姚宏洋(1988),男,博士,工程师,从事柔性直流输电系统电磁场仿真工作(E-mail:
文卫兵(1965),男,硕士,教授级高级工程师,从事输变电工程设计咨询工作
谢晔源(1978),男,硕士,教授级高级工程师,从事电力电子在电力系统中的应用工作
柔性直流输电工程已迈入特高压时代, 现有柔性直流换流阀(VSC阀)的均压屏蔽设计已无法满足特高压应用场合。为解决±800 kV VSC阀塔顶部均压管母表面电场强度过大的问题,文中首先利用PTC Creo与ANSYS联合建模技术完成复杂阀塔结构的三维建模与静电场有限元仿真,通过增加与顶部均压管母等电位连接的顶部屏蔽板,有效降低阀塔顶部均压管母及子模块的表面电场强度。然后,提取顶部屏蔽板增加前后的阀塔对地寄生电容参数,分析顶部屏蔽板对操作冲击下模块电压分布的影响。最后,研究阀塔不同均压部件间距对最大电场强度分布的影响,完成±800 kV VSC阀塔均压优化设计,并在阀塔样机上进行冲击电压试验。文中所提优化措施提升了VSC阀在特高压应用场景的安全运行能力,为VSC阀在特高压柔性直流输电工程的应用及设计提供借鉴。
The voltage source converter based high voltage direct current transmission (VSC-HVDC) project has entered the era of ultra-high voltage (UHV). Electric field equalizing design of the existing VSC valve cannot meet the requirement of UHV. In order to reduce the electric field density of the top tubular busbar of ±800 kV VSC valve, the modeling technologies of PTC Creo and ANSYS are applied for the three-dimention complex valve tower modeling to analyze electrostatic field finite elements. By adding a top shield plate equalizing connected with the top tubular busbar, the peak electric field densities of the top sub modules and tubular busbar are reduced obviously. The parasitic capacitance parameters of the valve tower are extracted. The influence of the top shield plate on the voltage distribution of sub-modules under the switching impulse is analyzed. The influence of distance among electric field equalizing parts on the distribution of peakelectric field is studied. The optimal electric field equalizing design of ±800 kV VSC valve is obtained, and the experiment of impulse voltageon valve tower prototype is tested. The proposed optimization measurement improves the stable operation of VSC valve in UHV application, and provides a design reference for the application of VSC valve in subsequent UHV VSC-HVDC projects.
基于电压源型换流器(voltage source coverter,VSC) 的柔性直流输电技术可实现有功、无功的解耦控制,满足向无源孤岛电力系统供电的需求,适用于异步联网、新能源并网消纳、远距离直流输电等应用场景[
电压等级的不断攀升,对换流阀均压屏蔽提出了更高要求,例如乌东德电站送电广东广西特高压多端直流示范工程(简称昆柳龙直流工程)对VSC阀的操作冲击电压要求已达到1 600 kV。基于模块化多电平技术的VSC阀塔均压设计一定程度上借鉴了常规直流换流阀(line commutated converter, LCC)外均压措施[
