本發(fā)明屬于換流閥電場算法領(lǐng)域，特別涉及一種高壓柔性直流換流閥支撐絕緣子串聯(lián)電壓均衡方法。

背景技術(shù)：

在傳統(tǒng)特高壓直流輸電發(fā)展的同時(shí)，基于電壓源換流器的柔性直流輸電技術(shù)也在不斷發(fā)展。從南匯、舟山、南澳、廈門到魯西工程的投運(yùn)，電壓等級(jí)從±30kv不斷提升到±800kv的同時(shí)，換流閥結(jié)構(gòu)也發(fā)生了很大改變，絕緣子因其起著支撐和絕緣的重要作用，成為了重點(diǎn)關(guān)心對(duì)象。當(dāng)工作電壓增高時(shí)，單根絕緣子支撐已經(jīng)滿足不了工程需求，多根絕緣子用簡單的機(jī)械連接組成絕緣子串成了必然趨勢。在交流電壓作用下，絕緣子串金屬部分與其他導(dǎo)體之間存在雜散電容，使沿絕緣子串電壓分布不均勻，越靠近高壓端的絕緣子承受的電壓差越高，承受電壓過高易導(dǎo)致絕緣閃絡(luò)、起暈、劣化等。因此絕緣子串均壓設(shè)計(jì)受到了越來越多的關(guān)注。

目前，關(guān)于交、直流線路絕緣子串電壓均衡方法的研究較多，而針對(duì)換流閥用絕緣子的相關(guān)研究很少，但是隨著電壓等級(jí)不斷升高，絕緣子串逐漸加長，電壓等級(jí)越高，串聯(lián)絕緣子根數(shù)越多，其電壓分布也越不均勻，對(duì)換流閥絕緣子串均壓設(shè)計(jì)的要求也越嚴(yán)格，成為了實(shí)現(xiàn)小安全裕度下?lián)Q流閥絕緣優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

絕緣子串電壓分布關(guān)系到絕緣子的型號(hào)、屏蔽環(huán)的布置及金具結(jié)構(gòu)的選擇,目前換流閥塔中的絕緣子串均壓優(yōu)化方法基本參考線路優(yōu)化方法，均壓優(yōu)化方案普遍有兩種，其中一種優(yōu)化方案是采用不同特點(diǎn)的絕緣子串聯(lián)，例如在絕緣子串的兩端采用大電容大爬距絕緣子，而絕緣子串的中間部分仍用普通絕緣子，構(gòu)成一個(gè)插花絕緣子串。這種方法實(shí)施起來較為復(fù)雜，結(jié)構(gòu)改動(dòng)較大，型號(hào)選取復(fù)雜。第二種優(yōu)化方案是在絕緣子端部增加均壓環(huán)，通過加裝均壓環(huán)提高其起暈電壓和閃絡(luò)電壓，同時(shí)增大絕緣子對(duì)地電容，對(duì)改善絕緣子串電壓分布有較好的效果，成本較小。然而均壓環(huán)的大小與安裝位置需要進(jìn)行反復(fù)的數(shù)值計(jì)算與建模仿真，修改周期長，最佳位置不好確定。以上方法往往忽略了換流閥自身結(jié)構(gòu)上所具有的特點(diǎn)，如圖1所示，在換流閥閥塔內(nèi)部有多根進(jìn)出冷卻水管，其電位分布受電導(dǎo)率影響，相當(dāng)于一個(gè)數(shù)值極大的電阻，導(dǎo)致整體電位呈現(xiàn)均勻線性分布。在換流閥中，水管成為了一個(gè)極為方便采用的均壓手段。

將水路與串聯(lián)絕緣子連接部分法蘭用金屬連接在一起作等電位處理，這種方法叫做水路鉗制。水路鉗制是一種解決絕緣子串電壓分配不均問題的一種方法，而水路鉗制的優(yōu)化方法目前還未被工程采用。水路鉗制方法安裝難度小，實(shí)施方便，是一種不容忽視的優(yōu)化方法。

