CN107194102B - 高压柔性直流换流阀支撑绝缘子串联电压均衡方法 - Google Patents

高压柔性直流换流阀支撑绝缘子串联电压均衡方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了属于换流阀电场算法领域的一种高压柔性直流换流阀支撑绝缘子串联电压均衡方法。该方法包括水路钳制点的选取与电路等效计算优化效果两个步骤。将水路与绝缘子串连接金属部分相互牵制，通过水路电位均匀分布、水路电阻值比电容的电抗值要小的特性，直接快捷地改善杂散电容大小分布不均造成的电位分布不均现象，原理简单易懂，极好地利用了自身结构特点，无需增加额外结构，能够很好的满足工程需求，且安装成本小，工程实施方便。并且为了更方便的计算优化结果，采用电路等效计算方法进行计算，方便反复修改钳制点位置，寻找最佳的优化方案。通过等效的电阻电容值进行电路参数计算，计算简单，计算时间短，可以大大节约工程成本与时间。

Description

高压柔性直流换流阀支撑绝缘子串联电压均衡方法
技术领域
本发明属于换流阀电场算法领域，特别涉及一种高压柔性直流换流阀支撑绝缘子串联电压均衡方法。
背景技术
在传统特高压直流输电发展的同时，基于电压源换流器的柔性直流输电技术也在不断发展。从南汇、舟山、南澳、厦门到鲁西工程的投运，电压等级从±30kV不断提升到±800kV的同时，换流阀结构也发生了很大改变，绝缘子因其起着支撑和绝缘的重要作用，成为了重点关心对象。当工作电压增高时，单根绝缘子支撑已经满足不了工程需求，多根绝缘子用简单的机械连接组成绝缘子串成了必然趋势。在交流电压作用下，绝缘子串金属部分与其他导体之间存在杂散电容，使沿绝缘子串电压分布不均匀，越靠近高压端的绝缘子承受的电压差越高，承受电压过高易导致绝缘闪络、起晕、劣化等。因此绝缘子串均压设计受到了越来越多的关注。
目前，关于交、直流线路绝缘子串电压均衡方法的研究较多，而针对换流阀用绝缘子的相关研究很少，但是随着电压等级不断升高，绝缘子串逐渐加长，电压等级越高，串联绝缘子根数越多，其电压分布也越不均匀，对换流阀绝缘子串均压设计的要求也越严格，成为了实现小安全裕度下换流阀绝缘优化设计的关键。
绝缘子串电压分布关系到绝缘子的型号、屏蔽环的布置及金具结构的选择,目前换流阀塔中的绝缘子串均压优化方法基本参考线路优化方法，均压优化方案普遍有两种，其中一种优化方案是采用不同特点的绝缘子串联，例如在绝缘子串的两端采用大电容大爬距绝缘子，而绝缘子串的中间部分仍用普通绝缘子，构成一个插花绝缘子串。这种方法实施起来较为复杂，结构改动较大，型号选取复杂。第二种优化方案是在绝缘子端部增加均压环，通过加装均压环提高其起晕电压和闪络电压，同时增大绝缘子对地电容，对改善绝缘子串电压分布有较好的效果，成本较小。然而均压环的大小与安装位置需要进行反复的数值计算与建模仿真，修改周期长，最佳位置不好确定。以上方法往往忽略了换流阀自身结构上所具有的特点，如图1所示，在换流阀阀塔内部有多根进出冷却水管，其电位分布受电导率影响，相当于一个数值极大的电阻，导致整体电位呈现均匀线性分布。在换流阀中，水管成为了一个极为方便采用的均压手段。
将水路与串联绝缘子连接部分法兰用金属连接在一起作等电位处理，这种方法叫做水路钳制。水路钳制是一种解决绝缘子串电压分配不均问题的一种方法，而水路钳制的优化方法目前还未被工程采用。水路钳制方法安装难度小，实施方便，是一种不容忽视的优化方法。
