CN109543315A - 一种超/特高压换流站设备金具表面控制场强确定方法 - Google Patents

一种超/特高压换流站设备金具表面控制场强确定方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于电力领域,涉及一种超/特高压换流站设备金具表面控制场强确定方法,根据超/特高压换流站典型电极电晕试验的布置,建立试验场地的三维实体模型,依据试验中典型电极起晕电压,计算出试验布置下典型电极起晕时表面的最大电场强度值;定义典型电极表面最大场强处的等效曲率半径;通过最大电场强度值和等效曲率半径进行拟合得到典型电极表面起晕场强的计算公式;对得到的起晕场强的计算公式进行修正,得到超/特高压换流站设备金具表面控制场强的表达式,通过该表达式计算超/特高压换流站设备不同金具表面曲率下的控制场强。本发明有效地解决了换流站设备金具设计时控制场强值的选取问题,为换流站设备金具的设计与优化提供了方向。

Description

一种超/特高压换流站设备金具表面控制场强确定方法
技术领域
本发明属于电力领域,涉及一种输变电工程设备设计与校核,尤其是一种超/特高压换流站设备金具表面控制场强确定方法。
背景技术
为了防止特高压换流站内设备金具在运行时发生电晕放电,需要在设计时对设备金具表面的电场强度进行控制,让最大电场强度值在控制值之下。由于特高压直流输变电工程中换流站内设备种类繁多、结构复杂且布置形式多样,且存在试验设备、场地、成本等客观条件限制,无法根据真型试验得到各个设备金具在标准工况下的起晕电压,从而确定设备金具表面的电场控制值。同时,场强控制值设置过高,则难以判断换流站设备金具的设计能否满足工程要求;场强控制值设置过低,将显著增加设备设计难度、效率和制造成本。
发明内容
本发明的目的在于提出一种超/特高压换流站设备金具表面控制场强确定方法,该方法能够有效地解决换流站设备金具设计时控制场强值的选取问题,为换流站设备金具的设计与优化提供了方向。
本发明的具体技术方案如下:
一种超/特高压换流站设备金具表面控制场强确定方法,包括如下步骤:
步骤1,根据超/特高压换流站典型电极电晕试验的布置,建立试验场地的三维实体模型,依据试验中典型电极起晕电压,计算出试验布置下典型电极起晕时表面的最大电场强度值;
步骤2,定义典型电极表面最大场强处的等效曲率半径;
步骤3,通过对步骤1得到的最大电场强度值和步骤2得到的等效曲率半径进行拟合得到典型电极表面起晕场强的计算公式;
步骤4,对步骤3得到的起晕场强的计算公式进行修正,得到超/特高压换流站设备金具表面控制场强的表达式,通过该表达式计算超/特高压换流站设备不同金具表面曲率下的控制场强;
所述典型电极包括球电极和环电极。
所述步骤1中,试验中典型电极起晕电压的获取方式如下:
在试验条件下,使用紫外成像仪观测典型电极在不同电压形式下的电晕放电,再通过光子数曲线法获得试验布置下典型电极在不同电压形式下的起晕电压Ue
不同电压形式包括交流、直流和交直流叠加电压。
所述步骤1中,试验中典型电极起晕电压的获取方式如下:
根据电晕试验流程,利用全日盲型紫外成像仪观测典型电极的电晕放电,观测时,先用相对较快的速度升压,观测光子数的变化,初步估计起晕电压值;接着降压接地后重新施加电压,电压升高至起晕电压值估计值的90%后,再以预设步长升压,每次升压后,等待预设时间,使光子计数值稳定后,统计光子数;再绘制光子数随施加电压的变化曲线A,由变化曲线A得到典型电极的起晕电压Ue
由变化曲线A得到典型电极的起晕电压Ue时,对变化曲线A的缓慢上升区域与快速上升区域进行基于最小二乘法的分段线性拟合,取两段直线交点对应的横坐标作为本次试验中的起晕电压Ue
所述步骤1中,应用有限元法计算试验布置形式下对典型电极加载起晕电压Ue时典型电极表面的最大电场强度Ee
