特高壓直流換流閥電磁場與電磁兼容性研究

特高壓直流換流閥電磁場與電磁兼容性研究

0特高壓換流閥應(yīng)用概述高壓直流輸電技術(shù)是實(shí)現(xiàn)長距離、高可口可追溯性能源傳輸?shù)淖罴鸭夹g(shù)方案，在中國有著廣泛的技術(shù)需求。隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,中國能源資源分布與生產(chǎn)力布局不平衡的矛盾日益突出,土地、資源、環(huán)保及交通等制約能源工業(yè)發(fā)展的因素日益顯現(xiàn)。在此背景下,要求中國電網(wǎng)建設(shè)與運(yùn)營必須走大范圍資源優(yōu)化配置的道路,通過構(gòu)筑電力“高速公路”,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、大容量和低損耗的電力輸送,保證大型能源基地電力的高效穩(wěn)定送出,而特高壓直流輸電是滿足這種要求的關(guān)鍵技術(shù)之一。近年來,uf0b1800kV云廣特高壓直流輸電工程、uf0b1800kV向上特高壓直流輸電工程在中國相繼投運(yùn),uf0b1800kV錦屏—蘇南特高壓工程也已進(jìn)入工程實(shí)施階段。由中國電力科學(xué)研究院承擔(dān)的,中國首個具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的uf0b1800kV/4750A特高壓直流(ultrahighvoltagedirectcurrent,UHVDC)輸電換流閥也已研制成功,通過了IEC60700標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的全部型式試驗(yàn)項(xiàng)目,并將應(yīng)用在錦屏—蘇南uf0b1800kV特高壓直流工程中。在上述重大工程和科學(xué)項(xiàng)目執(zhí)行過程中,尤其是特高壓換流閥研發(fā)過程中,出現(xiàn)了眾多復(fù)雜的電磁場基礎(chǔ)理論和工程應(yīng)用類問題,通過廣大學(xué)者的工作,這些課題均得到了較為圓滿地解決,為換流閥研制工作提供了必要的技術(shù)支撐。特高壓換流閥電氣應(yīng)力高,階躍性能量大,電磁干擾強(qiáng)度高,強(qiáng)弱電裝置近距離、緊密耦合系統(tǒng),電磁干擾耦合機(jī)制復(fù)雜;觸發(fā)監(jiān)測系統(tǒng)等電磁敏感設(shè)備電磁兼容設(shè)計需要考慮多重因素;uf0b1800kV特高壓換流閥屏蔽系統(tǒng)尺寸大,幾何形狀不規(guī)則,電磁場數(shù)值分析建模難度大,常規(guī)算法耗費(fèi)計算資源大,效率低;特高壓換流閥晶閘管串聯(lián)級數(shù)多,瞬態(tài)電壓下模塊級均壓缺少系統(tǒng)的設(shè)計理論。以上科研課題,涵蓋了電磁兼容、電磁場數(shù)值計算及電磁場試驗(yàn)測試等各個方面,本文從換流閥系統(tǒng)三維電磁場數(shù)值計算、等值電路分析、電磁干擾和電磁兼容等方面對研究內(nèi)容及主要的研究結(jié)論進(jìn)行綜述性介紹。目前,特高壓換流閥研究工作不斷深入,新的電磁場科學(xué)問題不斷涌現(xiàn),本文對未來的研究課題與解決方案提出一些建議和設(shè)想。1采用高壓更換流閥系統(tǒng)計算三維靜態(tài)磁強(qiáng)值1.1特高壓換流閥屏蔽罩的有限元計算當(dāng)前,電磁場數(shù)值計算方法可分為兩大類,一類是場域元法,場源一般體現(xiàn)為邊界條件或場域中的泊松源,計算時需要離散整個場域,這類方法也稱為微分型方法,包括有限差分法、有限元法等;另一類是邊界型方法,是將場域邊界進(jìn)行剖分,離散對應(yīng)的邊界積分方程,最后用代數(shù)方程代替積分方程來近似求解,此類方法也稱為積分型方法,如邊界元法、矩量法等。