特高压直流换流阀电磁场与电磁兼容性研究

特高压直流换流阀电磁场与电磁兼容性研究

0特高压换流阀应用概述高压直流输电技术是实现长距离、高可口可追溯性能源传输的最佳技术方案，在中国有着广泛的技术需求。随着国民经济的发展,中国能源资源分布与生产力布局不平衡的矛盾日益突出,土地、资源、环保及交通等制约能源工业发展的因素日益显现。在此背景下,要求中国电网建设与运营必须走大范围资源优化配置的道路,通过构筑电力“高速公路”,实现远距离、大容量和低损耗的电力输送,保证大型能源基地电力的高效稳定送出,而特高压直流输电是满足这种要求的关键技术之一。近年来,uf0b1800kV云广特高压直流输电工程、uf0b1800kV向上特高压直流输电工程在中国相继投运,uf0b1800kV锦屏—苏南特高压工程也已进入工程实施阶段。由中国电力科学研究院承担的,中国首个具有完全自主知识产权的uf0b1800kV/4750A特高压直流(ultrahighvoltagedirectcurrent,UHVDC)输电换流阀也已研制成功,通过了IEC60700标准规定的全部型式试验项目,并将应用在锦屏—苏南uf0b1800kV特高压直流工程中。在上述重大工程和科学项目执行过程中,尤其是特高压换流阀研发过程中,出现了众多复杂的电磁场基础理论和工程应用类问题,通过广大学者的工作,这些课题均得到了较为圆满地解决,为换流阀研制工作提供了必要的技术支撑。特高压换流阀电气应力高,阶跃性能量大,电磁干扰强度高,强弱电装置近距离、紧密耦合系统,电磁干扰耦合机制复杂;触发监测系统等电磁敏感设备电磁兼容设计需要考虑多重因素;uf0b1800kV特高压换流阀屏蔽系统尺寸大,几何形状不规则,电磁场数值分析建模难度大,常规算法耗费计算资源大,效率低;特高压换流阀晶闸管串联级数多,瞬态电压下模块级均压缺少系统的设计理论。以上科研课题,涵盖了电磁兼容、电磁场数值计算及电磁场试验测试等各个方面,本文从换流阀系统三维电磁场数值计算、等值电路分析、电磁干扰和电磁兼容等方面对研究内容及主要的研究结论进行综述性介绍。目前,特高压换流阀研究工作不断深入,新的电磁场科学问题不断涌现,本文对未来的研究课题与解决方案提出一些建议和设想。1采用高压更换流阀系统计算三维静态磁强值1.1特高压换流阀屏蔽罩的有限元计算当前,电磁场数值计算方法可分为两大类,一类是场域元法,场源一般体现为边界条件或场域中的泊松源,计算时需要离散整个场域,这类方法也称为微分型方法,包括有限差分法、有限元法等;另一类是边界型方法,是将场域边界进行剖分,离散对应的边界积分方程,最后用代数方程代替积分方程来近似求解,此类方法也称为积分型方法,如边界元法、矩量法等。特高压换流阀屏蔽罩尺寸较大,结构不规则,如果采用有限差分法和有限元法等常规的场域元法,计算时需要离散整个三维区域,自由度很多,要求计算资源的配置很高,在一般计算机上难以完成大尺寸、三维复杂设备的电场分析,需要采用服务器或并行计算平台才能实现。文献提出采用边界元法计算特高压换流阀屏蔽罩表面场强。计算时只需离散边界,减少了问题的变量和原始信息量,具有精度高、变量少及处理复杂形体能力强等优点。用边界元法求解电场时,电场强度和电位具有同阶的计算精度,不需要进行微分运算,文献给出了边界元法与有限元法所需计算资源的对比,如表1所示。1.2换流阀冠层表面电场的计算在工程设计中,换流阀外部加装大曲率、表面光滑的金属屏蔽罩,用来均匀换流阀模块内的电场分布,避免尖端放电,因此需要在设计环节计算屏蔽罩的表面场强,并通过对曲率半径和结构型式的优化,确保场强极值不超过空气的放电场强,无电晕产生。文献采用边界元法计算换流阀屏蔽罩的表面电场强度。具体执行过程为:使用ANSYS参数化设计语言采用不均匀映射剖分建立阀塔屏蔽罩的剖分模型,利用伽辽金曲面间接边界元法对模型进行分析,最后在计算机上解决了换流阀塔屏蔽罩表面电场的计算问题。计算结果表明,A5000型uf0b1800kV/4750A特高压换流阀屏蔽罩表面场强的最大值为20.2kV/cm,以30kV/cm作为起晕场强判据,屏蔽罩表面无起晕现象。1.3边界元法与解析法的研究边界元积分方程以导体表面为计算区间。