所述步骤2的具体过程如下:
选取典型电极曲面上起晕处的高斯曲率K来表征曲面的弯曲特性,典型电极表面最大场强处的等效曲率半径
典型电极曲面上起晕处的高斯曲率K=κ1·κ2,其中,κ1和κ2分别是典型电极曲面上起晕处的最大主曲率和最小主曲率。
所述步骤3中,应用公式对Ee和Re进行拟合,通过最小二乘法拟合试验布置下起晕场强的计算结果,得到a和b的值,获得起晕电压下典型电极表面的最大电场强度值与表面最大场强处的等效曲率半径的关系式。
所述步骤3中,应用公式对Ee和Re进行拟合,通过最小二乘法拟合试验布置下起晕场强的计算结果,得到a和b的值,获得起晕电压下典型电极表面的最大电场强度值与表面最大场强处的等效曲率半径的关系式。
所述步骤4中,采用公式Ec=k1k2k3khEe对步骤3得到的起晕场强的计算公式进行修正,得到金具表面控制场强Ec,式中:
Ec—超/特高压换流站设备金具表面控制值场强;
k1—安全裕度修正系数,反映控制场强的安全裕量;
k2—表面状态修正系数;
k3—气象修正系数;
kh—海拔修正系数。
与现有技术相比,本发明具有如下有益效果:
本发明的超/特高压换流站设备金具表面控制场强确定方法将三维数值仿真计算方法与试验测试相结合,通过建立实际试验条件下的三维仿真计算模型,依据试验起晕电压进行加载,应用数值仿真方法得到不同电极表面的最大电场强度;考虑了试验时周围设备以及设备的布置对电极表面电场分布的影响。通过拟合电极的等效曲率半径与加载起晕电压下的电极表面最大电场强度值得到了起晕场强的表达式。该公式反应了不同电极曲率与起晕场强的关系,能够用来确定换流站内众多不同型式设备表面的起晕场强值。通过修正并加以裕度,得到控制场强表达式。在设计时,加载规定的试验电压下,设备不同位置满足所确定的控制场强值,可判定为满足设计要求。
附图说明
图1为本发明中采用的光子数曲线法判定起晕电压图;
图2为本发明中试验场地的有限元计算模型图;
图3为本发明中得到的起晕场强的拟合结果图。
图中,1-悬垂绝缘子,2-试验球电极,3-管母,4-直流分压器,5-高压直流发生器,6-地面,7-接地铁板,8-周围设备。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述:
本发明的用于超/特高压换流站设备金具表面控制场强确定方法采用数值计算方法与试验相结合的方式。参照图2,根据试验布置建立三维实体模型,依据试验中球、环电极起晕电压,通过有限元法计算出该电压下球、环电极表面的最大电场强度值;定义电极表面最大场强处的等效曲率半径,通过拟合得到起晕电压的计算公式,通过修正后可以确定得到特高压换流站设备金具控制场强的表达式,从而计算不同金具表面曲率下的控制场强。
具体包括如下步骤:
(1)在试验条件下,使用紫外成像仪观测设备电晕放电,通过光子数曲线法获得试验布置下球、环电极的起晕电压Ue,具体过程为:根据电晕试验基本流程,利用全日盲型紫外成像仪观测设备电晕放电。用相对较快的速度升压,观测光子数的变化,初步估计起晕电压值。降压接地后重新施加电压,电压升高至起晕电压估计值的90%后,以一定步长升压,每次加压后等待15s,使光子计数值相对稳定后,统计光子数。绘制光子数随施加电压的变化曲线(参照图1),由该曲线得到电极的起晕电压Ue
(2)应用有限元法计算得到试验布置形式下加载起晕电压Ue时球、环电极表面最大电场强度Ee,具体过程为:采用有限元法,根据试验条件下的布置形式,建立球、环电极以及试验场地的三维模型,加载起晕电压Ue,运用三维有限元数值仿真计算方法对电场分布进行计算,提取表面的最大电场强度值。
(3)选取曲面上起晕处的高斯曲率K来表征曲面的弯曲特性,定义等效曲率半径
