CN103683269B - 一种考虑外绝缘污秽的直流分压器均压环优化设计方法 - Google Patents

一种考虑外绝缘污秽的直流分压器均压环优化设计方法 Download PDF

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Abstract

一种考虑外绝缘污秽的直流分压器均压环优化设计方法,包括步骤:建立直流分压器的二维轴对称模型;通过静电场与时谐场仿真提取直流分压器表面污秽在干燥、湿润和混合情况下的材料参数;考虑直流分压器表面不同污秽类型对电场分布的影响;考虑不同均压环结构参数对直流分压器外绝缘表面和均压环表面电场分布的影响;综合结构参数的影响选取最优化的均压环结构及配置方法。本发明可对直流分压器表面积污情况下的均压环结构及配置进行简洁有效的优化改进,且能直接对直流分压器的污秽闪络事故进行评估和有效预警。

Description

一种考虑外绝缘污秽的直流分压器均压环优化设计方法
技术领域
本发明涉及直流输电系统的部件设计,具体说是一种直流分压器均压环优化设计方法。
背景技术
直流输电工程是以直流电的方式完成电能传输的工程,现代电力传输系统由直流输电与交流输电相互配合构成。相对于交流输电系统而言,直流输电系统的优势主要体现在直流输电线路输送容量大、损耗小、造价低,同时不存在交流输电中的稳定问题,可实现电力系统之间的非同步并联以及可以方便的分期建设和增容扩建等方面。因此,直流输电技术主要应用于远距离大容量输电,电力系统联网,直流电缆送电,现有交流输电线路的增容改造以及轻型直流输电等方面。
换流站作为直流输电系统的重要构成部分之一,由基本的换流单元组成,基本换流单元是在换流站内允许独立进行换流的换流系统,主要包括换流变压器、换流器、相应的交流滤波器和直流滤波器以及控制保护装置,换流站的主要设备一般被分别布置在交流开关场区域、换流变压器区域、阀厅控制楼区域以及直流开关场区域里。直流分压器作为换流站直流输电系统电压的监测设备,直接影响到整个直流输电系统的安全稳定运行。近年来,国内已多次出现由直流分压器的闪络和设备原因导致的直流系统故障,对于直流输电系统造成重大的损失。2004年11月6日,江陵站极极母线直流分压器外绝缘闪络导致站内极极母线差动保护动作,极直流系统闭锁并转至隔离状态,5241和5242开关跳闸并闭锁。2005年5月25日,天生桥站极极高压母线分压器闪络,直流分压器绝缘支柱上端第一片瓷裙与金属之间有一块约为4.5cm2的放电痕迹,直流分压器底座有几处明显的放电痕迹,导致站内极极母线差动保护动作,极直流系统闭锁并转至隔离状态。2009年2月26日,龙泉站极极母线分压器闪络,均压环出现击穿小孔,直流分压器底座有明显的放电痕迹,站内极极母线差动保护动作,极直流系统闭锁并转至隔离状态,5051和5052开关跳闸并闭锁。
分析总结以上事故的原因,直流分压器外绝缘发生污秽闪络事故均出现在雨天或者雾天。因此,在不同的积污情况下,特别是在污秽湿润的情况下,研究直流分压器在直流下的电场分布特性,对其复合外绝缘进行电场优化,同时优化均压环结构,改善复合外绝缘的电位分布,对于提高复合外绝缘的利用效能,保证电网的安全稳定运行具有极其重要的意义。目前尚未见有针对直流分压器均压环的,为更好的防止污秽闪络事故而进行的系统研究和结构设计。
发明内容
为了解决现有均压环优化设计方法中均未考虑污秽的问题,本发明提供一种考虑外绝缘污秽的直流分压器均压环优化设计方法,使得均压环的设计和制造更加合理,显著降低直流分压器表面污秽闪络事故的发生率。
所述考虑外绝缘污秽的直流分压器均压环优化设计方法,其特征是:依次按下述步骤进行:
步骤一,根据直流分压器实际结构和安装位置以直流分压器的中心线为对称轴,按照1:1的尺寸比例构建可用于静电场和时谐电场有限元分析的二维轴对称模型,作为后续电场分析的计算模型;
在静电场中利用有限元分析工具,采用所述计算模型进行有限元计算,得到该模型的均压环结构参数下直流分压器外绝缘和均压环表面的电场分布;
步骤二,对于覆盖了污秽的直流分压器进行静电场和时谐电场对比分析,分析过程如下:提取污秽的相对介电常数和电阻率参数,利用有限元分析工具,采用步骤一中所述的计算模型进行有限元计算,得到该种污秽的相对介电常数和电导率的参数;
步骤三,根据获取的所述污秽的相对介电常数和电导率参数,在静电场中利用有限元分析工具,采用所述计算模型进行有限元计算,得到该种污秽下的均压环结构参数对直流分压器外绝缘和均压环表面电场分布的影响;