特高壓換流閥屏蔽罩尺寸較大,結(jié)構(gòu)不規(guī)則,如果采用有限差分法和有限元法等常規(guī)的場域元法,計算時需要離散整個三維區(qū)域,自由度很多,要求計算資源的配置很高,在一般計算機(jī)上難以完成大尺寸、三維復(fù)雜設(shè)備的電場分析,需要采用服務(wù)器或并行計算平臺才能實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)提出采用邊界元法計算特高壓換流閥屏蔽罩表面場強(qiáng)。計算時只需離散邊界,減少了問題的變量和原始信息量,具有精度高、變量少及處理復(fù)雜形體能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。用邊界元法求解電場時,電場強(qiáng)度和電位具有同階的計算精度,不需要進(jìn)行微分運(yùn)算,文獻(xiàn)給出了邊界元法與有限元法所需計算資源的對比,如表1所示。1.2換流閥冠層表面電場的計算在工程設(shè)計中,換流閥外部加裝大曲率、表面光滑的金屬屏蔽罩,用來均勻換流閥模塊內(nèi)的電場分布,避免尖端放電,因此需要在設(shè)計環(huán)節(jié)計算屏蔽罩的表面場強(qiáng),并通過對曲率半徑和結(jié)構(gòu)型式的優(yōu)化,確保場強(qiáng)極值不超過空氣的放電場強(qiáng),無電暈產(chǎn)生。文獻(xiàn)采用邊界元法計算換流閥屏蔽罩的表面電場強(qiáng)度。具體執(zhí)行過程為:使用ANSYS參數(shù)化設(shè)計語言采用不均勻映射剖分建立閥塔屏蔽罩的剖分模型,利用伽遼金曲面間接邊界元法對模型進(jìn)行分析,最后在計算機(jī)上解決了換流閥塔屏蔽罩表面電場的計算問題。計算結(jié)果表明,A5000型uf0b1800kV/4750A特高壓換流閥屏蔽罩表面場強(qiáng)的最大值為20.2kV/cm,以30kV/cm作為起暈場強(qiáng)判據(jù),屏蔽罩表面無起暈現(xiàn)象。1.3邊界元法與解析法的研究邊界元積分方程以導(dǎo)體表面為計算區(qū)間。邊界上任意一點(diǎn)電位由邊界上所有電荷決定,存在確定的函數(shù)關(guān)系,可用積分方程表示,而邊界上的電位是已知的,采用伽遼金加權(quán)余量法離散場域,認(rèn)為在每一小的區(qū)間內(nèi)電荷均勻分布,從而將積分方程轉(zhuǎn)化為一組線性代數(shù)方程,求取每個小區(qū)間的電荷面密度。在整個邊界上對面電荷密度進(jìn)行積分,從而可以求取邊界上的總電荷;在電位已知條件下就可以計算出電容。針對一個有明確解析解的算例,文獻(xiàn)給出了邊界元法與解析法的對比,如表2所示,由二者的對比證實(shí)了算法的可靠性。文獻(xiàn)采用邊界元算法完成了對中國電科院自主研制的A5000型uf0b1800kV/4750A特高壓換流閥高壓閥塔屏蔽系統(tǒng)寄生電容的提取。2高頻晶閘管模型的建立換流閥在試驗(yàn)和運(yùn)行中需要承受不同形式的暫態(tài)過電壓,由于換流閥系統(tǒng)器件分散性及雜散參數(shù)的影響,過電壓在換流閥系統(tǒng)內(nèi)無法均勻分布。為了避免局部耐壓過高,需要采取均壓措施;此外各種形式的暫態(tài)電磁干擾會也在換流閥系統(tǒng)中傳播。