在計(jì)算方面方法較多，其中有限元法因其計(jì)算準(zhǔn)確、適用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，尤其是ansys軟件在電場計(jì)算方面的不斷成熟與發(fā)展，大量研究人員更多采用有限元方法對(duì)其電場進(jìn)行計(jì)算。然而考慮到水路鉗制后電流場和靜電場耦合，閥模型就成為準(zhǔn)靜態(tài)電場模型，直接分析準(zhǔn)靜態(tài)電場難度較大，ansys軟件中實(shí)現(xiàn)起來較為困難。并且為了得到更佳的優(yōu)化效果，采用電路等效計(jì)算方法進(jìn)行優(yōu)化結(jié)果計(jì)算，更加適合反復(fù)修改鉗制點(diǎn)位置、尋找最佳的優(yōu)化方案的工程需求。通過等效的電阻電容值進(jìn)行電路參數(shù)計(jì)算，其計(jì)算簡單，計(jì)算時(shí)間短，可以大大節(jié)約工程成本與時(shí)間。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種高壓柔性直流換流閥支撐絕緣子串聯(lián)電壓均衡方法，其特征在于，基于電壓源換流器的柔性直流輸電技術(shù)電壓等級(jí)從±30kv不斷提升到±800kv的同時(shí)，換流閥結(jié)構(gòu)也發(fā)生了很大改變，起著支撐和絕緣作用的絕緣子因其工作電壓增高，單根絕緣子支撐已經(jīng)滿足不了工程需求，只能是多根絕緣子用簡單的機(jī)械連接組成絕緣子串來解決；在交流電壓作用下，絕緣子串金屬部分與其他導(dǎo)體之間存在雜散電容，使沿絕緣子串電壓分布不均勻，越靠近高壓端的絕緣子承受的電壓差越高，承受過高電壓易導(dǎo)致絕緣閃絡(luò)、起暈和劣化；絕緣子串的金屬部分與周圍導(dǎo)體之間存在雜散電容是電壓分配不均衡產(chǎn)生最主要的原因；實(shí)際在換流閥閥塔內(nèi)部有多根進(jìn)出冷卻水管，其電位分布受電導(dǎo)率影響，相當(dāng)于一個(gè)數(shù)值極大的電阻，導(dǎo)致整體電位呈現(xiàn)均勻線性分布。在換流閥中，水管成為一個(gè)極為方便采用的均壓手段；水路鉗制方法是通過在水管上增加與絕緣子串金屬部分的連接點(diǎn)，通過水路自身的大電阻與均勻線性電壓分布特性影響雜散電容的自然分壓結(jié)果，以此達(dá)到電壓均衡的目的；

設(shè)絕緣子串的金屬部分與周圍的導(dǎo)體形成三種類型的雜散電容c1、c2和c3(如圖1所示)；其中c1是屏蔽罩、閥模塊與中層金屬之間的雜散電容，c2是中層金屬與接地底座之間的雜散電容，c3是屏蔽罩、閥模塊與接地底座之間的雜散電容。三種雜散電容的存在與數(shù)值大小的差別導(dǎo)致了絕緣子串上的電位分布不均；

未鉗制前的水路可以等效成一個(gè)阻值極大的電阻r，與c1、c2、c3的電路等效關(guān)系(如圖2所示)，在水管上增加一個(gè)與絕緣子金屬部分連接的鉗制點(diǎn)后，電路等效(電路圖如圖3所示)為r1是水路鉗制點(diǎn)上段的電阻，r2是水路鉗制點(diǎn)下段的電阻；閥塔模型等效為兩個(gè)電容串聯(lián)、兩個(gè)電阻串聯(lián)，再將這兩組元器件并聯(lián)；水路在電流場下電位呈線性分布，并且水路的電阻值比電容的電抗值要小，而且鉗制點(diǎn)的改變可以使與更接近，使得電壓分配均勻，進(jìn)而水路鉗制使得有效地改善雜散電容引起的電壓分配不均的問題；具體包括水路鉗制點(diǎn)的選取與優(yōu)化效果計(jì)算兩個(gè)步驟，鉗制點(diǎn)的位置反復(fù)的選擇最佳的鉗制點(diǎn)位置；優(yōu)化效果計(jì)算目前普遍采用的是有限元電場計(jì)算：首先選取合適的水路鉗制點(diǎn)，盡量考慮在距離絕緣子串連接金屬部分較近距離的水管位置，水路鉗制點(diǎn)反復(fù)選取與優(yōu)化，不同的鉗制點(diǎn)對(duì)應(yīng)了不同的水路電阻與不同的電壓分配結(jié)果。水管在電流場下按照電阻分布，與電容共同作用影響分壓，根據(jù)公式(1-1)計(jì)算得到，

r＝l/(γ×a)(1-1)

