CN110795861A - 一种对换流站支柱绝缘子屏蔽球地刀口参数的优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种对换流站支柱绝缘子屏蔽球地刀口参数的优化方法，其是考察了支柱绝缘子屏蔽球表面存在地刀口状态下的电场分布及放电特性，先建立了支柱绝缘子屏蔽球表面存在地刀口时的3D全模型，计算获得了表面电场的分布特征，明确了地刀口开口大小和位置对屏蔽球表面电场分布的影响。在特高压试验大厅，采用升降法获得相同间隙距离下，不同地刀口开口位置和大小的50％操作冲击放电电压。本发明通过支柱绝缘子屏蔽球地刀口大小和位置对间隙放电电压的影响，实现快速调整对换流站阀厅内屏蔽球地刀口参数的优化，使其能够降低发生电晕放电以及间隙击穿的概率，提高输电系统的稳定运行。

Description

一种对换流站支柱绝缘子屏蔽球地刀口参数的优化方法

技术领域

本发明涉及一种对换流站支柱绝缘子屏蔽球地刀口参数的优化方法。

背景技术

特高压换流站阀厅地刀接地时不可避免会在屏蔽金具表面造成孔洞以实现接地，随着电压等级提升至±800kV及以上，支柱绝缘子屏蔽金具电位进一步提高，若地刀孔开孔不合理，将会增大发生电晕放电以及间隙击穿的可能性，影响输电系统的稳定运行。因此，对换流站支柱绝缘子屏蔽金具地刀口参数的优化设计具有重要研究意义。

目前，国内针对换流站阀厅内的直流金具设计优化开展了一定的研究。现有技术通过基于有限元法对阀厅整体模型进行了电场仿真计算，提出了针对均压屏蔽球结构尺寸的修正方案；还通过针对阀厅内部典型空气间隙开展操作冲击放电试验，获得不同空气间隙距离对应的操作冲击放电电压U50％。还有对±800kV特高压换流站阀厅屏蔽球的结构，±1100kV特高压换流站支柱绝缘子屏蔽球的结构进行了研究，提出了针对支柱绝缘子屏蔽球结构的优化设计方案。但以上研究均是在屏蔽球表面完整时的仿真及试验研究，尚未考虑支柱绝缘子屏蔽球表面存在地刀口状态下的电场分布及放电特性。

发明内容

本发明的目的是提供一种对换流站支柱绝缘子屏蔽球地刀口参数的优化方法。本发明通过支柱绝缘子屏蔽球地刀口大小和位置对间隙放电电压的影响，从而调整屏蔽球地刀参数的设定，使其能够降低发生电晕放电以及间隙击穿的概率，提高输电系统的稳定运行。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种对换流站支柱绝缘子屏蔽球地刀口参数的优化方法，包括以下步骤：

S1、建立支柱绝缘子屏蔽球表面存在地刀口时的3D全模型；

S2、建立屏蔽球所满足的电场控制方程，获取屏蔽球表面电场的分布特征，所述电场控制方程如下：

式中E为介质区的电场强度，ε为介质的介电常数，ρ为空间电荷体密度，在计算电晕早期空间电场时，没有考虑空间电荷的影响，此时ρ＝0，电位函数满足：

S3、采用瞬时电位加载法，对Φ1.1m屏蔽球表面存在不同大小、位置的地刀孔状态进行了仿真计算，获得屏蔽球地刀口大小、位置不同对屏蔽球表面电场的分布情况的数据；

S4、采用有限元数值计算方法对步骤S3获取得数据进行分析；

S5、根据支柱绝缘子屏蔽球地刀孔开孔位置和大小的仿真计算结果，选取相交，相切和相离三种分布位置以及地刀口直径为200、220mm分别进行操作冲击放电试验，得到地刀口开口位置和大小对放电电压的影响，从而获得优化的屏蔽球地刀口参数。

优选的，步骤S1所述的3D全模型为本体高4.2m的支柱绝缘子模型，所述本体由2根长2.1m的绝缘支柱组成，绝缘支柱之间通过一个高150mm，直径360mm的梯形金属法兰相连接，每根绝缘支柱芯棒直径300mm，外围伞裙由三种不同直径的伞裙交替组成，其直径分别是430mm，390mm和360mm。支柱绝缘子屏蔽球直径1.1m，球厚2mm，底部开孔直径360mm，且倒角半径 50mm。