晶閘管開通、關(guān)斷的暫態(tài)過程以及換流閥承受的雷電、操作及陡波等沖擊電壓的頻率范圍較寬,因此需要建立換流閥系統(tǒng)在較寬頻帶內(nèi)或者適用于時域仿真分析的等值電路,通常將其稱作寬頻等值電路模型。換流閥系統(tǒng)的寬頻建模主要包括兩方面內(nèi)容,即寄生參數(shù)提取和器件寬頻建模。其中,寄生參數(shù)提取方面的研究成果已在1.3節(jié)中闡述,此處不再冗述。寬頻建模工作,文獻(xiàn)[21-23]均進(jìn)行了不同側(cè)面的研究。文獻(xiàn)提出了晶閘管等值電路模型,由主塊、控制塊和反向恢復(fù)塊3部分組成,考慮了晶閘管的靜態(tài)特性、開通暫態(tài)過程、反向恢復(fù)暫態(tài)過程和高頻特性,根據(jù)物理過程改進(jìn)了參數(shù)提取方法。文獻(xiàn)利用網(wǎng)絡(luò)分析儀對特高壓直流換流閥體內(nèi)的晶閘管、阻容吸收電路和飽和電抗器的阻抗頻率特性進(jìn)行了測量(頻率范圍為100kHz~50MHz),測得的一系列頻率相關(guān)的阻抗特性,在此基礎(chǔ)上,通過矢量匹配方法對測量所得的離散點(diǎn)進(jìn)行有理函數(shù)逼近,找出其極點(diǎn)和留數(shù),并對這些極點(diǎn)和留數(shù)進(jìn)行分類處理,根據(jù)不同類別計算出電阻、電感和電容串并聯(lián)等效電路的參數(shù)值,基于阻抗綜合理論建立了閥體主要器件的高頻等效電路。電路能夠直接應(yīng)用于EMTP和PSCAD進(jìn)行仿真,可為換流站內(nèi)其他設(shè)備的抗干擾度以及閥廳屏蔽設(shè)計提供可靠依據(jù)。文獻(xiàn)與文獻(xiàn)采用了基本相同的處理思路,單端口元件化為雙端口網(wǎng)絡(luò)的方式來測量換流閥組件各元件的散射參數(shù),從而獲得其策動點(diǎn)寬頻阻抗特性后,對測量到的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換和有理逼近,得到它們的有理逼近表達(dá)式。在有理逼近表達(dá)式的基礎(chǔ)上進(jìn)行電路建模,只不過此處采用Brune網(wǎng)絡(luò)綜合法建立器件等值電路。在寬頻模型的基礎(chǔ)上,文獻(xiàn)對貴廣Ⅱ回?fù)Q流站穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時的電磁過程進(jìn)行了仿真分析,計算了主回路中電壓、電流波形和騷擾在主回路中的分布。在20~500kHz范圍內(nèi)主回路各關(guān)鍵位置的電磁騷擾水平。文獻(xiàn)計算了換流閥在各種過電壓(操作、雷電及陡波過電壓)作用下閥層的電壓梯度以及閥組件的電壓分布,并對其影響因素進(jìn)行了分析,得到了換流閥在各種過電壓作用下電壓分布的一般規(guī)律,并提出了改善電壓分布的措施。3換流站電磁干擾的水平預(yù)測換流閥在晶閘管開通、關(guān)斷暫態(tài)過程中會產(chǎn)生高頻電磁騷擾,換流閥組部件中的各種結(jié)構(gòu)型式的金屬導(dǎo)體具有天線效應(yīng),會在閥廳中產(chǎn)生輻射型式電磁騷擾,經(jīng)閥廳屏蔽層衰減后,還會在換流站空間進(jìn)行傳播,該部分騷擾量與電暈電流產(chǎn)生的無線電干擾混疊在一起,是換流站附近電磁環(huán)境的主要組成部分。在閥廳內(nèi),無線電干擾的控制目標(biāo)為不對觸發(fā)監(jiān)測電路板、閥基電子設(shè)備等電磁敏感設(shè)備產(chǎn)生干擾,避免換流閥誤動作;在閥廳外,換流站空間中電磁干擾的控制目標(biāo)是小于標(biāo)準(zhǔn)限值,不對環(huán)境產(chǎn)生不可接受的影響。