其中：

l：水管長度；

γ：水的電導(dǎo)率；

a：水管的橫截面積；

其次，通過ansys的數(shù)值計(jì)算功能得到整個(gè)閥廳的靜電能量，從而得到各個(gè)部分的雜散電容；得到各個(gè)電路參數(shù)后，閥塔模型等效為多個(gè)電容串聯(lián)、多個(gè)電阻串聯(lián)，再將這兩組元器件并聯(lián)，進(jìn)而求得水路鉗制后串聯(lián)絕緣子的電壓分配結(jié)果，通過反復(fù)修改鉗制點(diǎn)位置，反復(fù)計(jì)算得到最佳的優(yōu)化結(jié)果。

本發(fā)明的有益效果在于：

第一.提出水路鉗制方法可以通過水路電位均勻分布、水路電阻值比電容的電抗值要小的特性，通過電位鉗制直接快捷地改善雜散電容大小分布不均造成的電位分布不均現(xiàn)象，原理簡單易懂，極好地利用了自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，無需增加額外結(jié)構(gòu)，能夠很好的滿足工程需求，計(jì)算快速、且安裝成本小，工程實(shí)施方便，具有較高實(shí)際工程價(jià)值。

第二.采用的電路計(jì)算方法簡單快捷，相比起其他計(jì)算方法，不需要反復(fù)的修改模型，進(jìn)行大量的有限元計(jì)算，可以通過簡單的參數(shù)計(jì)算，反復(fù)調(diào)整鉗制點(diǎn)位置，得到最佳的鉗制點(diǎn)位置，達(dá)到需要的均壓效果，工程難度小，計(jì)算時(shí)間短，大大節(jié)約工程成本與時(shí)間。

附圖說明

圖1為絕緣子串電壓不均原理圖。

圖2為換流閥塔水路鉗制前電路等效圖。

圖3(a、b)為換流閥塔水路鉗制前電路等效圖。

圖4為±800kv換流閥塔模型簡化結(jié)構(gòu)圖。

圖5為電位鉗制點(diǎn)示意圖。

圖6為交直流耐壓下不同鉗制點(diǎn)對(duì)應(yīng)的下層絕緣子分壓百分比的曲線。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明提出的一種高壓柔直換流閥串聯(lián)絕緣子電壓分配均衡方法，該方法適用于換流閥塔絕緣子串聯(lián)電壓均衡問題?；陔妷涸磽Q流器的柔性直流輸電技術(shù)電壓等級(jí)從±30kv不斷提升到±800kv的同時(shí)，換流閥結(jié)構(gòu)也發(fā)生了很大改變，起著支撐和絕緣作用的絕緣子因其工作電壓增高，單根絕緣子支撐已經(jīng)滿足不了工程需求，只能是多根絕緣子用簡單的機(jī)械連接組成絕緣子串來解決；在交流電壓作用下，絕緣子串金屬部分與其他導(dǎo)體之間存在雜散電容，使沿絕緣子串電壓分布不均勻，越靠近高壓端的絕緣子承受的電壓差越高，承受過高電壓易導(dǎo)致絕緣閃絡(luò)、起暈和劣化；絕緣子串的金屬部分與周圍導(dǎo)體之間存在雜散電容是電壓分配不均衡產(chǎn)生最主要的原因。下面結(jié)合附圖，對(duì)實(shí)施例作詳細(xì)說明。

實(shí)際在換流閥閥塔內(nèi)部有多根進(jìn)出冷卻水管，其電位分布受電導(dǎo)率影響，相當(dāng)于一個(gè)數(shù)值極大的電阻，導(dǎo)致整體電位呈現(xiàn)均勻線性分布。在換流閥中，水管成為一個(gè)極為方便采用的均壓手段；水路鉗制方法是通過在水管上增加與絕緣子串金屬部分的連接點(diǎn)，通過水路自身的大電阻與均勻線性電壓分布特性影響雜散電容的自然分壓結(jié)果，以此達(dá)到電壓均衡的目的；