在计算方面方法较多，其中有限元法因其计算准确、适用性强等优点，尤其是ANSYS软件在电场计算方面的不断成熟与发展，大量研究人员更多采用有限元方法对其电场进行计算。然而考虑到水路钳制后电流场和静电场耦合，阀模型就成为准静态电场模型，直接分析准静态电场难度较大，ANSYS 软件中实现起来较为困难。并且为了得到更佳的优化效果，采用电路等效计算方法进行优化结果计算，更加适合反复修改钳制点位置、寻找最佳的优化方案的工程需求。通过等效的电阻电容值进行电路参数计算，其计算简单，计算时间短，可以大大节约工程成本与时间。
发明内容
本发明的目的是提供一种高压柔性直流换流阀支撑绝缘子串联电压均衡方法，其特征在于，基于电压源换流器的柔性直流输电技术电压等级从±30kV 不断提升到±800kV的同时，换流阀结构也发生了很大改变，起着支撑和绝缘作用的绝缘子因其工作电压增高，单根绝缘子支撑已经满足不了工程需求，只能是多根绝缘子用简单的机械连接组成绝缘子串来解决；在交流电压作用下，绝缘子串金属部分与其他导体之间存在杂散电容，使沿绝缘子串电压分布不均匀，越靠近高压端的绝缘子承受的电压差越高，承受过高电压易导致绝缘闪络、起晕和劣化；绝缘子串的金属部分与周围导体之间存在杂散电容是电压分配不均衡产生最主要的原因；实际在换流阀阀塔内部有多根进出冷却水管，其电位分布受电导率影响，相当于一个数值极大的电阻，导致整体电位呈现均匀线性分布。在换流阀中，水管成为一个极为方便采用的均压手段；水路钳制方法是通过在水管上增加与绝缘子串金属部分的连接点，通过水路自身的大电阻与均匀线性电压分布特性影响杂散电容的自然分压结果，以此达到电压均衡的目的；
设绝缘子串的金属部分与周围的导体形成三种类型的杂散电容C1、C2和C3(如图1所示)；其中C1是屏蔽罩、阀模块与中层金属之间的杂散电容， C2是中层金属与接地底座之间的杂散电容，C3是屏蔽罩、阀模块与接地底座之间的杂散电容。三种杂散电容的存在与数值大小的差别导致了绝缘子串上的电位分布不均；
未钳制前的水路可以等效成一个阻值极大的电阻R，与C1、C2、C3的电路等效关系(如图2所示)，在水管上增加一个与绝缘子金属部分连接的钳制点后，电路等效(电路图如图3所示)为R1是水路钳制点上段的电阻，R2是水路钳制点下段的电阻；阀塔模型等效为两个电容串联、两个电阻串联，再将这两组元器件并联；水路在电流场下电位呈线性分布，并且水路的电阻值比电容的电抗值要小，而且钳制点的改变可以使
Figure BDA0001313106920000041
与
Figure BDA0001313106920000042
更接近，使得电压分配均匀，进而水路钳制使得有效地改善杂散电容引起的电压分配不均的问题；具体包括水路钳制点的选取与优化效果计算两个步骤，钳制点的位置反复的选择最佳的钳制点位置；优化效果计算目前普遍采用的是有限元电场计算：首先选取合适的水路钳制点，尽量考虑在距离绝缘子串连接金属部分较近距离的水管位置，水路钳制点反复选取与优化，不同的钳制点对应了不同的水路电阻与不同的电压分配结果。水管在电流场下按照电阻分布，与电容共同作用影响分压，根据公式(1-1)计算得到，
R＝L/(γ×A) (1-1)
其中：
L：水管长度；
γ：水的电导率；
A：水管的横截面积；
其次，通过ANSYS的数值计算功能得到整个阀厅的静电能量，从而得到各个部分的杂散电容；得到各个电路参数后，阀塔模型等效为多个电容串联、多个电阻串联，再将这两组元器件并联，进而求得水路钳制后串联绝缘子的电压分配结果，通过反复修改钳制点位置，反复计算得到最佳的优化结果。
本发明的有益效果在于：
