柔性直流换流站短路工况下直流场磁场建模与特性深度剖析

柔性直流换流站短路工况下直流场磁场建模与特性深度剖析一、引言1.1研究背景与意义随着能源结构的优化调整以及电网互联需求的不断增长，直流输电技术凭借其长距离、大容量、低损耗等显著优势，在现代电力系统中占据了愈发重要的地位。传统的基于晶闸管的直流输电（LCC-HVDC）存在着诸如换流站需消耗大量无功、无法独立控制有功和无功功率、对交流系统故障敏感等问题。在此背景下，柔性直流输电技术（VSC-HVDC）应运而生。它采用电压源型换流器（VSC）和脉宽调制（PWM）技术，实现了对有功和无功功率的独立控制，并且具备快速响应、灵活调节、易于构成多端直流系统等优点，在电网互联、新能源接入、城市配电网等领域得到了广泛应用。自20世纪90年代初基于绝缘栅双极晶体管（IGBT）的VSC技术开始应用于风电场并网和孤岛供电等领域以来，柔性直流输电技术的发展日新月异。其容量和电压等级不断提升，应用范围也持续扩大。例如，中国在柔性直流输电领域取得了众多突破性成果，张北柔直开启了500千伏的柔性直流输电高电压，南方电网的乌东德水电站电压等级更是达到了历史新高的±800千伏，展现了该技术在大规模电力传输中的巨大潜力。然而，在柔性直流输电系统的运行过程中，短路故障是一种严重威胁系统安全稳定运行的故障类型。当柔性直流换流站发生短路故障时，会产生一系列复杂的电磁暂态过程，对换流站的设备和系统的正常运行造成极大影响。短路故障可能导致设备损坏，如换流阀、平波电抗器、直流断路器等关键设备在短路电流的冲击下，可能会出现过热、绝缘损坏等问题，严重时甚至会引发设备烧毁，造成巨大的经济损失。短路故障还可能引发系统电压大幅下降，影响电力系统的稳定性，导致系统振荡甚至崩溃，进而引发大面积停电事故，对社会生产和生活造成严重的负面影响。在短路工况下，直流场会产生复杂的磁场分布。这些磁场不仅会对直流场中的电气设备产生影响，如影响设备的正常运行、缩短设备的使用寿命，还可能对周围的通信系统、电子设备等产生电磁干扰，导致通信中断、电子设备误动作等问题。准确地对柔性直流换流站短路工况下的直流场磁场进行建模分析，对于深入了解短路故障的电磁暂态过程、评估设备的电磁兼容性、保障换流站的安全稳定运行具有重要意义。通过建立精确的磁场模型，可以准确计算短路工况下直流场的磁场分布，为设备的设计和选型提供依据，优化设备的布局和屏蔽措施，降低磁场对设备和周围环境的影响。这有助于提高柔性直流输电系统的可靠性和稳定性，促进该技术的进一步推广和应用，对于推动能源结构的优化和电力系统的可持续发展具有重要的现实意义。1.2国内外研究现状在柔性直流输电技术的研究领域，众多学者围绕短路故障和直流场磁场特性开展了大量研究，取得了一定成果。在柔性直流换流站短路故障研究方面，许多学者针对不同类型的短路故障，如交流侧短路、直流侧短路以及换流器内部短路等，对故障电流特性进行了深入分析。文献[具体文献1]通过建立详细的柔性直流输电系统模型，研究了交流侧短路故障时的电流暂态过程，指出短路故障发生后，短路电流会迅速上升，其幅值和变化率受到系统参数、控制策略以及故障位置等多种因素的影响。文献[具体文献2]则聚焦于直流侧短路故障，分析了故障电流的上升速度和峰值大小，提出了相应的故障检测和保护策略。在短路故障的分析方法上，目前主要采用电磁暂态仿真软件，如PSCAD/EMTDC、MATLAB/Simulink等，对短路故障进行仿真研究。这些软件能够较为准确地模拟短路故障的电磁暂态过程，但计算量大，且对于复杂系统的建模和分析存在一定的局限性。在直流场磁场建模方面，已有研究主要针对直流场中的关键设备，如换流阀、平波电抗器、直流母线等，采用数值计算方法，如有限元法、边界元法等，对其磁场分布进行建模和分析。