設(shè)絕緣子串的金屬部分與周圍的導(dǎo)體形成三種類型的雜散電容c1、c2和c3(如圖1所示)；其中c1是屏蔽罩、閥模塊與中層金屬之間的雜散電容，c2是中層金屬與接地底座之間的雜散電容，c3是屏蔽罩、閥模塊與接地底座之間的雜散電容。三種雜散電容的存在與數(shù)值大小的差別導(dǎo)致了絕緣子串上的電位分布不均；

未鉗制前的水路可以等效成一個(gè)阻值極大的電阻r，與c1、c2、c3的電路等效關(guān)系(如圖2所示)，在水管上增加一個(gè)與絕緣子金屬部分連接的鉗制點(diǎn)后，電路等效為r1是水路鉗制點(diǎn)上段的電阻，r2是水路鉗制點(diǎn)下段的電阻(電路圖如圖3中a所示)；閥塔模型等效為兩個(gè)電容串聯(lián)、兩個(gè)電阻串聯(lián)，再將這兩組元器件并聯(lián)(電路圖如圖3中b所示)；水路在電流場下電位呈線性分布，并且水路的電阻值比電容的電抗值要小，而且鉗制點(diǎn)的改變可以使與更接近，使得電壓分配均勻，進(jìn)而水路鉗制使得有效地改善雜散電容引起的電壓分配不均的問題；

本發(fā)明包括水路鉗制點(diǎn)的選取與優(yōu)化效果計(jì)算兩個(gè)步驟。鉗制點(diǎn)的位置可以反復(fù)的選擇，選擇最佳的鉗制點(diǎn)位置。優(yōu)化效果計(jì)算可以采用多種方法，目前普遍采用的是有限元電場計(jì)算。本發(fā)明考慮到水路鉗制后電流場和靜電場耦合，閥模型就成為準(zhǔn)靜態(tài)電場模型，直接分析準(zhǔn)靜態(tài)電場難度較大，ansys軟件中實(shí)現(xiàn)起來較為困難，并且為了得到更佳的優(yōu)化效果，采用電路等效計(jì)算方法進(jìn)行優(yōu)化結(jié)果計(jì)算，更加適合反復(fù)修改鉗制點(diǎn)位置、尋找最佳的優(yōu)化方案的工程需求。通過等效的電阻電容值進(jìn)行電路參數(shù)計(jì)算，其計(jì)算簡單，計(jì)算時(shí)間短，可以大大節(jié)約工程成本與時(shí)間。主要均衡過程如下：

以如圖4所示某±800kv的換流閥進(jìn)行閥支架交、直流耐壓試驗(yàn)下兩根串聯(lián)絕緣子的電壓分配進(jìn)行優(yōu)化為實(shí)例進(jìn)行說明。

未優(yōu)化前的兩根串聯(lián)絕緣子的電壓分配結(jié)果通過ansys有限元電場計(jì)算得到，上層絕緣子分壓百分比為64.6％，下層絕緣子的分壓百分比為35.4％。

步驟1：在合適的高度增加水路鉗制點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化。

考慮到安裝方便，首先選擇在絕緣子串聯(lián)中部金具橫梁與同等水平高度的水管位置增加一個(gè)電位鉗制點(diǎn)，定為1號(hào)鉗制點(diǎn)。

步驟2：計(jì)算優(yōu)化后的電壓分配情況。計(jì)算方法包括但不僅限于有限元電場計(jì)算、電路等效計(jì)算，本例采用電路等效計(jì)算。

設(shè)絕緣子串的金屬部分與周圍的導(dǎo)體形成三種類型的雜散電容c1、c2和c3(如圖1所示)；其中c1是屏蔽罩、閥模塊與中層金屬之間的雜散電容，c2是中層金屬與接地底座之間的雜散電容，c3是屏蔽罩、閥模塊與接地底座之間的雜散電容。三種雜散電容的存在與數(shù)值大小的差別導(dǎo)致了絕緣子串上的電位分布不均；

