特高压直流换流站交流滤波器避雷器的电场分布估计方法

1.本发明涉及电压分析领域，具体涉及特高压直流换流站交流滤波器避雷器的电场分布估计方法。


背景技术：

2.我国用电负荷中心及能源资源的逆向分布使得特高压直流输电技术成为解决电能生产与使用矛盾的重要技术手段。
3.交流滤波器能够滤除谐波和提供无功功率，是高压直流输电系统中的重要组成部分。而交流滤波器用避雷器可以限制各种操作及故障下的滤波器设备过电压，是保证滤波器安全稳定运行的重要设备。运行报告表明，部分换流站的交流滤波器用避雷器出现了直流参考电压下降超过5％的情况，拆解发现避雷器内部部分阀片出现侧面闪络和开裂现象。电场的集中分布可能是避雷器阀片损坏的原因，因此有必要开展交流滤波器用避雷器电场分布计算以探明避雷器阀片损坏原因。
4.基于静电场的有限元仿真是精确计算电场分布的有效手段。目前已有研究针对避雷器外绝缘开展有限元仿真分析。但是，尚缺少同时考虑避雷器外绝缘和内部结构进行电场分布计算的研究，因此需要提出一种同时考虑避雷器外绝缘和内部结构的电场分布计算方法。


技术实现要素：

5.为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种特高压直流换流站交流滤波器避雷器的电场分布估计方法。
6.本发明采用如下技术方案：
7.一种特高压直流换流站交流滤波器避雷器的电场分布估计方法，包括如下：
8.获得避雷器外绝缘和避雷器内部的电气连接、几何结构、空间结构及尺寸；
9.利用solidworks三维设计软件建立避雷器的三维几何结构模型；
10.根据避雷器三维几何结构模型，建立静电场三维仿真模型；
11.获得用户的设备信息，所述设备信息包括避雷器的材料、尺寸、结构、电导率及相对介电常数等结构参数，设置静电场三维仿真模型中避雷器的属性特征，根据避雷器的电气连接，向避雷器高压端施加电压，低压端接地；
12.修改仿真参数进行仿真，记录每一次仿真结果，直至三维有限元仿真中的仿真参数达到最佳，停止仿真。仿真结果表明，在一定范围内，迭代次数越高，迭代误差越低，求解域越大时，得到的仿真结果越精细，但计算速度越慢。当迭代次数达到为20，迭代误差1％，求解域达到300％时，再提高迭代次数或求解域，避雷器电场分布基本不变，因此可以认为此时避雷器电场计算的效率达到最高。
13.根据最佳仿真参数设置三维有限元仿真模型属性，并外施电压激励，划分网格，设置最大迭代次数、迭代误差和求解域，进行电场分布的估计，
14.进一步，所述修改仿真参数进行仿真，记录每一次仿真结果，直至三维有限元仿真中的仿真参数达到最佳，停止仿真，具体是采用控制变量法。
15.进一步，所述仿真参数包括网格划分、最大迭代次数、迭代误差和求解域。
16.进一步，所述避雷器高压端施加的电压为避雷器承受的最大过电压，具体计算过程如下：
17.建立特高压直流输电系统的过电压仿真计算模型，然后计算交流滤波器避雷器正常运行时的持续运行电压以及在滤波器投入、滤波器母线接地故障、交流母线接地故障等操作及故障工况下承受的最大电压，其中滤波器投入工况中选择一组滤波器投入，其他滤波器处于在运状态，分别计算投入角度为0～90
°
时各组滤波器用避雷器的暂态过电压，母线接地故障计算不同故障发生时间下各组滤波器用避雷器暂态过电压，取最大值。
18.进一步，三维几何结构模型与避雷器的比例为1:1。
19.进一步，在ansys electronic desktop三维有限元仿真软件中，选择ansys静电场仿真环境，建立静电场三维仿真模型。
20.进一步，所述避雷器属性特征包括材料、电导率及介质的相对介电常数。
21.进一步，所述控制变量法，是在其它条件不变的情况下，从小到大逐步修改仿真条件，直至仿真结果达到最佳。
22.本发明的有益效果：
23.目前缺少同时考虑避雷器外绝缘和内部结构的交流滤波器避雷器电场分布计算的研究方法。本方法可计算交流滤波器用避雷器外绝缘及内部电场分布，可为后续交流滤波器避雷器故障研究提供参考。
附图说明
24.图1是本发明的工作流程图；
25.图2是避雷器结构图；
26.图3是避雷器内部阀片拓扑结构；
27.图4是避雷器外绝缘三维模型；
28.图5是避雷器整体三维模型剖面图；
29.图6是特高压直流输电系统过电压计算拓扑；
30.图7(a)
‑
图7(e)是避雷器电场分布随求解域变化的趋势图，求解域分别为0％、100％、200％、300％及400％。
具体实施方式
31.下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
32.实施例
33.如图1所示，一种特高压直流换流站交流滤波器避雷器的电场分布估计方法，包括：
34.s1根据避雷器设计图纸或实际测量数据，分析避雷器外绝缘和内部的电气连接、几何结构、空间结构、材料以及尺寸大小。本实施例以a型dt11/24交流滤波器用f1避雷器为
例，避雷器图纸如图2所示。避雷器内部由3柱阀片并联组成，每柱26片阀片，共78片，避雷器拓扑如图3所示。
35.s2根据避雷器的几何结构、空间结构和尺寸，利用solidworks三维设计软件建立避雷器1:1三维几何结构模型，如图4及图5所示。
36.s3将s2中建立的模型导入到ansys electronic desktop三维有限元仿真软件中，选择ansys静电场仿真环境，建立静电场三维仿真模型。
37.s4根据图纸或厂家提供的设备信息，设置仿真模型中避雷器属性，如材料、相对介电常数等，本例中避雷器各组成部分的相对介电常数如表1所示。根据避雷器的电气连接，向避雷器高压端施加电压，低压端接地。
38.s5建立特高压直流输电系统过电压仿真计算模型，计算交流滤波器避雷器正常运行时的持续运行电压以及在各操作及故障工况下承受的最大电压，过电压仿真计算模型如图6所示。将此最大电压施加在三维仿真模型中的避雷器高压端，如仿真计算得到避雷器承受的最大过电压是交流滤波器母线单相接地工况下的225.2kv，接地端设为0kv。
39.s6通过仿真迭代的方法获取三维有限元仿真中的最佳仿真参数，包括网格划分精细程度、最大迭代次数、迭代误差和求解域。为此需要采用控制变量法，在其余条件不变的情况下，逐步修改仿真条件进行仿真，记录每一步的仿真结果，直至仿真效率和仿真结果达到最佳。以求解域为例，其余条件相同的情况下，避雷器电场分布随求解域的变化如图7(a)～图7(e)所示。当求解域达到300％后，避雷器电场分布基本不随求解域继续增大而变化。考虑求解速度，本例将求解域设为300％。
40.s7根据s4的模型属性和s6记录的最佳仿真参数，设置仿真模型属性，并外施电压激励，划分网格，设置最大迭代次数、迭代误差和求解域，进行电场分布数值计算。本例中避雷器电场分布计算结果如图7(d)所示。
41.表1避雷器各组成部分相对介电常数
[0042][0043]
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。