步骤四,以直流分压器外绝缘和均压环的表面电场分布作为均压环优化对象,综合分析该种污秽覆盖状态的电场分布,选取均压环结构及安装位置,使之满足:有最小的电场最大值且电场最大值小于均压环的起晕场强。
作为一种简要的实施方案,所述的污秽包括干燥、湿润和混合污秽类型,分别进行静电场和时谐电场的分析对比后综合选取优化的均压环结构及安装位置。
作为一种简要的实施方案,所述均压环结构参数包括均压环环径、管径和两均压环的中心距离以及安装位置,安装位置包括均压环在直流分压器外绝缘表面的罩入深度。
这四个参数是影响均压环和直流分压器表面电场分布的主要因素。
上述步骤四具体为:比较直流分压器表面无污秽、表面积累干燥污秽、湿润污秽和混合污秽四种情况下改变均压环结构参数和安装位置时均压环和直流分压器表面电场分布的变化,选取电场值最大的污秽类型作为优化设计的对象模型,进行均压环的结构优化;分别改变均压环结构参数和安装位置,分析结构参数和安装位置对电场分布的影响,确定主要的优化参数,包括:均压环环径、管径、两均压环的中心距离、安装位置。
前述方案是针对一种污秽进行的优化,有可能在其他三种情况电场都不是优化的,是恶化的,那就得重新修改参数。进一步地,确定所述的选取电场值最大的污秽类型确定的主要的优化参数后,通过计算选定该种参数在直流分压器表面无污秽、表面积累干燥污秽、湿润污秽和混合污秽四种情况下的最终优化参数,方法是分别对比优化前后直流分压器表面无污秽、表面积累干燥、湿润和混合污秽下的电场分布,若不满足设定要求则修改参数,直至确定最终优化方案。
与现有技术相比,本发明使用了简洁有效的方法使直流分压器均压环在表面附着有污秽的情况下电场分布得到了最优化,填补了在此方面直流分压器均压环结构设计的空白,具有以下特点和有益效果:
1、本发明方法采用有限元分析方法,考虑直流分压器表面覆盖污秽情况下的电场分布,模拟直流分压器实际运行状况,在均压环优化设计中充分考虑了现场运行情况对直流分压器表面电场分布的影响。设计合理,可以直接应用于均压环的生产实践。改变了以往对直流分压器表面污秽闪络事故仅能采取替换的被动局面,大幅降低了污闪事故发生的概率。
2、本发明方法可应用于直流分压器运行状态评估,通过分析直流分压器在表面覆盖污秽情况下的电场分布,能预防和发现直流分压器的绝缘薄弱点,可作为运行检修部门对直流分压器外绝缘加强改造的依据。改变了以往对直流分压器表面污秽闪络事故仅能等待事故发生后或定期进行部件更换的被动状况,并起到了好的效果。
3、本发明方法适用于±500kV、±660kV和±800kV直流换流站内直流分压器均压环的优化设计。
4、使用本发明方案对直流分压器均压环进行设计成本低廉、效果显著,对于高压直流换流站的实际应用具有重要的意义。
附图说明
图1是本发明直流分压器均压环优化设计方法流程图,
图2a是直流分压器的二维轴对称模型实施例,
图2b是图2a中伞裙部分放大图,
图3a是一种直流分压器均压环带有表面污秽状态的时谐电场仿真结果,
图3b是图3a中的直流分压器均压环带有表面污秽状态的静电场仿真结果,
图3c是图3a和图3b中的表面带有污秽的直流分压器均压环的污秽表面电场分布对比,
图4a是一种带有干燥污秽情况下均压环优化前的电场分布图,
图4b是带有干燥污秽情况下的图4a中的均压环优化后的电场分布图,
图5是一种带有干燥污秽情况下均压环优化前后污秽表面电场分布对比。
图中:1—上均压环,2—高压法兰,3—下均压环,4—绝缘伞裙,5—低压法兰,6—支撑。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明:所述考虑外绝缘污秽的直流分压器均压环优化设计方法,参见图1流程图,依次按下述步骤进行:
步骤一,根据直流分压器实际结构和安装位置以直流分压器的中心线为对称轴,按照1:1的尺寸比例构建可用于静电场和时谐电场有限元分析的二维轴对称模型,作为后续电场分析的计算模型;
在静电场中利用有限元分析工具,采用所述计算模型进行有限元计算,得到该模型的均压环结构参数下直流分压器外绝缘和均压环表面电场分布;作为污秽附着情况下的电场分布对比基础。
步骤二,对于覆盖了各种污秽的直流分压器进行静电场和时谐电场对比分析,分析过程如下:提取不同污秽的相对介电常数和电阻率参数,利用有限元分析工具,采用步骤一中所述的计算模型进行有限元计算,得到该种污秽的相对介电常数和电导率的参数;这里可以逐一得到各种污秽情况下的相对介电常数和电导率的参数。