(4)应用流注起始判据的起晕场强公式对有限元仿真中得到的在实验起晕电压下的最大场强值Ee和对实验中所使用的球、环电极起晕处的等效曲率半径Re进行拟合得到起晕场强与电极等效曲率半径的关系,并使用公式Ec=k1k2k3khEe进行修正,得到电力设备金具表面控制场强。如果设计时超/特高压换流站设备金具表面最大场强值不超过Ec,则判定该电力设备金具电场设计合格。
Ec—特高压换流站电场控制值
k1—安全裕度修正系数,反映控制场强的安全裕量;
k2—表面状态修正系数,与电极表面状态、污秽等有关;
k3—气象修正系数,由实际工程现场的温度、湿度、压强所确定;
kh—海拔修正系数,由实际工程现场的海拔所确定;
本发明的超/特高压换流站设备金具表面控制场强确定方法与传统控制场强的确定方法相比,不需要对超/特高压换流站内所有设备的金具进行电晕试验,仅针对典型电极进行实验,降低了试验成本,且结果具有相同的可靠性。同时不仅考虑了常规方法中海拔、湿度等修正系数,也考虑了不同试验电极形式、试验环境等影响因素。
进一步地,本发明将电极的弯曲特性通过高斯曲率表示,定义了等效曲率半径,对不规则形状电极表面弯曲程度进行了表达,使得起晕场强公式可在不规则电极形状下使用。由此,最终确定的控制场强表达式可以满足换流站内不同形状金具控制场强确定的需求。
进一步地,换流站内电磁环境复杂,不同设备承受的电压波形有很大差别。本发明通过不同电压形式的试验,最终得到控制场强的表达式,可以满足换流站内承受不同电压波形的设备金具控制场强确定的需求。
进一步地,本发明可针对不同试验下、不同形式和曲率电极,对其控制场强值进行确定,使之在合理值之内,不至于过高或过低。在保证设计安全裕度的情况下减小设计难度,降低了设计成本,提高了效率,为不同条件下超/特高压换流站金具表面控制场强的确定提供了一种方法和途径。
实施例
本实施例的用于超/特高压换流站设备金具表面控制场强确定方法的步骤如下:
步骤(1):用相对较快的速度升压,观测光子数的变化,初步估计起晕电压值。降压接地后重新施加电压,升高至估计值的90%以一定步长升压。每次加压后等待15s使光子计数值相对稳定后,以一定时间间隔记录2分钟内的紫外图像。统计图像内的光子数,去掉部分偏大或偏小的光子数值后取剩余值的平均数。如图1所示,绘制光子数值随施加电压的变化曲线,对曲线的缓慢上升区域与快速上升区域进行基于最小二乘法的分段线性拟合,取两段直线焦点的对应横坐标作为本次试验中的电晕起始电压。
步骤(2):为计算不同电极在各自起晕电压下对应的起晕场强,依据各试验的实际布置和电极外形尺寸,考虑试验电源、周围设备以及墙壁等因素,建立不同电极的电晕试验仿真模型如图2所示。加载电晕试验下对应的起晕电压,计算得到电极表面的最大电场强度值。
步骤(3):对于嵌入欧几里得空间R3的二维曲面,为计算在曲面给定点的曲率,考虑曲面和由在该点的法向量和某一切向量所确定的平面的交集,这个交集是一个平面曲线,所以有一个曲率;如果选择其他切向量,这个曲率会改变,并且有两个极值,即最大和最小曲率κ1、κ2,称为主曲率。曲面上某点的高斯曲率K是该点两个主曲率κ1、κ2的乘积,是曲率的内在度量。定义等效曲率半径来替代传统经验公式中的电极半径。例如,对于环电极,其起晕点为环外侧边沿,环电极起晕点的κ1=1/Rr,κ2=1/Rt,即
步骤(4):如图3所示,根据公式应用最小二乘法拟合试验布置下起晕场强的计算结果,得到a和b的值,获得起晕场强与电极等效曲率半径的关系式。在考虑温、湿度及海拔等因素修正后,乘以裕度系数,求得控制场强与电极等效曲率半径的关系式:
式中:
Ec—特高压换流站电场控制值
k1—安全裕度修正系数反映控制场强的安全裕量;
k2—表面状态修正系数,与电极表面状态、污秽等有关;
k3—气象修正系数,由实际工程现场的温度、湿度、压强所确定;
kh—海拔修正系数,由实际工程现场的海拔所确定。