优选的，步骤S5中采用的试验电压波形为正极性250/2500μs标准操作冲击波和正极性1.2/50μs的标准雷电冲击波。

进一步优选的，步骤S5采用升降法求取50％放电电压U50％，每组试验次数为40次，放电电压的计算公式如下式所示：

式中：Ui－施加的电压，kV；n_i－相同的施加电压Ui下试验的次数；n 为有效试验的总次数。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供了一种对换流站支柱绝缘子屏蔽球地刀口参数的优化方法，其是先建立了支柱绝缘子屏蔽球表面存在地刀口时的3D全模型，计算获得了表面电场的分布特征，明确了地刀口开口大小和位置对屏蔽球表面电场分布的影响。在特高压试验大厅，采用升降法获得相同间隙距离下，不同地刀口开口位置和大小的50％操作冲击放电电压。本发明通过支柱绝缘子屏蔽球地刀口大小和位置对间隙放电电压的影响，实现快速调整对换流站阀厅内屏蔽球地刀口参数的优化，使其能够降低发生电晕放电以及间隙击穿的概率，提高输电系统的稳定运行。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明支柱绝缘子屏蔽球表面存在地刀口时的3D全模型结构示意图，

其中序号1为冲击电压发生器；2-母线管；3-转角球；4-试验球；5-支柱绝缘子。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种对换流站支柱绝缘子屏蔽球地刀口参数的优化方法，考虑了支柱绝缘子屏蔽球表面存在地刀口状态下的电场分布及放电特性。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明柱绝缘子屏蔽球表面存在地刀口时的3D全模型结构示意图，如图1所示，本发明提供的对换流站支柱绝缘子屏蔽球地刀口参数的优化方法步骤具体如下：

S1、建立支柱绝缘子屏蔽球表面存在地刀口时的3D全模型，所述3D全模型为本体高4.2m的支柱绝缘子模型，所述本体由2根长2.1m的绝缘支柱组成，绝缘支柱之间通过一个高150mm，直径360mm的梯形金属法兰相连接，每根绝缘支柱芯棒直径300mm，外围伞裙由三种不同直径的伞裙交替组成，其直径分别是430mm，390mm和360mm。支柱绝缘子屏蔽球直径1.1m，球厚2mm，底部开孔直径360mm，且倒角半径50mm；

S2、建立屏蔽球所满足的电场控制方程，获取屏蔽球表面电场的分布特征，所述电场控制方程如下：

式中E为介质区的电场强度，ε为介质的介电常数，ρ为空间电荷体密度，在计算电晕早期空间电场时，没有考虑空间电荷的影响，此时ρ＝0，电位函数满足：

S3、采用瞬时电位加载法，对Φ1.1m屏蔽球表面存在不同大小、位置的地刀孔状态进行了仿真计算，获得屏蔽球地刀口大小、位置不同对屏蔽球表面电场的分布情况的数据，如表1和表2所示，其中表1为Φ1.1m屏蔽球地刀口开口位置不同时表面电场最大值，表2为Φ1.1m屏蔽球地刀口开口大小不同时表面电场最大值；

表1

地刀口位置(mm)	球表面最大场强(kV/m)	场强升高比例(％)
			无地刀口	343	/
相交20mm	484	41.1％
			相切	695	102.6％
相离20mm	441	28.6％

表2

地刀口直径	相交	相切	相离
				200mm	/	1071	1140
220mm	1054	/	1109

S4、采用有限元数值计算方法对步骤S3获取得数据进行分析；

S5、根据支柱绝缘子屏蔽球地刀孔开孔位置和大小的仿真计算结果，选取相交，相切和相离三种分布位置以及地刀口直径为200、220mm分别进行操作冲击放电试验，得到地刀口开口位置和大小对放电电压的影响，从而获得优化的屏蔽球地刀口参数，其中采用的试验电压波形为正极性250/2500μs标准操作冲击波和正极性1.2/50μs的标准雷电冲击波。并采用升降法求取50％放电电压U50％，每组试验次数为40次，放电电压的计算公式如下式所示：

本发明采用有限元法在对三维复杂边界模型的电磁场求解问题，该方法具有计算准确、适应性强的优势。根据解的唯一性定理，满足给定边值的泊松方程的解是唯一的，即只要求解场域的边界条件不变，方程不变，则解唯一，因此采用子模型法以提高计算效率。采用同样的电位加载方法，针对不同大小和位置的划痕，对比不同仿真半径的屏蔽球和整个试验大厅模型，当子模型半径不小于屏蔽球半径的4倍时，划痕对周围电位的影响将会小于1％，因此可以用半径为4倍屏蔽球半径的子模型代替整体模型进行仿真计算。