第一.提出水路钳制方法可以通过水路电位均匀分布、水路电阻值比电容的电抗值要小的特性，通过电位钳制直接快捷地改善杂散电容大小分布不均造成的电位分布不均现象，原理简单易懂，极好地利用了自身结构特点，无需增加额外结构，能够很好的满足工程需求，计算快速、且安装成本小，工程实施方便，具有较高实际工程价值。
第二.采用的电路计算方法简单快捷，相比起其他计算方法，不需要反复的修改模型，进行大量的有限元计算，可以通过简单的参数计算，反复调整钳制点位置，得到最佳的钳制点位置，达到需要的均压效果，工程难度小，计算时间短，大大节约工程成本与时间。
附图说明
图1为绝缘子串电压不均原理图。
图2为换流阀塔水路钳制前电路等效图。
图3(a、b)为换流阀塔水路钳制前电路等效图。
图4为±800kV换流阀塔模型简化结构图。
图5为电位钳制点示意图。
图6为交直流耐压下不同钳制点对应的下层绝缘子分压百分比的曲线。
具体实施方式
本发明提出的一种高压柔直换流阀串联绝缘子电压分配均衡方法，该方法适用于换流阀塔绝缘子串联电压均衡问题。基于电压源换流器的柔性直流输电技术电压等级从±30kV不断提升到±800kV的同时，换流阀结构也发生了很大改变，起着支撑和绝缘作用的绝缘子因其工作电压增高，单根绝缘子支撑已经满足不了工程需求，只能是多根绝缘子用简单的机械连接组成绝缘子串来解决；在交流电压作用下，绝缘子串金属部分与其他导体之间存在杂散电容，使沿绝缘子串电压分布不均匀，越靠近高压端的绝缘子承受的电压差越高，承受过高电压易导致绝缘闪络、起晕和劣化；绝缘子串的金属部分与周围导体之间存在杂散电容是电压分配不均衡产生最主要的原因。下面结合附图，对实施例作详细说明。
实际在换流阀阀塔内部有多根进出冷却水管，其电位分布受电导率影响，相当于一个数值极大的电阻，导致整体电位呈现均匀线性分布。在换流阀中，水管成为一个极为方便采用的均压手段；水路钳制方法是通过在水管上增加与绝缘子串金属部分的连接点，通过水路自身的大电阻与均匀线性电压分布特性影响杂散电容的自然分压结果，以此达到电压均衡的目的；
设绝缘子串的金属部分与周围的导体形成三种类型的杂散电容C1、C2和C3(如图1所示)；其中C1是屏蔽罩、阀模块与中层金属之间的杂散电容， C2是中层金属与接地底座之间的杂散电容，C3是屏蔽罩、阀模块与接地底座之间的杂散电容。三种杂散电容的存在与数值大小的差别导致了绝缘子串上的电位分布不均；
未钳制前的水路可以等效成一个阻值极大的电阻R，与C1、C2、C3的电路等效关系(如图2所示)，在水管上增加一个与绝缘子金属部分连接的钳制点后，电路等效为R1是水路钳制点上段的电阻，R2是水路钳制点下段的电阻(电路图如图3中a所示)；阀塔模型等效为两个电容串联、两个电阻串联，再将这两组元器件并联(电路图如图3中b所示)；水路在电流场下电位呈线性分布，并且水路的电阻值比电容的电抗值要小，而且钳制点的改变可以使
Figure BDA0001313106920000061
与
Figure DEST_PATH_FDA0001313106910000022
更接近，使得电压分配均匀，进而水路钳制使得有效地改善杂散电容引起的电压分配不均的问题；
本发明包括水路钳制点的选取与优化效果计算两个步骤。钳制点的位置可以反复的选择，选择最佳的钳制点位置。优化效果计算可以采用多种方法，目前普遍采用的是有限元电场计算。本发明考虑到水路钳制后电流场和静电场耦合，阀模型就成为准静态电场模型，直接分析准静态电场难度较大， ANSYS软件中实现起来较为困难，并且为了得到更佳的优化效果，采用电路等效计算方法进行优化结果计算，更加适合反复修改钳制点位置、寻找最佳的优化方案的工程需求。通过等效的电阻电容值进行电路参数计算，其计算简单，计算时间短，可以大大节约工程成本与时间。主要均衡过程如下：
