r₀是导体半径，单位cm，h是管型母线对地高度，单位cm，s是两极极间距，单位cm；

(10)在备选管型母线中另选一种管型母线半径，遍历步骤(2)-(9)；

(11)根据实际条件选出合适管型母线型号、管型母线对地高度和极间距。

本发明的工作原理为：

电晕放电是指当导体表面电场强度达到某一临界值，导体附近气体自持放电的现象。由于空间自由电子的存在，当导线表面电场强度超过某一定值时，空间自由电子获得足够能量，定向加速运动，并不断与空气分子碰撞，发生碰撞电离，产生初始电子崩。随着初始电子崩的发展，在各个方向上将会出现越来越多的电子和正离子，大部分电子集中在电子崩的头部，正离子集中在电子崩的尾部。当初始电子崩的头部积聚到足够的空间电子(或空间电荷)，就会引起新的强烈电离和二次电子崩，这种强烈的电离和二次电子崩是由于空间电荷使局部电场增加以及发生空间光电离的结果，这时放电转入电晕自持放电阶段。此时导线表面电场强度最大值即为起晕场强，相对应的电压为起晕电压。随着空气湿度的增加，有效电离系数减小，电离层将减小，碰撞电离能力减弱。这是导体表面起晕场强随空气湿度的增加而增加的主要原因。

所谓自持放电是指不依赖外界电离条件，仅由外施电压作用即可维持的一种气体放电。

所谓电离指不带电的粒子从外界获得能量，变成了带电的粒子的过程。

所谓光电离是指中性粒子在光辐射的作用下发生电离。

所谓碰撞电离是指中性粒子在碰撞的作用下发生电离。

所谓电子崩是指在电场作用下，气体由于碰撞电离发生电子倍增而形成的电子“雪崩”式增加的过程。

所谓电离层，电离系数α大于附着系数η的区域，在该区域内随初始电子崩的发展，电子数将会不断增加，直到电离层的边缘(α＝η)处，电子数将不再增加。

根据上述电晕放电产生的机理，可知初始电子崩的头部含有一定数目电子时，形成电晕自持放电，即产生电晕。初始电子崩中电子数量可由下列公式计算：

$n=n_0\exp \left({\∫}_{r_0}^{r_e}(\mathrm{\α}\left(r\right)-\mathrm{\η}\left(r\right))\mathrm{dr}\right)---\left(1\right)$

其中n是初始电子崩中自由电子数目，n₀是空间自由电子的初始数目，α是电离系数，η为附着系数，r_e是电离区半径，r₀是管母线半径。

由于初始电子数n₀不易确定，因此用形n/n₀作为电晕自持放电的判据。通过实验测定，以空气为绝缘介质的电力设备等的n/n₀值约为3500。

α和η分别是电场和气体压力的函数。为了计算湿空气下起晕场强，可将湿空气视为干空气和水蒸气的混合物考虑。下列公式中，下标d，w分别表示干空气和水蒸气下的参数。湿空气下α和η可表示为：

$\mathrm{\α}=\frac{P_w}{P}{\mathrm{\α}}_w+\frac{P_d}{P}{\mathrm{\α}}_d---\left(2\right)$

$\mathrm{\η}=\frac{P_w}{P}{\mathrm{\η}}_w+\frac{P_d}{P}{\mathrm{\η}}_d---\left(3\right)$

其中，P是大气压力。α和η在干空气下和湿空气中的表达分别为：

$\frac{{\mathrm{\α}}_d}{P}=\left\{\begin{array}{cc}4.7786\exp (-0.221\·\frac{P}{E})& 25\≤\frac{E}{P}\≤60\\ 9.682\exp (-0.2642\·\frac{P}{E})& 60\≤\frac{E}{P}\≤240\end{array}\right.---\left(4\right)$

$\frac{{\mathrm{\α}}_s}{P}=5.6565\exp (-125.47\·\frac{P}{E})---\left(5\right)$

$\frac{{\mathrm{\η}}_d}{P}=0.01298-0.541\left(\frac{E}{P}\right)+8.7{\left(\frac{E}{P}\right)}^2---\left(6\right)$