Claims (10)

1.一种超/特高压换流站设备金具表面控制场强确定方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤1,根据超/特高压换流站典型电极电晕试验的布置,建立试验场地的三维实体模型,依据试验中典型电极起晕电压,计算出试验布置下典型电极起晕时表面的最大电场强度值;
步骤2,定义典型电极表面最大场强处的等效曲率半径;
步骤3,通过对步骤1得到的最大电场强度值和步骤2得到的等效曲率半径进行拟合得到典型电极表面起晕场强的计算公式;
步骤4,对步骤3得到的起晕场强的计算公式进行修正,得到超/特高压换流站设备金具表面控制场强的表达式,通过该表达式计算超/特高压换流站设备不同金具表面曲率下的控制场强;
所述典型电极包括球电极和环电极。
2.根据权利要求1所述的一种超/特高压换流站设备金具表面控制场强确定方法,其特征在于,所述步骤1中,试验中典型电极起晕电压的获取方式如下:
在试验条件下,使用紫外成像仪观测典型电极在不同电压形式下的电晕放电,再通过光子数曲线法获得试验布置下典型电极在不同电压形式下的起晕电压Ue
3.根据权利要求2所述的一种超/特高压换流站设备金具表面控制场强确定方法,其特征在于,不同电压形式包括交流、直流和交直流叠加电压。
4.根据权利要求1所述的一种超/特高压换流站设备金具表面控制场强确定方法,其特征在于,所述步骤1中,试验中典型电极起晕电压的获取方式如下:
根据电晕试验流程,利用全日盲型紫外成像仪观测典型电极的电晕放电,观测时,先用相对较快的速度升压,观测光子数的变化,初步估计起晕电压值;接着降压接地后重新施加电压,电压升高至起晕电压值估计值的90%后,再以预设步长升压,每次升压后,等待预设时间,使光子计数值稳定后,统计光子数;再绘制光子数随施加电压的变化曲线A,由变化曲线A得到典型电极的起晕电压Ue
5.根据权利要求4所述的一种超/特高压换流站设备金具表面控制场强确定方法,其特征在于,由变化曲线A得到典型电极的起晕电压Ue时,对变化曲线A的缓慢上升区域与快速上升区域进行基于最小二乘法的分段线性拟合,取两段直线交点对应的横坐标作为起晕电压Ue
6.根据权利要求1所述的一种超/特高压换流站设备金具表面控制场强确定方法,其特征在于,所述步骤1中,应用有限元法计算试验布置形式下对典型电极加载起晕电压Ue时典型电极表面的最大电场强度Ee
7.根据权利要求1所述的一种超/特高压换流站设备金具表面控制场强确定方法,其特征在于,所述步骤2的具体过程如下:
选取典型电极曲面上起晕处的高斯曲率K来表征曲面的弯曲特性,典型电极表面最大场强处的等效曲率半径
8.根据权利要求7所述的一种超/特高压换流站设备金具表面控制场强确定方法,其特征在于,典型电极曲面上起晕处的高斯曲率K=κ1·κ2,其中,κ1和κ2分别是典型电极曲面上起晕处的最大主曲率和最小主曲率。
9.根据权利要求1所述的一种超/特高压换流站设备金具表面控制场强确定方法,其特征在于,所述步骤3中,应用公式对Ee和Re进行拟合,通过最小二乘法拟合试验布置下起晕场强的计算结果,得到a和b的值,获得起晕电压下典型电极表面的最大电场强度值与表面最大场强处的等效曲率半径的关系式。
10.根据权利要求9所述的一种超/特高压换流站设备金具表面控制场强确定方法,其特征在于,所述步骤4中,采用公式Ec=k1k2k3khEe对步骤3得到的起晕场强的计算公式进行修正,得到金具表面控制场强Ec,式中:
Ec—金具表面控制场强;
k1—安全裕度修正系数,反映控制场强Ec的安全裕量;
k2—表面状态修正系数;
k3—气象修正系数;
kh—海拔修正系数。
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