文献[具体文献3]运用有限元法对平波电抗器的磁场进行建模，研究了电抗器的结构参数对磁场分布的影响，发现电抗器的绕组匝数、气隙大小等参数会显著影响其周围的磁场分布。文献[具体文献4]则利用边界元法对直流母线的磁场进行分析，探讨了母线的布置方式和电流大小对磁场的影响规律。然而，对于整个直流场在短路工况下的综合磁场建模，目前的研究还相对较少。直流场中包含多种电气设备，设备之间存在复杂的电磁耦合关系，传统的单一设备建模方法难以准确反映整个直流场的磁场特性。在短路工况下直流场磁场特性分析方面，现有研究主要关注磁场对电气设备的影响，如磁场对设备绝缘性能的影响、对设备电磁干扰的影响等。文献[具体文献5]研究了磁场对换流阀绝缘性能的影响，发现强磁场会导致换流阀内部电场分布不均匀，从而降低其绝缘性能。文献[具体文献6]则分析了磁场对直流场中电子设备的电磁干扰，提出了相应的屏蔽和防护措施。然而，对于磁场在直流场中的传播特性以及不同位置处磁场的变化规律，目前的研究还不够深入。直流场的空间结构复杂，磁场在其中的传播会受到多种因素的影响，如设备的布局、金属结构的屏蔽作用等，准确掌握磁场的传播和变化规律对于评估直流场的电磁环境至关重要。综上所述，目前对于柔性直流换流站短路工况下的研究，在短路故障分析和单设备磁场建模方面取得了一定成果，但在直流场综合磁场建模以及磁场特性全面分析等方面仍存在不足。后续研究需要进一步完善直流场磁场建模方法，深入分析磁场在复杂工况下的特性，为柔性直流输电系统的安全稳定运行提供更坚实的理论支持。1.3研究内容与方法1.3.1研究内容本研究旨在深入分析柔性直流换流站短路工况下的直流场磁场特性，具体研究内容如下：柔性直流换流站设备建模：对柔性直流换流站中的关键设备，如混合式直流断路器、平波电抗器、母线、电缆、接地网以及直流场金属网等，进行详细的电磁建模。考虑设备的结构参数、材料特性以及运行工况等因素，建立准确反映设备电磁特性的模型。对于混合式直流断路器，分析其在短路故障时的开断过程和电流变化，建立相应的电磁模型，以研究其在短路工况下的磁场分布特性；针对平波电抗器，考虑其绕组结构、铁芯材料等因素，建立精确的磁场计算模型，分析其对直流场磁场分布的影响。短路故障电流特性分析：利用电磁暂态仿真软件，如PSCAD/EMTDC或MATLAB/Simulink，对柔性直流换流站在不同类型短路故障（如单极短路、双极短路等）下的电流特性进行仿真研究。分析短路故障发生瞬间电流的突变情况、电流的上升速率以及稳态电流的大小等参数，为后续的直流场磁场分析提供准确的电流激励源。通过仿真，获取不同故障条件下的电流波形和数据，深入研究短路电流的变化规律及其与系统参数、控制策略之间的关系。直流场磁场分布计算与分析：基于建立的设备模型和获取的短路故障电流数据，运用数值计算方法，如有限元法（FEM），对直流场在短路工况下的磁场分布进行精确计算。分析不同位置处的磁场强度、方向以及磁场的变化趋势，研究磁场在直流场中的传播特性和分布规律。重点关注直流场中对磁场敏感的区域和设备，评估磁场对这些区域和设备的影响程度。例如，分析磁场对换流阀绝缘性能的影响，研究磁场在直流母线附近的分布情况以及对周围电子设备的电磁干扰等问题。多换流站案例分析：选取实际的柔性直流输电工程中的换流站，如定海换流站和张北换流站，作为研究案例。根据工程实际参数和运行情况，建立相应的仿真模型，对短路工况下的直流场磁场进行具体分析。对比不同换流站在相同故障条件下的磁场特性差异，以及同一换流站在不同运行工况下的磁场变化情况，总结出具有普遍性的规律和结论。通过对实际案例的分析，验证理论分析和仿真结果的准确性，为工程实际应用提供有力的支持。磁场抗扰度试验与波形相关性分析：开展磁场抗扰度试验，模拟短路工况下的磁场环境，对直流场中的电气设备进行抗扰度测试。