以如图4所示某±800kV的换流阀进行阀支架交、直流耐压试验下两根串联绝缘子的电压分配进行优化为实例进行说明。
未优化前的两根串联绝缘子的电压分配结果通过ANSYS有限元电场计算得到，上层绝缘子分压百分比为64.6％，下层绝缘子的分压百分比为35.4％。
步骤1：在合适的高度增加水路钳制点进行优化。
考虑到安装方便，首先选择在绝缘子串联中部金具横梁与同等水平高度的水管位置增加一个电位钳制点，定为1号钳制点。
步骤2：计算优化后的电压分配情况。计算方法包括但不仅限于有限元电场计算、电路等效计算，本例采用电路等效计算。
设绝缘子串的金属部分与周围的导体形成三种类型的杂散电容C1、C2和C3(如图1所示)；其中C1是屏蔽罩、阀模块与中层金属之间的杂散电容， C2是中层金属与接地底座之间的杂散电容，C3是屏蔽罩、阀模块与接地底座之间的杂散电容。三种杂散电容的存在与数值大小的差别导致了绝缘子串上的电位分布不均；
如图4所示，底层阀模块、阀底均压环为第一层导体，对应图1中编号为1；中层法兰为第二层导体，对应图1中编号为2；底层均压环、底座和大地图1构成第三层导体，对应图1中编号为3，其电路等效关系如图1所示；未钳制前的水路可以等效成一个阻值极大的电阻R，与C1、C2、C3的电路等效关系如图2所示，其中，C1是1号等效单元与2号等效单元之间的互电容，C2是2号等效单元与3号等效单元之间的互电容；在水管上增加一个与绝缘子金属部分连接的钳制点后，电路等效如图3所示，R1是水路钳制点上段的电阻，R2是水路钳制点下段的电阻；阀塔模型等效为两个电容串联、两个电阻串联，再将这两组元器件并联；考虑到阀模块与串联绝缘子中层法兰之间的电容C1与中层法兰对地电容C2之间的差异是造成电压分配不均衡的主要原因。考虑到每层的导体电位相等，本例以层为单位进行电容提取。采用ANSYS建立换流阀屏蔽系统三维模型并进行剖分，并基于有限元方法提取等效寄生电容参数。改善原本电容分压不均的现象。计算可知C1＝41.18pF， C2＝85pF。取水路中流体电导率为2.86×10-5S/m(即电阻率ρ＝3.5MΩ·cm)，当水路钳制点定在与绝缘子串联中部金具横梁水平高度的位置时， R1＝67.95MΩ、R2＝54.98MΩ。计算后得到安装1号钳制点后电压分配比如表1 所示。
表1 1号钳制点钳制后的电压分配结果
Figure BDA0001313106920000081
步骤3：根据工程需求，反复修改钳制点位置，寻找最佳的优化结果
本例中，反复修改水路钳制点的位置，如图5所示，从1号钳制点位置处继续上移(一个弯的长度：1.178m)，钳制点的位置说明如表2所示，得到不同的钳制点与电位分配情况，如表2所示。
表2不同钳制点对应的不同电压分配结果
Figure BDA0001313106920000091
考虑到直流耐压试验中，串联绝缘子上的电压分配情况主要受到水路电阻的影响，钳制点位置的选取也会相应改变直流耐压试验下的串联绝缘子电压分配情况。工程中必须同时考虑交直流耐压试验下的电压分配情况。交直流耐压下不同钳制点对应的下层绝缘子分压百分比的曲线如图6所示，并且考虑到绝缘子表面的闪络问题，对不同钳制点做交直流下爬距的校核，4个钳制点均满足爬距要求，在交直流试验电压下不会发生闪络，因此4号钳制点已经可以满足工程均压需求。
与现有的计算方法相比，本发明具备如下优点：