本发明选取地刀口不同位置，分别进行操作冲击放电试验，得到地刀口开口位置和大小对放电电压的影响具体为：根据支柱绝缘子屏蔽球地刀孔开孔位置和大小的仿真结果，选取相交，相切和相离三种分布位置以及地刀口直径为 200、220mm分别进行操作冲击放电试验，获得放电电压U50％如表3所示当地刀口边沿与安装孔倒角外沿相离时，地刀口直径从200mm增大到220mm， U50％降低了2.72％，此时试验的标准偏差为3.36％大于U50％的降低比例，可以认为U50％的降低是由偏差引起，故在限定范围内地刀口直径对U50％没有影响。随着地刀孔位置的改变，放电电压U50％发生明显的变化：当地刀口直径都为200mm时，地刀口边沿与安装孔倒角外沿相切比相离降低6.14％，大于试验的标准偏差；当地刀口直径都为220mm时，地刀口边沿与安装孔倒角外沿相交比相离降低4.96％，也大于试验的标准偏差。故可以认为三种状态下，相离时放电电压U50％最高，而相切时最低，故操作冲击放电特性也能与仿真结果相互得到印证。

表3

地刀口大小(mm)	球表面最大场强(kV/m)	场强升高比例(％)
			无地刀口	343	/
190	692	101.7％
			200	695	102.6％
210	707	106.1％
			220	710	107.0％

本实施例应用的屏蔽球表面存在地刀孔时，会使孔洞边沿处的曲率远大于屏蔽球表面的曲率，使得电场强度集中分布在孔洞边沿处，从而增大在此处发生电晕放电乃至闪络现象的可能性，因此需对地刀口开口位置和大小进行优化以减小开孔对屏蔽球表面电场强度分布的影响。

本次试验在河北省电科院特高压直流试验大厅完成。该试验大厅海拔约 50m，高压试验大厅净空尺寸为长60m、宽40m、高40m。试验冲击电压由3600kV/360kJ冲击电压发生器及其测控系统产生并测量，试验电压波形为 250/2500us正极性标准操作冲击波形，操作波输出电压的效率不小于70％，能够满足试验需要。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (4)

1.一种对换流站支柱绝缘子屏蔽球地刀口参数的优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、建立支柱绝缘子屏蔽球表面存在地刀口时的3D全模型；

S2、建立屏蔽球所满足的电场控制方程，获取屏蔽球表面电场的分布特征，所述电场控制方程如下：

式中E为介质区的电场强度，ε为介质的介电常数，ρ为空间电荷体密度，在计算电晕早期空间电场时，没有考虑空间电荷的影响，此时ρ＝0，电位函数满足：

S3、采用瞬时电位加载法，对Φ1.1m屏蔽球表面存在不同大小、位置的地刀孔状态进行了仿真计算，获得屏蔽球地刀口大小、位置不同对屏蔽球表面电场的分布情况的数据；

S4、采用有限元数值计算方法对步骤S3获取得数据进行分析；

S5、根据支柱绝缘子屏蔽球地刀孔开孔位置和大小的仿真计算结果，选取相交，相切和相离三种分布位置以及地刀口直径为200、220mm分别进行操作冲击放电试验，得到地刀口开口位置和大小对放电电压的影响，从而获得优化的屏蔽球地刀口参数。

2.根据权利要求1所述的对换流站支柱绝缘子屏蔽球地刀口参数的优化方法，其特征在于，步骤S1所述的3D全模型为本体高4.2m的支柱绝缘子模型，所述本体由2根长2.1m的绝缘支柱组成，绝缘支柱之间通过一个高150mm，直径360mm的梯形金属法兰相连接，每根绝缘支柱芯棒直径300mm，外围伞裙由三种不同直径的伞裙交替组成，其直径分别是430mm，390mm和360mm。支柱绝缘子屏蔽球直径1.1m，球厚2mm，底部开孔直径360mm，且倒角半径50mm。

3.根据权利要求1所述的对换流站支柱绝缘子屏蔽球地刀口参数的优化方法，其特征在于，步骤S5中采用的试验电压波形为正极性250/2500μs标准操作冲击波和正极性1.2/50μs的标准雷电冲击波。

4.根据权利要求3所述的对换流站支柱绝缘子屏蔽球地刀口参数的优化方法，其特征在于，步骤S5采用升降法求取50％放电电压U50％，每组试验次数为40次，放电电压的计算公式如下式所示：

式中：Ui－施加的电压，kV；n_i－相同的施加电压Ui下试验的次数；n为有效试验的总次数。