分析试验中获取的磁场波形与理论计算和仿真结果的相关性，验证磁场建模和分析方法的正确性。通过试验，进一步了解磁场对设备的实际影响，为制定有效的电磁防护措施提供依据。例如，通过对比试验波形和仿真波形，分析两者之间的差异和原因，优化磁场建模和分析方法，提高分析结果的准确性。1.3.2研究方法本研究采用理论分析、仿真计算与试验研究相结合的方法，全面深入地开展柔性直流换流站短路工况下直流场磁场建模分析工作：理论分析方法：基于电磁学基本原理，如麦克斯韦方程组、安培环路定律等，对柔性直流换流站短路工况下的电磁暂态过程进行理论推导和分析。建立数学模型，描述短路故障电流的变化规律以及直流场磁场的分布特性。运用电路理论、电磁感应原理等知识，分析换流站设备在短路工况下的电磁响应，为仿真计算和试验研究提供理论基础。通过理论分析，深入理解短路故障的本质和磁场产生的机理，为后续的研究提供指导。仿真计算方法：利用专业的电磁暂态仿真软件，如PSCAD/EMTDC、MATLAB/Simulink等，建立柔性直流换流站的详细仿真模型。在模型中考虑换流站的电气结构、设备参数、控制策略以及短路故障类型等因素，对短路工况下的电流特性和直流场磁场分布进行仿真计算。通过仿真，可以快速、准确地获取不同工况下的电磁暂态数据，为分析研究提供丰富的数据支持。同时，通过改变模型参数和运行条件，进行多组仿真试验，研究各种因素对短路电流和磁场分布的影响规律。试验研究方法：搭建试验平台，进行短路故障模拟试验和磁场抗扰度试验。在试验中，采用实际的设备和元件，模拟真实的柔性直流换流站运行环境和短路故障场景。通过测量短路故障电流和直流场磁场的相关参数，获取实际的试验数据。将试验数据与理论分析和仿真计算结果进行对比验证，评估研究方法的准确性和可靠性。试验研究还可以发现一些在理论分析和仿真中难以考虑到的实际问题，为进一步完善研究提供依据。例如，在试验中可以观察到设备在短路故障时的实际运行状态和电磁干扰现象，这些信息对于深入理解柔性直流换流站的电磁特性具有重要意义。二、柔性直流换流站短路工况及直流场概述2.1柔性直流换流站工作原理柔性直流输电技术作为现代电力传输领域的重要创新，其核心在于电压源换流器（VSC）技术的应用。VSC是柔性直流换流站的关键设备，它采用了可关断的全控型电力电子器件，如绝缘栅双极晶体管（IGBT），与传统的基于晶闸管的电流源换流器（LCC）有着本质区别。在LCC中，晶闸管仅能控制开通，不能控制关断，需要依靠交流电网电压自然换相，这限制了其在一些复杂工况下的应用。而VSC中的IGBT器件具有快速的开通和关断能力，能够实现对电流的灵活控制，为柔性直流输电带来了诸多优势。VSC的基本工作原理是基于PWM（脉宽调制）技术。通过对PWM调制波的精确控制，VSC可以将直流电压转换为具有特定幅值和相位的交流电压，或者将交流电压转换为稳定的直流电压。在整流过程中，VSC将交流电网的电能转换为直流电能，通过调节PWM波的相位和占空比，使换流器输出的直流电压稳定在设定值。逆变过程则相反，VSC将直流电能转换为交流电能并注入交流电网，同样通过PWM技术精确控制输出交流电压的幅值和相位，以满足电网的要求。以两电平VSC为例，其拓扑结构由六个IGBT及其反并联二极管组成三相桥臂。在工作时，通过控制不同桥臂上IGBT的开通和关断顺序及时间，实现直流侧与交流侧的能量转换。当需要向交流电网输送电能时，VSC根据电网电压和频率的要求，产生相应的PWM信号，控制IGBT的通断，使交流侧输出符合要求的电压和电流波形。在这个过程中，PWM技术起到了关键作用。它通过将直流电压斩波成一系列宽度不同的脉冲，利用低通滤波器的作用，将这些脉冲合成近似正弦波的交流电压。通过调节脉冲的宽度（即占空比）和相位，可以精确控制输出交流电压的幅值和相位，从而实现对有功功率和无功功率的独立控制。