$\frac{{\mathrm{\η}}_s}{P}=\left\{\begin{array}{cc}-0.026137-0.0261\left(\frac{E}{P}\right)-3.817{\left(\frac{E}{P}\right)}^2& 1.9\≤\frac{E}{P}\≤45.6\\ 0.1385-3.575\×{10}^{-3}\left(\frac{E}{P}\right)-6.313\×{10}^{-5}{\left(\frac{E}{P}\right)}^2& 45.6\≤\frac{E}{P}\≤182.4\end{array}\right.---\left(7\right)$

可按下列方法计算电晕起始场强：

(1)给定管型母线所在区域湿度；

(2)设定管型母线表面场强设定初始值；

(3)利用公式

计算管型母线周围电场强度，其中E是管型母线周围某位置电场强度，r为管型母线周围某位置离导线圆心的径向距离，E₀是管型母线表面场强，r₀是导线半径；

(4)算出使α＝η的电场强度E_e，在通过公式

计算该湿度下电离区域半径r_e；

(5)计算该湿度下电离区域内电离系数α和附着系数η；

(6)利用公式计算在特定湿度下电离区边界自由电子数和初始电子数比值；

(7)若此比值大于3500时，此时管型母线表面电场强度即为在该湿度下起晕场强；若此比值小于3500时，将管型母线表面电场强度增加一定值，然后遍历步骤(2)-(7)。

管型母线表面起晕电压与起晕场强关系式如下所示：

$V_c=E_c{r}_0\ln \left(\frac{2H}{r\sqrt{\frac{{4H}^2}{D^2}+1}}\right)---\left(8\right)$

其中，U_c是管型母线起晕电压，E_c是管型母线表面起晕场强，单位为kV/cm，r₀是导体半径，单位cm，h是管型母线对地高度，单位cm，s是两极极间距，单位cm。

将式(8)整理可得管型母线在起晕电压和起晕场强确定的情况下，对地高度和极间距关系式：

4Ah²+As²-4s²h²＝0    (9)

其中，A＝r·exp(2U_c/r₀·E_c).

由式(9)根据换流站电压等级和管型母线起晕场强，可得使管型母线起晕的对地高度和极间距临界值。根据实际情况，选定管母线型号和设置管型母线对地高度和极间距。

该方法可较好的在管型母线选型和管型母线对地高度和极间距设置中考虑管型母线所在环境湿度因素。图2a、2b、2c所示为10cm、12.5cm、15cm三种半径导线在不同湿度下对地高度和极间距设置临界值。

本发明的有益效果是：本发明充分考虑直流换流站周围环境湿度对管型母线起晕场强的影响，从而在管型母线选型和设置中考虑环境湿度的影响。有利于高湿度地区，换流站建设中的管型母线选型和设置。

附图说明

图1为管型母线选型设置流程图；

图2a为10cm半径导线时湿度对管型母线设置影响；

图2b为12.5cm半径导线时湿度对管型母线设置影响；

图2c为15cm半径导线时湿度对管型母线设置影响。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。

一种考虑湿度影响的换流站管母线选型和设置方法，如图1所示，它的步骤为：

(1)在备选管型母线型号中选定一管型母线；

(2)给定管型母线所在区域湿度；

(3)设定管型母线表面场强设定初始值；

(4)利用公式计算管型母线周围电场强度，其中E是管型母线周围某位置电场强度，r为某位离导线圆心的径向距离，E₀是管型母线表面场强，r₀是导线半径；

(5)算出使α＝η的电场强度E_e，在通过公式

计算该湿度下电离区域半径r_e；

(6)计算该湿度下电离区域内电离系数α和附着系数η；

(7)利用公式

计算在特定湿度下电离区边界自由电子数和初始电子数比值；其中n是初始电子崩中自由电子数目，n₀是空间自由电子的初始数目，α是Townsend的第一电离系数，η为Townsend附着系数，r_e是电离区半径，r₀是管母线半径；

(8)若此比值大于3500时，此时管型母线表面电场强度即为在该湿度下起晕场强；若此比值小于3500时，将管型母线表面电场强度增加一定值，然后遍历步骤(2)-(7)；

(9)由公式4Ah²+As²-4s²h²＝0计算管型母线在规定电压等级下，对地高度和极间距的起晕临界值，其中A＝r·exp(2U_c/r₀·E_c)，U_c是管型母线起晕电压，E_c是管型母线表面起晕场强，单位为kV/cm，r₀是导体半径，单位cm，h是管型母线对地高度，单位cm，s是两极极间距，单位cm；