文獻(xiàn)在分析了高壓換流站主要電磁騷擾源特性的基礎(chǔ)上指出換流閥運(yùn)行時產(chǎn)生的持續(xù)騷擾噪聲是換流站中最主要的騷擾源。因此對換流站閥廳內(nèi)金屬導(dǎo)體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的電磁騷擾水平的預(yù)測是確定換流站整體電磁騷擾水平的關(guān)鍵。國網(wǎng)直流工程建設(shè)有限公司和國網(wǎng)武漢高壓研究院開展了換流閥無線電干擾的試驗(yàn)研究,分別對葛洲壩換流站、江陵換流站、龍泉換流站和靈寶換流站換流閥廳的電磁干擾水平進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn),獲得了不同類型換流站在不同輸送容量、不同電壓等級下的電磁干擾數(shù)據(jù),代表了中國這一領(lǐng)域最權(quán)威的試驗(yàn)研究水平。結(jié)合現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù),分析了換流站閥廳的電磁干擾水平和特性,并給出了若干定量結(jié)論,如換流閥廳內(nèi)距墻壁1m處電磁干擾水平最大值出現(xiàn)在150~500kHz頻段;換流閥在頻率>10MHz以后的干擾水平與換流閥停運(yùn)后的背景噪聲水平基本一致,所發(fā)出的電磁干擾水平與換流閥輸送功率沒有明顯的相關(guān)性。文獻(xiàn)從時域和頻域兩方面總結(jié)了應(yīng)用矩量法計算閥廳內(nèi)金屬導(dǎo)體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的電磁騷擾水平的方法。直接時域方法以電流為激勵源進(jìn)行計算,考慮因素少,計算簡單而直接頻域法由于可同時考慮線路、金屬架構(gòu)等多種復(fù)雜結(jié)構(gòu)的影響,模型更為準(zhǔn)確,但是計算速度慢,建模復(fù)雜。在此基礎(chǔ)上,提出了以電壓源、導(dǎo)線、金屬板和負(fù)載為基本元件的直接頻域法,將換流閥塔的元器件、金屬導(dǎo)線和金屬框架分別用阻抗、線天線和面天線模型進(jìn)行等效,再借用NEC、FEKO等成熟的矩量法軟件進(jìn)行工程計算。該方法圓滿解決了換流閥無線電干擾的計算問題,適用于多閥塔系統(tǒng)的規(guī)?；こ虘?yīng)用。4金屬殼體的電磁屏蔽效能UHVDC換流閥在工作過程中會有一些瞬態(tài)的電壓電流變化,對其附近的控制電路會產(chǎn)生較大的電磁干擾。文獻(xiàn)研究了輻射電磁場作用下?lián)Q流閥控制電路板的抗干擾問題,基于有限元法進(jìn)行仿真計算,分析了在0~1GHz頻率下,不同照射方向和極化方向的平面波照射到印刷電路板級上、PCB板級上敏感回路處的電磁場場強(qiáng)、感應(yīng)電壓和表面電流流動情況,并提出改變布線角度、增加濾波器和改變布線間距等方面的整改措施,如圖1所示。觸發(fā)監(jiān)測電路板上的一些部件裝設(shè)了金屬殼體進(jìn)行電磁屏蔽。但屏蔽體在接縫處難免存在縫隙,有時還要在殼體上特意開口,如通風(fēng)散熱窗孔、電源線和信號線的出入口等,因此嚴(yán)格來講封閉系統(tǒng)的金屬殼體并不是完整封閉的,各種不連續(xù)的結(jié)構(gòu)都會造成電磁能量的泄漏,降低其屏蔽效能。