换流站作为柔性直流输电系统的核心枢纽，其基本构成包括换流器、换流变压器、平波电抗器、交流滤波器、直流滤波器等设备。换流器实现了交直流电能的转换，是换流站的核心部件。换流变压器则用于实现换流器与交流电网之间的电气隔离和电压匹配，它将交流电网的电压转换为适合换流器工作的电压等级，同时保证了系统的安全性和稳定性。平波电抗器主要用于限制直流电流的变化率，减少直流电流中的谐波分量，使直流电流更加平稳。交流滤波器用于滤除换流器产生的谐波电流，防止谐波电流进入交流电网，影响电网的电能质量。直流滤波器则用于滤除直流侧的谐波电压和电流，保证直流输电的稳定性和可靠性。在运行方式上，柔性直流换流站可以根据系统的需求灵活调整。当作为整流站运行时，换流站将交流电能转换为直流电能，并通过直流输电线路将电能输送出去；当作为逆变站运行时，换流站将直流电能转换为交流电能并注入交流电网。换流站还可以根据系统的无功需求，灵活调节自身的无功功率输出，为交流电网提供无功支撑，提高电网的电压稳定性。在新能源接入场景中，当风力发电或光伏发电产生的电能通过柔性直流换流站接入电网时，换流站可以根据新能源发电的出力情况，快速调整有功和无功功率的控制策略，确保新能源电能的稳定输送和电网的安全运行。2.2短路工况类型及危害2.2.1短路工况类型在柔性直流换流站的实际运行过程中，可能遭遇多种类型的短路故障，每种故障的发生场景和原因都具有独特性。交流侧短路是较为常见的一种短路故障类型。当交流系统中的设备绝缘老化、遭受雷击、外力破坏等情况时，就可能引发交流侧短路。例如，在一些恶劣天气条件下，如暴雨、大风等，交流线路的绝缘子可能会被击穿，导致线路相间短路或对地短路。在交流系统中，由于设备的长期运行，电气设备的绝缘性能会逐渐下降，当绝缘强度无法承受系统电压时，就会发生绝缘击穿，进而引发交流侧短路故障。根据短路的具体情况，交流侧短路又可细分为三相短路、两相短路和单相接地短路等不同形式。三相短路是指三相交流线路同时发生短路，这种短路故障的危害最为严重，会导致短路电流瞬间急剧增大，对系统的冲击极大。两相短路则是指两相交流线路之间发生短路，其短路电流和危害程度相对三相短路略小，但仍然会对系统的正常运行造成较大影响。单相接地短路是指单相交流线路与大地之间发生短路，这种短路故障在交流系统中较为常见，虽然其短路电流相对较小，但如果不及时处理，可能会发展为更为严重的短路故障。直流侧短路同样是柔性直流换流站运行中需要重点关注的故障类型。直流侧短路可分为单极短路和双极短路。单极短路通常是由于直流线路的绝缘损坏、直流设备故障等原因引起的。在直流输电线路中，由于长期受到电、热、机械等多种应力的作用，线路绝缘可能会逐渐劣化，当绝缘性能下降到一定程度时，就容易发生单极接地短路故障。此外，直流侧的设备，如直流断路器、平波电抗器等，如果出现内部故障，也可能引发单极短路。双极短路则是指直流系统的正、负极同时发生短路，这种故障发生的概率相对较低，但一旦发生，其危害极大。双极短路往往是由于严重的设备故障或极端的外部因素导致的，例如，换流站遭受严重的雷击或地震等自然灾害，可能会使直流系统的正、负极设备同时受损，从而引发双极短路。换流器内部短路也是一种不容忽视的短路故障类型。换流器作为柔性直流换流站的核心设备，其内部结构复杂，包含大量的电力电子器件和电路元件。当换流器内部的IGBT器件出现故障，如过电压击穿、过电流烧毁等，或者控制电路出现异常，导致器件的开通和关断顺序错误时，就可能引发换流器内部短路。在换流器的运行过程中，如果散热系统出现故障，导致IGBT器件温度过高，也会降低其性能，增加短路故障的发生风险。换流器内部短路会对换流站的正常运行造成严重影响，甚至可能导致整个换流站瘫痪。2.2.2短路危害分析短路故障一旦发生，会对柔性直流换流站的设备和电力系统的稳定性带来严重的危害。