文中针对±800 kV VSC阀塔,采用结构建模软件PTC Creo与电磁场仿真软件ANSYS进行阀塔三维建模与有限元仿真计算。为降低顶部均压管母表面电场强度,以增加顶部屏蔽板的方式实现阀塔顶部表面电场分布的优化,并分析采用该措施对阀塔其他电气参数的影响。进一步地,研究阀塔外均压系统中不同均压部件间距对最大电场强度分布的影响,提出最优距离布置方案。基于上述优化设计完成了±800 kV VSC阀塔样机研制,阀塔样机冲击电压试验过程中无击穿与闪络,验证了所提设计方案的可行性。
ANSYS内置建模工具适用于常规三维对象建模,VSC阀塔存在零部件结构复杂等特点,采用内置建模工具较为耗时。PTC Creo作为专业的三维建模软件,借助强大、自适应的三维参数化建模技术,可准确、快速地建立VSC阀塔三维模型,便于后期优化设计过程中模型的快速调整。通过PTC Creo与ANSYS联合建模,还可极大提升迭代优化设计效率,具体设计流程如
基于PTC Creo建模的ANSYS迭代优化设计
The ANSYS iterative optimization design based on PTC Creo modeling
文中研究的VSC阀采用户内支撑式、双列背靠背布置的塔式结构,主要部件有阀基及层间支撑绝缘子、子模块与支撑框架组成的阀段、连接铜排、均压部件等。各个部件结构复杂,需要对非关键部位的结构细节进行简化,提高有限元剖分成功率,降低计算耗时。因此,可忽略阀塔内部斜拉绝缘子、连接螺栓、阀基绝缘子伞裙及绝缘横梁等部件,简化子模块结构、屏蔽环/管/板与框架的连接结构等。简化后的VSC阀塔三维有限元模型见
阀塔三维有限元模型
The three-dimensional finite element model of valve tower
随着柔性直流输电工程电压等级越来越高,VSC阀塔的均压屏蔽措施直接关系整个换流系统在正常运行及各种冲击工况下的稳定运行能力。国际电工委员会标准IEC 62501-2014规定了VSC阀需要进行的直流耐压、交流耐压、操作冲击和雷电冲击等试验[
室内金具起晕电场强度一般限值为3 kV/mm,考虑一定裕度,文中设计的±800 kV VSC阀塔均压系统在操作冲击试验条件下的阀塔表面电场强度控制在2.5 kV/mm以内。
在进行VSC阀塔外均压系统仿真时,由于施加的电压激励和阀塔结构呈中心对称,满足对称边界条件,可利用1/2或1/4对称模型进行求解计算[
计及阀厅尺寸的阀塔模型求解域
Solution domain of valve tower model considering valve hall size
根据标准IEC 62501-2014对VSC阀冲击试验方法的规定,文中针对初步设计阀塔方案的底部L型与顶部C型管母、角均压罩、均压环及所有子模块施加幅值为1 600 kV的电压激励,针对阀塔支撑绝缘子底部均压环、漏水检测接水盘及求解域6个面施加地电位,完成阀塔的三维静电场有限元仿真,阀塔表面电场强度分布如
阀塔表面电场强度分布
Electric field distribution on the valve towe surface
通过对比仿真分析顶部金属屏蔽板增加前后阀塔顶部及内部子模块表面电场分布的改善情况。增加顶部屏蔽板前、后的阀塔顶部表面电场分布分别如
有无顶部屏蔽板时的顶部管母电场分布
Electric field distribution of top bus tube with or without top shield
对比可知,增加顶部屏蔽板前,C型均压管母表面最大电场强度位于拐角处(2.49 kV/mm);增加顶部屏蔽板后,C型均压管母表面最大电场强度降低至2.20 kV/mm。
增加顶部屏蔽板前、后对应的顶层子模块表面电场分布分别如
有无顶部屏蔽板时的内部子模块电场强度分布
Electric field distribution of internal sub module with or without top shield
阀塔外均压系统对地寄生电容分布情况如
阀塔对地寄生电容分布
Distribution of parasitic capacitance to ground for valve tower
通过ANSYS计算各个部件间储存的静电能量,得到准确的寄生电容矩阵,如
有无顶部屏蔽板时的对地寄生电容对比
Comparison of parasitic capacitance to ground with or without top shield
编号 | 对地电容 | |
无顶部屏蔽板 | 有顶部屏蔽板 | |
203.55 | 284.32 | |
9.077 | 8.22 | |
9.07 | 8.22 | |
32.39 | 30.57 | |
9.07 | 8.22 | |