步骤三,根据获取的所述污秽的相对介电常数和电导率参数,在静电场中利用有限元分析工具,采用所述计算模型进行有限元计算,得到各种污秽下的均压环结构参数对直流分压器外绝缘和均压环表面电场分布的影响;
步骤四,以直流分压器外绝缘和均压环的表面电场分布作为均压环优化对象,综合分析各种污秽覆盖状态的电场分布,选取均压环结构及安装位置,使之满足:有最小的电场最大值且电场最大值小于均压环的起晕场强。
作为一种简要的实施方案,所述的污秽包括干燥、湿润和混合污秽类型,分别进行静电场和时谐电场的分析对比后综合选取优化的均压环结构及安装位置。
所述均压环结构参数包括均压环环径、管径和两均压环的中心距离以及安装位置,安装位置包括均压环在直流分压器外绝缘表面的罩入深度。这四个参数是影响均压环和直流分压器表面电场分布的主要因素。
可以模拟直流分压器表面在存在污秽时的泄漏电流的作用,确定在静电场仿真中不同污秽类型的材料参数。静电场中只考虑相对介电常数进行有限元分析是考虑不了泄漏电流的,但是时谐电场考虑相对介电常数和电阻率就考虑了泄漏电流对电场分布的影响。静电场中影响电场分布的是相对介电常数,而时谐电场中试电阻率和相对介电常数共同影响,当直流分压器高低压端之间有电位差,又有导电的污秽存在的时候,就会有泄漏电流。对比静电场和时谐电场的电场分布在什么参数情况下一致的,来确定静电场仿真中不同污秽类型的材料参数,静电场和时谐电场的电场分布一致的话就认为在静电场中采用这个参数考虑了泄漏电流的影响。
上述步骤四具体为:比较直流分压器表面无污秽、表面积累干燥污秽、湿润污秽和混合污秽四种情况下改变均压环结构参数和安装位置时均压环和直流分压器表面电场分布的变化,选取电场值最大的污秽类型作为优化设计的对象模型,进行均压环的结构优化;分别改变均压环结构参数和安装位置,分析结构参数和安装位置对电场分布的影响,确定主要的优化参数,包括:均压环环径、管径、两均压环的中心距离、安装位置。
前述实施方案是针对一种污秽进行的优化,有可能在其他三种情况电场都不是优化的,是恶化的,如果电场分布是恶化的就得重新修改参数。进一步地,确定所述的选取电场值最大的污秽类型确定的主要的优化参数后,通过计算选定该种参数在直流分压器表面无污秽、表面积累干燥污秽、湿润污秽和混合污秽四种情况下的最终优化参数,方法是分别对比优化前后直流分压器表面无污秽、表面积累干燥、湿润和混合污秽下的电场分布,若不满足设定要求则修改参数,直至确定最终优化方案。
本发明方法可概括为三个阶段:前置处理、材料参数提取和优化设计。前置处理即根据结构和安装位置建立直流分压器二维轴对称模型;材料参数提取包括根据现场运行状况获取时谐场仿真中不同类型污秽的相对介电常数和电导率,与静电场仿真相对比,获取静电场中污秽的相对介电常数;优化设计包括以直流分压器外绝缘和均压环表面电场为目标针对不同污秽类型分别进行均压环优化,总结不同污秽类型下的优化措施提出最终均压环优化方案。
下面将以±500kV直流分压器的均压环优化为例进一步说明本发明方法。
图2a、图2b所示为某直流换流站内直流分压器的二维轴对称模型建模示意图。首先,根据直流分压器的实际结构建立1:1仿真模型,建模中考虑直流分压器的具体安装位置,从图中可见,直流分压器的绝缘伞裙经支撑6的支撑,安装于高压法兰2和低压法兰5之间,上部设有上均压环1和下均压环6,同时对直流分压器管母进行一定的等效简化后成为二维轴对称模型;根据实际污秽厚度在直流分压器表面建立均匀污秽模型,测量污秽的电导率(根据GBT22707-2008《直流系统用高压绝缘子的人工污秽试验》进行实施),将测量结果设置时谐电场中污秽的相对介电常数和电导率。
图3a~3c为针对干燥污秽进行的静电场和时谐电场有限元仿真对比,时谐电场中污秽的材料参数可根据实际测量得到,在静电场中设置不同的污秽参数与时谐场仿真结果对比,获得静电场中的污秽参数;采用相同方法最终获得了静电场中湿润污秽的相对介电常数。混合污秽由干燥和湿润污秽共同组成,不同部分设置不同的相对介电常数。
图4a和图4b为在静电场中针对直流分压器表面覆着干燥污秽的情况下进行的均压环优化前后结果对比,图4a和图4b分别为考虑干燥污秽下均压环优化前后电场分布云图对比,结果表明优化后电场最大值明显降低,图5为优化前后污秽表面电场分布对比,污秽表面电场呈整体降低趋势。
综合考虑干燥、湿润和混合污秽情况下改变均压环环径、管径、两均压环中心距离和罩入深度前后直流分压器绝缘伞裙和均压环表面电场分布的结果,确定均压环优化方案,图5为优化前后伞裙和均压环表面的电场对比结果,结果显示优化后电场数值降低了15%,优化措施显著改善了直流分压器表面及周围的电场分布。