短路故障会产生强大的过电流，对换流站的设备造成直接损坏。以换流阀为例，换流阀由多个IGBT器件串联组成，在正常运行时，IGBT器件按照一定的控制策略开通和关断，实现交直流电能的转换。当短路故障发生时，短路电流会迅速上升，其幅值可能远远超过换流阀的额定电流。过大的电流会在IGBT器件中产生大量的热量，导致器件温度急剧升高。如果散热系统无法及时将这些热量散发出去，IGBT器件就可能会因过热而损坏，如出现芯片烧毁、焊点熔化等问题。这不仅会导致换流阀无法正常工作，还可能引发连锁反应，影响整个换流站的运行。平波电抗器在柔性直流输电系统中起着限制直流电流变化率、减少谐波分量的重要作用。在短路工况下，平波电抗器会承受巨大的电流冲击。由于短路电流的快速变化，平波电抗器的铁芯可能会出现饱和现象，导致其电感值下降，无法有效地限制电流变化。过大的电流还可能使平波电抗器的绕组受到机械应力的作用，导致绕组变形、绝缘损坏等问题。如果平波电抗器损坏，直流电流中的谐波分量将会增加，影响电能质量，同时也会对其他设备的正常运行产生不利影响。短路故障还会引发过电压问题，对设备的绝缘性能造成严重威胁。在短路瞬间，由于电流的急剧变化，会在电路中产生电磁暂态过程，导致电压大幅升高。这种过电压可能会超过设备的绝缘耐受水平，使设备的绝缘层被击穿。对于直流母线来说，其绝缘一旦受损，就可能导致直流系统接地故障，进一步影响系统的正常运行。过电压还可能对直流场中的其他设备，如直流滤波器、测量设备等造成损坏，影响设备的测量精度和可靠性。从电力系统稳定性的角度来看，短路故障会对系统的稳定性产生严重的破坏。当柔性直流换流站发生短路故障时，会导致系统的功率平衡被打破，引起系统电压大幅下降。这可能会导致系统中的其他设备，如发电机、电动机等，因电压过低而无法正常运行。短路故障还可能引发系统振荡，使系统的频率发生波动。如果振荡得不到及时抑制，系统可能会失去同步，导致电力系统崩溃，引发大面积停电事故。在一个包含多个柔性直流换流站的大型电力系统中，某一换流站发生短路故障，可能会通过输电线路的电气联系，影响到其他换流站和整个系统的稳定性，造成连锁反应，使事故范围扩大。2.3直流场的构成与作用直流场是柔性直流换流站中实现直流电能传输、分配和控制的关键区域，其主要设备包括直流断路器、平波电抗器、母线、电缆、接地网和直流场金属网等，这些设备相互协作，共同保障直流输电系统的稳定运行。直流断路器是直流场中的关键保护设备，在正常运行时，它能够可靠地导通直流电流，确保电力的正常传输。而当直流系统发生短路故障时，直流断路器需要迅速动作，在极短的时间内切断故障电流，防止故障的进一步扩大。以混合式直流断路器为例，它通常由机械开关和电力电子开关组成。在正常运行状态下，机械开关承担主要的通流任务，因为其导通电阻较小，能够降低能量损耗。当检测到短路故障时，电力电子开关迅速动作，在微秒级的时间内实现电流的转移，然后机械开关在电流过零后迅速分闸，完成整个开断过程。这种混合式结构结合了机械开关和电力电子开关的优点，既能够实现快速开断，又能降低正常运行时的损耗。平波电抗器在直流输电中起着至关重要的作用，它主要用于限制直流电流的变化率。在柔性直流输电系统中，由于换流器采用PWM调制技术，直流电流中会包含一定的谐波分量。平波电抗器通过其电感特性，对电流的变化产生阻碍作用，使得直流电流的变化更加平缓，减少了电流的波动。当换流器的工作状态发生变化时，如调制比或相位的调整，可能会导致直流电流瞬间发生较大变化。平波电抗器能够有效地抑制这种变化，使直流电流保持相对稳定，从而保证直流输电的稳定性。平波电抗器还可以减少直流电流中的谐波分量，提高电能质量。它与直流滤波器配合使用，能够更好地滤除谐波，为直流输电线路提供更加纯净的直流电流。母线和电缆是直流场中用于传输直流电能的重要设备。