文獻(xiàn)基于傳輸線矩陣法(transmission-linemodeling,TLM),分析了UHVDC換流閥觸發(fā)電路板屏蔽系統(tǒng)外界電磁干擾,通過導(dǎo)體機(jī)箱孔縫對機(jī)箱內(nèi)部產(chǎn)生的電磁干擾,研究了電磁屏蔽的原理與電磁場傳播過程以及搭接與鉚接結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)、機(jī)箱尺寸、細(xì)縫方向等因素對屏蔽效能和頻率特性的影響,計算了換流閥觸發(fā)電路板在系統(tǒng)內(nèi)電磁干擾作用下的過電壓和過電流強(qiáng)度,提出了屏蔽、接地、布線和濾波等電磁兼容抑制措施。5新流閥系統(tǒng)其他相關(guān)電磁干的研究5.1換流閥技術(shù)發(fā)展特高壓換流閥是當(dāng)前學(xué)術(shù)界的熱點(diǎn)研究課題,同時又具有廣泛的工程需求,不但取得了諸多理論創(chuàng)新成果,還呈現(xiàn)出了一些新的研究方向和設(shè)計理念。uf0b11100kV特高壓換流閥較之uf0b1800kV,尺寸更大,電磁輻射強(qiáng)度更高,因此要求更為精益化的設(shè)計;緊湊化換流站在國外已經(jīng)投入工程應(yīng)用,在中國也已列入研究日程,其技術(shù)特點(diǎn)是充分利用換流站空間,采用更高參數(shù)晶閘管實(shí)現(xiàn)換流閥的小型化,控制保護(hù)系統(tǒng)的集成化。隨著換流閥及附加金具體積的增加,戶外式換流站的可行性也已引起了學(xué)術(shù)界的重視,沒有閥廳的屏蔽作用,輻射型電磁騷擾需要額外的抑制措施,才能滿足環(huán)境要求。節(jié)能環(huán)保的電工新材料在換流閥領(lǐng)域的應(yīng)用也有了初步的探索。這些新的技術(shù)趨勢和研究方向帶來了新的電磁場領(lǐng)域的科學(xué)問題。特高壓直流換流閥自身物理結(jié)構(gòu)復(fù)雜,多換流閥系統(tǒng)之間、換流閥與閥廳間耦合緊密,空間距離小,屬近場范圍,進(jìn)行理論分析建模困難。如果直接測試,則測試裝置的引入效應(yīng)明顯,采用間接等效測試,機(jī)制復(fù)雜,尚需開展深入的專題研究。5.2定額工況下的屏蔽覆蓋保護(hù)板的設(shè)置不受限制特高壓直流換流閥屏蔽系統(tǒng)設(shè)計要求為在多重閥直流耐壓試驗(yàn)條件下,屏蔽罩表面場強(qiáng)不超過導(dǎo)體在空氣中的擊穿場強(qiáng)。但換流閥在額定工況下的電壓強(qiáng)度要遠(yuǎn)小于試驗(yàn)工況,屏蔽罩設(shè)計就存在較大裕度,從而造成曲率半徑和體積的增大。因此,可以探討在充分保證運(yùn)行工況下?lián)Q流閥屏蔽罩無電暈,而在直流耐壓試驗(yàn)中允許一定的電暈水平,但電暈水平需要精確控制,確保因電暈產(chǎn)生的無線電干擾不會引起觸發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)的誤動作。5.3非晶合金鐵芯的結(jié)構(gòu)型式飽和電抗器是直流換流閥中的重要設(shè)備,其生產(chǎn)加工需要耗費(fèi)大量的硅鋼片。非晶合金材料是一種具有良好導(dǎo)磁特性的環(huán)保型電工新材料,具有單位損耗低、熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。研制基于非晶合金材料的飽和電抗器,能夠降低運(yùn)行損耗及制造成本、提高動態(tài)響應(yīng)特性及節(jié)約有色金屬等。但非晶合金也有其固有的特點(diǎn),因此其設(shè)計方法與基于傳統(tǒng)鐵芯的電抗器又有所不同。非晶合金材料鐵芯損耗較低,對振蕩電流的阻尼效果差,容易出現(xiàn)開通電流振蕩過零并引起晶閘管關(guān)斷的現(xiàn)象,因此可以考慮附加阻尼繞組等措施加以改善。非晶合金鐵芯的飽和磁密比硅鋼片