边界上任意一点电位由边界上所有电荷决定,存在确定的函数关系,可用积分方程表示,而边界上的电位是已知的,采用伽辽金加权余量法离散场域,认为在每一小的区间内电荷均匀分布,从而将积分方程转化为一组线性代数方程,求取每个小区间的电荷面密度。在整个边界上对面电荷密度进行积分,从而可以求取边界上的总电荷;在电位已知条件下就可以计算出电容。针对一个有明确解析解的算例,文献给出了边界元法与解析法的对比,如表2所示,由二者的对比证实了算法的可靠性。文献采用边界元算法完成了对中国电科院自主研制的A5000型uf0b1800kV/4750A特高压换流阀高压阀塔屏蔽系统寄生电容的提取。2高频晶闸管模型的建立换流阀在试验和运行中需要承受不同形式的暂态过电压,由于换流阀系统器件分散性及杂散参数的影响,过电压在换流阀系统内无法均匀分布。为了避免局部耐压过高,需要采取均压措施;此外各种形式的暂态电磁干扰会也在换流阀系统中传播。晶闸管开通、关断的暂态过程以及换流阀承受的雷电、操作及陡波等冲击电压的频率范围较宽,因此需要建立换流阀系统在较宽频带内或者适用于时域仿真分析的等值电路,通常将其称作宽频等值电路模型。换流阀系统的宽频建模主要包括两方面内容,即寄生参数提取和器件宽频建模。其中,寄生参数提取方面的研究成果已在1.3节中阐述,此处不再冗述。宽频建模工作,文献[21-23]均进行了不同侧面的研究。文献提出了晶闸管等值电路模型,由主块、控制块和反向恢复块3部分组成,考虑了晶闸管的静态特性、开通暂态过程、反向恢复暂态过程和高频特性,根据物理过程改进了参数提取方法。文献利用网络分析仪对特高压直流换流阀体内的晶闸管、阻容吸收电路和饱和电抗器的阻抗频率特性进行了测量(频率范围为100kHz~50MHz),测得的一系列频率相关的阻抗特性,在此基础上,通过矢量匹配方法对测量所得的离散点进行有理函数逼近,找出其极点和留数,并对这些极点和留数进行分类处理,根据不同类别计算出电阻、电感和电容串并联等效电路的参数值,基于阻抗综合理论建立了阀体主要器件的高频等效电路。电路能够直接应用于EMTP和PSCAD进行仿真,可为换流站内其他设备的抗干扰度以及阀厅屏蔽设计提供可靠依据。文献与文献采用了基本相同的处理思路,单端口元件化为双端口网络的方式来测量换流阀组件各元件的散射参数,从而获得其策动点宽频阻抗特性后,对测量到的数据进行转换和有理逼近,得到它们的有理逼近表达式。在有理逼近表达式的基础上进行电路建模,只不过此处采用Brune网络综合法建立器件等值电路。在宽频模型的基础上,文献对贵广Ⅱ回换流站稳态运行时的电磁过程进行了仿真分析,计算了主回路中电压、电流波形和骚扰在主回路中的分布。在20~500kHz范围内主回路各关键位置的电磁骚扰水平。文献计算了换流阀在各种过电压(操作、雷电及陡波过电压)作用下阀层的电压梯度以及阀组件的电压分布,并对其影响因素进行了分析,得到了换流阀在各种过电压作用下电压分布的一般规律,并提出了改善电压分布的措施。3换流站电磁干扰的水平预测换流阀在晶闸管开通、关断暂态过程中会产生高频电磁骚扰,换流阀组部件中的各种结构型式的金属导体具有天线效应,会在阀厅中产生辐射型式电磁骚扰,经阀厅屏蔽层衰减后,还会在换流站空间进行传播,该部分骚扰量与电晕电流产生的无线电干扰混叠在一起,是换流站附近电磁环境的主要组成部分。在阀厅内,无线电干扰的控制目标为不对触发监测电路板、阀基电子设备等电磁敏感设备产生干扰,避免换流阀误动作;在阀厅外,换流站空间中电磁干扰的控制目标是小于标准限值,不对环境产生不可接受的影响。文献在分析了高压换流站主要电磁骚扰源特性的基础上指出换流阀运行时产生的持续骚扰噪声是换流站中最主要的骚扰源。因此对换流站阀厅内金属导体结构产生的电磁骚扰水平的预测是确定换流站整体电磁骚扰水平的关键。国网直流工程建设有限公司和国网武汉高压研究院开展了换流阀无线电干扰的试验研究,分别对葛洲坝换流站、江陵换流站、龙泉换流站和灵宝换流站换流阀厅的电磁干扰水平进行了现场试验,获得了不同类型换流站在不同输送容量、不同电压等级下的电磁干扰数据,代表了中国这一领域最权威的试验研究水平。结合现场实测数据,分析了换流站阀厅的电磁干扰水平和特性,并给出了若干定量结论,如换流阀厅内距墙壁1m处电磁干扰水平最大值出现在150~500kHz频段;换流阀在频率>10MHz以后的干扰水平与换流阀停运后的背景噪声水平基本一致,所发出的电磁干扰水平与换流阀输送功率没有明显的相关性。