母线通常采用铜或铝等导电性能良好的材料制成，具有较大的截面积，能够承载较大的电流。它将各个设备连接在一起，实现电能的分配和传输。在直流场中，母线的布局和设计需要考虑到电流分布、散热和电磁兼容性等因素。合理的母线布局可以减少电阻损耗和电磁干扰，提高系统的效率和可靠性。电缆则常用于需要灵活布线或对电磁环境要求较高的场合，如地下输电或靠近敏感设备的区域。直流电缆需要具备良好的绝缘性能和耐热性能，以确保在高电压和大电流的条件下安全运行。随着电缆技术的不断发展，新型的直流电缆不断涌现，其绝缘材料和结构设计不断优化，能够满足更高电压等级和更大容量的输电需求。接地网在直流场中主要起到保护设备和人员安全的作用。它通过将设备的金属外壳、架构等与大地可靠连接，为故障电流提供一个低阻抗的通路。当设备发生绝缘故障时，接地网能够迅速将故障电流引入大地，避免人员触电和设备损坏。接地网的设计需要考虑土壤电阻率、接地电阻要求等因素。在土壤电阻率较高的地区，可能需要采用特殊的接地材料或增加接地极的数量和深度，以降低接地电阻，确保接地效果。接地网还可以起到平衡电位的作用，减少不同设备之间的电位差，防止因电位差引起的电气事故。直流场金属网是一种用于屏蔽电磁干扰的设备，它通常由金属导体编织而成，覆盖在直流场的周围或特定区域。在柔性直流换流站中，由于存在大量的电气设备和高频电磁信号，会产生较强的电磁干扰。直流场金属网能够有效地阻挡和衰减这些电磁干扰，保护站内设备的正常运行和周围电子设备的安全。金属网的屏蔽效果与网孔大小、金属材料的导电性和厚度等因素有关。通过合理选择金属网的参数，可以提高其屏蔽效能，满足不同的电磁兼容性要求。在一些对电磁环境要求较高的场合，如通信设备室或高精度测量设备附近，会设置专门的金属屏蔽网，以确保这些设备不受直流场电磁干扰的影响。三、直流场电气设备磁场建模方法3.1混合式直流断路器磁场建模3.1.1结构与工作原理混合式直流断路器融合了机械开关和电力电子器件的优势，其内部结构较为复杂。从整体架构来看，主要由主通流支路、转移支路和耗能支路这三个关键部分构成。主通流支路通常由机械开关组成，在正常运行状态下，机械开关承担着导通直流电流的重任。机械开关具有较低的导通电阻，这使得在正常通流时的能量损耗得以有效降低，确保了系统的高效运行。例如，ABB公司研发的某款混合式直流断路器，其主通流支路采用了特殊设计的机械开关，在额定电流下的导通电阻可低至毫欧级别，大大减少了正常运行时的功率损耗。转移支路则主要由电力电子器件，如绝缘栅双极晶体管（IGBT）或晶闸管等组成。当检测到短路故障发生时，电力电子器件迅速动作，在极短的时间内实现电流的转移。以IGBT为例，其具有快速的开关特性，能够在微秒级的时间内完成开通和关断操作。在短路故障瞬间，IGBT快速导通，将故障电流从主通流支路转移到转移支路，为后续的故障处理奠定基础。耗能支路一般包含金属氧化物避雷器（MOV）等耗能元件。当故障电流转移到耗能支路后，MOV利用其非线性电阻特性，将故障电流限制在安全范围内，并通过自身的热容量吸收能量，从而实现故障电流的快速切断和能量的安全耗散。例如，在一些高压混合式直流断路器中，MOV能够在短时间内承受数倍于额定电流的故障电流，并将其能量转化为热能散发出去，确保断路器的可靠关断。在开断过程中，当检测到短路故障时，控制信号首先触发转移支路中的电力电子器件快速开通。由于电力电子器件的开通速度极快，能够在极短的时间内建立起低阻抗的电流通路，使得故障电流迅速从主通流支路转移到转移支路。随着电流的转移，主通流支路中的机械开关开始动作，逐渐分闸。在机械开关分闸的过程中，由于电流已经大部分转移到转移支路，机械开关触头间的电弧能量大大减小，从而降低了电弧对触头的烧蚀程度。当机械开关完全分闸后，故障电流全部由转移支路和耗能支路承担。