Claims (5)

1.一种考虑外绝缘污秽的直流分压器均压环优化设计方法,其特征是:依次按下述步骤进行:
步骤一,根据直流分压器实际结构和安装位置以直流分压器的中心线为对称轴,按照1:1的尺寸比例构建可用于静电场和时谐电场有限元分析的二维轴对称模型,作为后续电场分析的计算模型;
在静电场中利用有限元分析工具,采用所述计算模型进行有限元计算,得到该模型的均压环结构参数下直流分压器外绝缘和均压环表面的电场分布;
步骤二,对于覆盖了污秽的直流分压器进行静电场和时谐电场对比分析,分析过程如下:提取污秽的相对介电常数和电阻率参数,利用有限元分析工具,采用步骤一中所述的计算模型进行有限元计算,得到该种污秽的相对介电常数和电导率的参数;
步骤三,根据获取的所述污秽的相对介电常数和电导率参数,在静电场中利用有限元分析工具,采用所述计算模型进行有限元计算,得到该种污秽下的均压环结构参数对直流分压器外绝缘和均压环表面电场分布的影响;
步骤四,以直流分压器外绝缘和均压环的表面电场分布作为均压环优化对象,综合分析该种污秽覆盖状态的电场分布,选取均压环结构及安装位置,使之满足:有最小的电场最大值且电场最大值小于均压环的起晕场强。
2.根据权利要求1所述的考虑外绝缘污秽的直流分压器均压环优化设计方法,其特征是:步骤四具体为:
比较直流分压器表面无污秽、表面积累干燥污秽、湿润污秽和混合污秽四种情况下改变均压环结构参数和安装位置时均压环和直流分压器表面电场分布的变化,选取电场值最大的污秽类型作为优化设计的对象模型,进行均压环的结构优化;分别改变均压环结构参数和安装位置,分析结构参数和安装位置对电场分布的影响,确定主要的优化参数,包括:均压环环径、管径、两均压环的中心距离、安装位置。
3.根据权利要求2所述的考虑外绝缘污秽的直流分压器均压环优化设计方法,其特征是:确定所述的选取电场值最大的污秽类型确定的主要的优化参数后,通过计算选定该种参数在直流分压器表面无污秽、表面积累干燥污秽、湿润污秽和混合污秽四种情况下的最终优化参数,方法是分别对比优化前后直流分压器表面无污秽、表面积累干燥、湿润和混合污秽下的电场分布,若不满足设定要求则修改参数,直至确定最终优化方案。
4.根据权利要求1所述的考虑外绝缘污秽的直流分压器均压环优化设计方法,其特征是:所述的污秽包括干燥、湿润和混合污秽类型,分别进行静电场和时谐电场的分析对比后综合选取优化的均压环结构及安装位置。
5.根据权利要求1所述的考虑外绝缘污秽的直流分压器均压环优化设计方法,其特征是:所述均压环结构参数包括均压环环径、管径和两均压环的中心距离以及安装位置,安装位置包括均压环在直流分压器外绝缘表面的罩入深度。
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