文献从时域和频域两方面总结了应用矩量法计算阀厅内金属导体结构产生的电磁骚扰水平的方法。直接时域方法以电流为激励源进行计算,考虑因素少,计算简单而直接频域法由于可同时考虑线路、金属架构等多种复杂结构的影响,模型更为准确,但是计算速度慢,建模复杂。在此基础上,提出了以电压源、导线、金属板和负载为基本元件的直接频域法,将换流阀塔的元器件、金属导线和金属框架分别用阻抗、线天线和面天线模型进行等效,再借用NEC、FEKO等成熟的矩量法软件进行工程计算。该方法圆满解决了换流阀无线电干扰的计算问题,适用于多阀塔系统的规模化工程应用。4金属壳体的电磁屏蔽效能UHVDC换流阀在工作过程中会有一些瞬态的电压电流变化,对其附近的控制电路会产生较大的电磁干扰。文献研究了辐射电磁场作用下换流阀控制电路板的抗干扰问题,基于有限元法进行仿真计算,分析了在0~1GHz频率下,不同照射方向和极化方向的平面波照射到印刷电路板级上、PCB板级上敏感回路处的电磁场场强、感应电压和表面电流流动情况,并提出改变布线角度、增加滤波器和改变布线间距等方面的整改措施,如图1所示。触发监测电路板上的一些部件装设了金属壳体进行电磁屏蔽。但屏蔽体在接缝处难免存在缝隙,有时还要在壳体上特意开口,如通风散热窗孔、电源线和信号线的出入口等,因此严格来讲封闭系统的金属壳体并不是完整封闭的,各种不连续的结构都会造成电磁能量的泄漏,降低其屏蔽效能。文献基于传输线矩阵法(transmission-linemodeling,TLM),分析了UHVDC换流阀触发电路板屏蔽系统外界电磁干扰,通过导体机箱孔缝对机箱内部产生的电磁干扰,研究了电磁屏蔽的原理与电磁场传播过程以及搭接与铆接结构结构、机箱尺寸、细缝方向等因素对屏蔽效能和频率特性的影响,计算了换流阀触发电路板在系统内电磁干扰作用下的过电压和过电流强度,提出了屏蔽、接地、布线和滤波等电磁兼容抑制措施。5新流阀系统其他相关电磁干的研究5.1换流阀技术发展特高压换流阀是当前学术界的热点研究课题,同时又具有广泛的工程需求,不但取得了诸多理论创新成果,还呈现出了一些新的研究方向和设计理念。uf0b11100kV特高压换流阀较之uf0b1800kV,尺寸更大,电磁辐射强度更高,因此要求更为精益化的设计;紧凑化换流站在国外已经投入工程应用,在中国也已列入研究日程,其技术特点是充分利用换流站空间,采用更高参数晶闸管实现换流阀的小型化,控制保护系统的集成化。随着换流阀及附加金具体积的增加,户外式换流站的可行性也已引起了学术界的重视,没有阀厅的屏蔽作用,辐射型电磁骚扰需要额外的抑制措施,才能满足环境要求。节能环保的电工新材料在换流阀领域的应用也有了初步的探索。这些新的技术趋势和研究方向带来了新的电磁场领域的科学问题。特高压直流换流阀自身物理结构复杂,多换流阀系统之间、换流阀与阀厅间耦合紧密,空间距离小,属近场范围,进行理论分析建模困难。如果直接测试,则测试装置的引入效应明显,采用间接等效测试,机制复杂,尚需开展深入的专题研究。5.2定额工况下的屏蔽覆盖保护板的设置不受限制特高压直流换流阀屏蔽系统设计要求为在多重阀直流耐压试验条件下,屏蔽罩表面场强不超过导体在空气中的击穿场强。但换流阀在额定工况下的电压强度要远小于试验工况,屏蔽罩设计就存在较大裕度,从而造成曲率半径和体积的增大。因此,可以探讨在充分保证运行工况下换流阀屏蔽罩无电晕,而在直流耐压试验中允许一定的电晕水平,但电晕水平需要精确控制,确保因电晕产生的无线电干扰不会引起触发监控系统的误动作。5.3非晶合金铁芯的结构型式饱和电抗器是直流换流阀中的重要设备,其生产加工需要耗费大量的硅钢片。非晶合金材料是一种具有良好导磁特性的环保型电工新材料,具有单位损耗低、热稳定性好等优点。研制基于非晶合金材料的饱和电抗器,能够降低运行损耗及制造成本、提高动态响应特性及节约有色金属等。但非晶合金也有其固有的特点,因此其设计方法与基于传统铁芯的电抗器又有所不同。非晶合金材料铁芯损耗较低,对振荡电流的阻尼效果差,容易出现开通电流振荡过零并引起晶闸管关断的现象,因此可以考虑附加阻尼绕组等措施加以改善。非晶合金铁芯的饱和磁密比硅钢片