第一、本发明提出水路钳制方法可以通过水路电位均匀分布、水路电阻值比电容的电抗值要小的特性，通过电位钳制直接快捷地改善杂散电容大小分布不均造成的电位分布不均现象，原理简单易懂，极好地利用了自身结构特点，无需增加额外结构，能够很好的满足工程需求，且安装成本小，工程实施方便。
第二、本发明所采用的计算方法简单快捷，相比起其他方法，不需要反复的修改模型，进行大量的有限元计算，可以通过简单的参数计算，反复调整钳制点位置，得到最佳的钳制点位置，达到需要的均压效果，工程难度小，计算时间短，大大节约工程成本与时间。

Claims (2)

1.一种高压柔性直流换流阀支撑绝缘子串联电压均衡方法，其特征在于，基于电压源换流器的柔性直流输电技术电压等级从±30kV不断提升到±800kV的同时，换流阀结构也发生了很大改变，起着支撑和绝缘作用的绝缘子因其工作电压增高，单根绝缘子支撑已经满足不了工程需求，只能是多根绝缘子用简单的机械连接组成绝缘子串来解决；实际在换流阀阀塔内部有多根的绝缘子串进出冷却水管，绝缘子串的电导率影响换流阀阀塔内部电位分布，相当于一个数值大的电阻，导致整体电位呈现均匀线性分布；在换流阀中，水管成为一个均压手段；水路钳制方法是通过在水管上增加与绝缘子串金属部分的连接点，绝缘子串上电压分布以水路自身的大电阻与杂散电容进行电路等效，绝缘子串上电压分布通过电路等效计算得到结果；具体包括以下内容：
步骤1：在水管合适的位置增加与绝缘子串金属部分的连接点，通过水路自身的大电阻与均匀线性电压分布特性影响杂散电容的自然分压结果；
步骤2：采用电路等效计算方法，计算优化后的电压分配情况；具体是：设绝缘子串的金属部分与周围的导体形成三种类型的杂散电容C1、C2和C3；其中C1是屏蔽罩、阀模块与中层金属之间的杂散电容，C2是中层金属与接地底座之间的杂散电容，C3是屏蔽罩、阀模块与接地底座之间的杂散电容；未钳制前的水路可以等效成一个阻值大的电阻R，在水管上增加一个与绝缘子金属部分连接的钳制点后，电路等效为R1是水路钳制点上段的电阻，R2是水路钳制点下段的电阻；阀塔模型等效为两个电容串联、两个电阻串联，再将这两组元器件并联；水路在电流场下电位呈线性分布，并且水路的电阻值比电容的电抗值要小，而且钳制点的改变可以使
Figure FDA0002458380420000011
更接近，使得电压分配均匀，进而水路钳制改善杂散电容引起的电压分配不均的问题；水管在电流场下按照电阻分布，与电容共同作用影响分压，根据公式(1-1)计算得到，
R＝L/(γ×A) (1-1)
其中：
L：水管长度；
γ：水的电导率；
A：水管的横截面积；
步骤3：在优化结果不理想的情况下，根据工程需求，通过反复修改钳制点位置，寻找最佳的钳制点，并反复计算得到最佳的优化结果。
2.根据权利要求1所述一种高压柔性直流换流阀支撑绝缘子串联电压均衡方法，其特征在于，所述电路等效计算过程如下：
步骤1：采用ANSYS软件建立换流阀屏蔽系统三维模型并进行剖分，并基于电路等效计算方法提取杂散电容参数；通过ANSYS的数值计算功能得到整个阀厅的静电能量，从而得到各个部分的杂散电容；得到各个电路参数后，阀塔模型等效为多个电容串联、多个电阻串联，再将这两组元器件并联，进而求得水路钳制后串联绝缘子的电压分配结果；
步骤2：根据水路电阻计算公式，根据实际水路钳制点位置，计算钳制点分割后各段的水路电阻值；
步骤3：结合电路进行计算，多个杂散电容先串联后与多个水路电阻并联，得到分压百分比；
步骤4：根据所加电压等级与分压百分比，得到实际每根绝缘子上的电压分配情况，判断是否满足工程需求。
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