9.07 | 8.22 | |
31.41 | 30.26 | |
8.17 | 7.99 | |
8.16 | 7.99 | |
30.44 | 29.93 | |
8.17 | 7.99 | |
8.16 | 7.99 | |
29.72 | 29.36 | |
40.58 | 40.38 | |
40.57 | 40.38 | |
29.01 | 28.78 | |
40.58 | 40.38 | |
40.58 | 40.38 | |
14.50 | 14.39 |
操作冲击下的阀塔等效电路
Equivalent circuit of valve tower under operating impulse
操作冲击下的子模块端口电压
The port voltage of sub module under operating impulse
LCC阀与VSC阀最大场强处示意如
LCC阀塔与VSC阀塔最大场强处示意
Schematic diagram of maximum field strength for LCC valve tower and VSC valve tower
800 kV等级的VSC阀塔和LCC阀塔对地距离、冲击试验电压、最大场强及对应管径如
VSC阀塔与LCC阀塔对比
Comparison between VSC valve tower and LCC valve tower
参数 | VSC阀塔 | LCC阀塔 |
对地距离/m | 9.5 | 11 |
操作冲击电压/kV | 1 600 | 1 800 |
操作冲击下最大电场强度/(kV·mm-1) | 2.41 | 2.40 |
场强最大处的管径/mm | 350 | 450 |
相较LCC阀电场强度最大的避雷器C型均压环,VSC阀塔场强最大的L型均压管管径与曲率均较小,实际电场分布与对地距离、本电极形状及曲率大小、与附近电极间的距离等多个因素相关。相较于LCC阀避雷器C型均压环凸出在外、距离主体阀均压系统较远,VSC阀塔底部L型均压管则与上层角均压罩、均压环等距离较近且整体布置较为紧凑。
为进一步验证上述分析,对比仿真验证了底部L型均压管相对角均压罩不同水平距离时的表面最大电场强度分布情况,仿真结果如
均压部件间不同距离对应的最大电场强度
The maximum electric field intensity corrspond- ing to different distances among equalizing parts
距离/mm | 最大电场强度/(kV·mm-1) |
0 | 2.31 |
150 | 2.39 |
300 | 2.45 |
450 | 2.67 |
阀塔冲击试验接线与试验阀厅现场
Test wiring of valve tower and test valve hall
阀对地冲击试验包括操作冲击试验与雷电冲击试验,可用于校验换流阀绝缘设计的合理性,要求在施加规定的冲击电压时不能出现击穿或闪络,且无破坏性放电。
根据设计要求,±800 kV VSC阀塔对地应能承受250/2 500 μs(波前时间/半峰值时间)、1 600 kV正负极性各3次的操作冲击电压和1/50 μs(波前时间/半峰值时间)、1 950 kV正负极性各3次的雷电冲击电压。按照最终设计方案,在高压试验大厅搭建完整的±800 kV VSC阀塔,根据标准IEC 62501-2014的试验方法,将同塔所有功率模块短接,冷却管道充满介质,阀顶部管母连接至冲击电压发生器,冲击试验接线原理与试验大厅如
在阀与地之间施加前述操作冲击电压与雷电冲击电压,阀-地的操作和雷电冲击电压波形分别如
阀塔冲击试验电压波形
Voltage waveforms of impulse test for valve tower
文中针对±800 kV VSC阀塔均压措施开展优化设计,基于PTC Creo与ANSYS联合建模完成了阀塔的三维有限元仿真,针对顶部区域的均压薄弱点,通过增加与顶部均压管母等电位连接的顶部屏蔽板,实现了顶部电场分布优化,极大地降低了顶层子模块与均压管母的电场分布。进一步地,提取了顶部屏蔽板增加前后的阀塔对地寄生电容参数,分析了顶部屏蔽板的增加对操作冲击下模块端口电压分布的影响。最后,研究了底部L型均压管与均压罩间距对其最大电场强度的影响,得出的结论为:在保证空气绝缘净距的基础上,均压管与均压罩间距越小,最大电场强度则越小。通过以上优化措施,实现了±800 kV VSC阀塔均压的优化设计,阀塔样机在高压试验大厅通过了阀-地冲击电压试验。提出的优化措施有效降低了±800 kV VSC阀在操作冲击电压条件下的最大电场强度,改善了阀塔整体的场强分布,进一步提升了VSC阀在特高压应用场景下的安全运行能力。
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