(10)在备选管型母线中另选一种管型母线半径，遍历步骤(2)-(9)；

(11)根据实际条件选出合适管型母线型号、管型母线对地高度和极间距。

计算半径为10cm、12.5cm、15cm三种半径导线在不同湿度下对地高度和极间距起晕临界值。如图2a、2b、2c所示该方法可较好考虑湿度对管型对地高度和极间距设置的影响。

Claims (4)

1.一种新型直流换流站管母线选型布置方法，其特征是，它的步骤为：

(1)在备选管型母线型号中选定一管型母线；

(2)给定管型母线所在区域湿度；

(3)设定管型母线表面场强设定初始值；

(4)计算管型母线周围电场强度；

(5)计算该湿度下电离区域半径r_e；

(6)计算该湿度下电离区域内电离系数α和附着系数η；

(7)利用公式

计算在特定湿度下电离区边界自由电子数和初始电子数比值；其中n是初始电子崩中自由电子数目，n₀是空间自由电子的初始数目，α是电离系数，η为附着系数，r_e是电离区半径，r₀是管母线半径；

(8)若此比值大于3500时，此时管型母线表面电场强度即为在该湿度下起晕场强；若此比值小于3500时，将管型母线表面电场强度增加一定值，然后遍历步骤(2)-(7)；

(9)由公式4Ah²+As²-4s²h²＝0计算管型母线在规定电压等级下，对地高度和极间距的起晕临界值，其中A＝r·exp(2U_c/r₀·E_c)，U_c是管型母线起晕电压，E_c是管型母线表面起晕场强，单位为kV/cm，r₀是导体半径，单位cm，h是管型母线对地高度，单位cm，s是两极极间距，单位cm；

(10)在备选管型母线中另选一种管型母线半径，遍历步骤(2)-(9)；

(11)根据实际条件选出合适管型母线型号、管型母线对地高度和极间距。

2.如权利要求1所述的新型直流换流站管母线选型布置方法，其特征是，所述步骤(4)中，利用公式

计算管型母线周围电场强度，其中E是管型母线周围某位置电场强度，r为管型母线周围某位置离导线圆心的径向距离，E₀是管型母线表面场强，r₀是导线半径。

3.如权利要求1所述的新型直流换流站管母线选型布置方法，其特征是，所述步骤(5)中，计算该湿度下电离区域半径过程为：算出使α＝η的电场强度E_e，在通过公式

计算该湿度下电离区域半径r_e。

4.如权利要求1所述的新型直流换流站管母线选型布置方法，其特征是，所述步骤(6)中，电离系数α和附着系数η分别是电场和气体压力的函数，将湿空气视为干空气和水蒸气的混合物考虑，下列公式中，下标d，w分别表示干空气和水蒸气下的参数，则湿空气下α和η表示为：

$\mathrm{\α}=\frac{P_w}{P}{\mathrm{\α}}_w+\frac{P_d}{P}{\mathrm{\α}}_d---\left(2\right)$

$\mathrm{\η}=\frac{P_w}{P}{\mathrm{\η}}_w+\frac{P_d}{P}{\mathrm{\η}}_d---\left(3\right)$

其中，P是大气压力。α和η在干空气下和湿空气中的表达分别为：

$\frac{{\mathrm{\α}}_d}{P}=\left\{\begin{array}{cc}4.7786\exp (-0.221\·\frac{P}{E})& 25\≤\frac{E}{P}\≤60\\ 9.682\exp (-0.2642\·\frac{P}{E})& 60\≤\frac{E}{P}\≤240\end{array}\right.---\left(4\right)$

$\frac{{\mathrm{\α}}_s}{P}=5.6565\exp (-125.47\·\frac{P}{E})---\left(5\right)$

$\frac{{\mathrm{\η}}_d}{P}=0.01298-0.541\left(\frac{E}{P}\right)+8.7{\left(\frac{E}{P}\right)}^2---\left(6\right)$

$\frac{{\mathrm{\η}}_s}{P}=\left\{\begin{array}{cc}-0.026137-0.0261\left(\frac{E}{P}\right)-3.817{\left(\frac{E}{P}\right)}^2& 1.9\≤\frac{E}{P}\≤45.6\\ 0.1385-3.575\×{10}^{-3}\left(\frac{E}{P}\right)-6.313\×{10}^{-5}{\left(\frac{E}{P}\right)}^2& 45.6\≤\frac{E}{P}\≤182.4\end{array}\right.---\left(7\right).$

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