如圖4所示，底層閥模塊、閥底均壓環(huán)為第一層導(dǎo)體，對(duì)應(yīng)圖1中編號(hào)為1；中層法蘭為第二層導(dǎo)體，對(duì)應(yīng)圖1中編號(hào)為2；底層均壓環(huán)、底座和大地圖1構(gòu)成第三層導(dǎo)體，對(duì)應(yīng)圖1中編號(hào)為3，其電路等效關(guān)系如圖1所示；未鉗制前的水路可以等效成一個(gè)阻值極大的電阻r，與c1、c2、c3的電路等效關(guān)系如圖2所示，其中，c1是1號(hào)等效單元與2號(hào)等效單元之間的互電容，c2是2號(hào)等效單元與3號(hào)等效單元之間的互電容；在水管上增加一個(gè)與絕緣子金屬部分連接的鉗制點(diǎn)后，電路等效如圖3所示，r1是水路鉗制點(diǎn)上段的電阻，r2是水路鉗制點(diǎn)下段的電阻；閥塔模型等效為兩個(gè)電容串聯(lián)、兩個(gè)電阻串聯(lián)，再將這兩組元器件并聯(lián)；考慮到閥模塊與串聯(lián)絕緣子中層法蘭之間的電容c1與中層法蘭對(duì)地電容c2之間的差異是造成電壓分配不均衡的主要原因?？紤]到每層的導(dǎo)體電位相等，本例以層為單位進(jìn)行電容提取。采用ansys建立換流閥屏蔽系統(tǒng)三維模型并進(jìn)行剖分，并基于有限元方法提取等效寄生電容參數(shù)。改善原本電容分壓不均的現(xiàn)象。計(jì)算可知c1＝41.18pf，c2＝85pf。取水路中流體電導(dǎo)率為2.86×10^-5s/m(即電阻率ρ＝3.5mω·cm)，當(dāng)水路鉗制點(diǎn)定在與絕緣子串聯(lián)中部金具橫梁水平高度的位置時(shí)，r1＝67.95mω、r2＝54.98mω。計(jì)算后得到安裝1號(hào)鉗制點(diǎn)后電壓分配比如表1所示。

表11號(hào)鉗制點(diǎn)鉗制后的電壓分配結(jié)果

步驟3：根據(jù)工程需求，反復(fù)修改鉗制點(diǎn)位置，尋找最佳的優(yōu)化結(jié)果

本例中，反復(fù)修改水路鉗制點(diǎn)的位置，如圖5所示，從1號(hào)鉗制點(diǎn)位置處繼續(xù)上移(一個(gè)彎的長度：1.178m)，鉗制點(diǎn)的位置說明如表2所示，得到不同的鉗制點(diǎn)與電位分配情況，如表2所示。

表2不同鉗制點(diǎn)對(duì)應(yīng)的不同電壓分配結(jié)果

考慮到直流耐壓試驗(yàn)中，串聯(lián)絕緣子上的電壓分配情況主要受到水路電阻的影響，鉗制點(diǎn)位置的選取也會(huì)相應(yīng)改變直流耐壓試驗(yàn)下的串聯(lián)絕緣子電壓分配情況。工程中必須同時(shí)考慮交直流耐壓試驗(yàn)下的電壓分配情況。交直流耐壓下不同鉗制點(diǎn)對(duì)應(yīng)的下層絕緣子分壓百分比的曲線如圖6所示，并且考慮到絕緣子表面的閃絡(luò)問題，對(duì)不同鉗制點(diǎn)做交直流下爬距的校核，4個(gè)鉗制點(diǎn)均滿足爬距要求，在交直流試驗(yàn)電壓下不會(huì)發(fā)生閃絡(luò)，因此4號(hào)鉗制點(diǎn)已經(jīng)可以滿足工程均壓需求。

與現(xiàn)有的計(jì)算方法相比，本發(fā)明具備如下優(yōu)點(diǎn)：

第一、本發(fā)明提出水路鉗制方法可以通過水路電位均勻分布、水路電阻值比電容的電抗值要小的特性，通過電位鉗制直接快捷地改善雜散電容大小分布不均造成的電位分布不均現(xiàn)象，原理簡單易懂，極好地利用了自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，無需增加額外結(jié)構(gòu)，能夠很好的滿足工程需求，且安裝成本小，工程實(shí)施方便。

第二、本發(fā)明所采用的計(jì)算方法簡單快捷，相比起其他方法，不需要反復(fù)的修改模型，進(jìn)行大量的有限元計(jì)算，可以通過簡單的參數(shù)計(jì)算，反復(fù)調(diào)整鉗制點(diǎn)位置，得到最佳的鉗制點(diǎn)位置，達(dá)到需要的均壓效果，工程難度小，計(jì)算時(shí)間短，大大節(jié)約工程成本與時(shí)間。