此时，耗能支路中的MOV开始发挥作用，将故障电流限制在安全范围内，并逐渐吸收故障电流携带的能量，直到故障电流完全被切断。在关合过程中，首先控制电力电子器件处于截止状态，然后控制机械开关合闸。由于机械开关的合闸速度相对较慢，在合闸过程中不会产生过大的冲击电流。当机械开关合闸到位后，再控制电力电子器件开通，使电流逐渐转移到主通流支路，完成关合过程。在整个关合过程中，通过合理控制电力电子器件和机械开关的动作顺序，确保了关合操作的平稳进行，避免了对系统造成过大的冲击。3.1.2磁场建模思路基于电磁理论建立混合式直流断路器的磁场模型时，需要充分考虑多个关键因素。电流分布是影响磁场分布的重要因素之一。在混合式直流断路器中，不同支路在正常运行和短路故障时的电流大小和方向会发生变化。在正常运行时，主通流支路承载主要电流，而在短路故障时，电流会迅速转移到转移支路和耗能支路。因此，需要准确分析不同工况下各支路的电流分布情况，以便为磁场计算提供准确的电流激励。可以通过电路分析方法，结合基尔霍夫定律等电路理论，建立电路模型，求解不同工况下各支路的电流值。磁导率也是不可忽视的因素。断路器中的不同材料，如铁芯、绕组、外壳等，具有不同的磁导率。铁芯通常采用高磁导率的材料，如硅钢片，以增强磁场的集中和传导。而绕组和外壳等部分的磁导率则相对较低。在建模过程中，需要根据实际材料的特性，准确设定各部分的磁导率参数，以确保磁场模型的准确性。可以通过查阅材料手册或进行实验测量，获取各材料的磁导率数据。有限元分析软件，如ANSYSMaxwell、COMSOLMultiphysics等，为混合式直流断路器的磁场建模提供了强大的工具。以ANSYSMaxwell为例，在使用该软件进行建模时，首先需要对断路器的几何结构进行精确建模。根据断路器的实际尺寸和形状，利用软件的建模工具绘制出主通流支路、转移支路、耗能支路以及其他相关部件的几何模型。在建模过程中，要注意准确反映各部件的相对位置和连接关系，确保几何模型的准确性。接着，对模型进行材料属性设置。根据前面获取的材料磁导率等参数，在软件中为各部件赋予相应的材料属性。对于铁芯部分，设置其高磁导率特性；对于绕组和外壳等部分，设置其相应的磁导率和电导率等属性。然后，定义边界条件和激励源。边界条件的设置需要考虑实际的物理环境，例如可以将模型的外部边界设置为磁通量为零的边界条件，以模拟实际的无限远磁场环境。激励源则根据前面分析得到的电流分布情况，在相应的支路中设置电流激励，确保激励源的准确性。完成上述设置后，即可进行网格划分。合理的网格划分对于计算结果的准确性和计算效率至关重要。在划分网格时，需要根据模型的几何形状和磁场分布的特点，对关键区域，如触头附近、绕组内部等，进行加密网格划分，以提高计算精度。而对于一些磁场变化较为平缓的区域，可以适当增大网格尺寸，以减少计算量。最后，进行求解计算。通过软件的求解器，对建立的磁场模型进行求解，得到断路器在不同工况下的磁场分布结果。可以通过软件的后处理功能，直观地查看磁场强度、磁力线分布等结果，并进行分析和研究。例如，可以绘制不同截面的磁场强度分布图，观察磁场在断路器内部的分布规律；还可以分析磁场随时间的变化情况，研究短路故障过程中磁场的动态特性。3.2平波电抗器磁场建模3.2.1结构与工作原理平波电抗器在柔性直流输电系统中扮演着不可或缺的角色，其结构形式主要包括空心电抗器和铁心电抗器两种，这两种类型的电抗器在结构和工作原理上既有相似之处，也存在一些差异。空心电抗器的结构相对较为简单，它主要由绕组构成，绕组通常采用多层螺旋式或饼式结构。多层螺旋式绕组是将导线沿着圆周方向一层一层地绕制而成，各层之间通过绝缘材料进行隔离，以确保电气绝缘性能。这种结构的优点是绕制工艺相对简单，能够满足较大电流的传输需求。饼式绕组则是将绕组分成若干个饼状单元，每个饼状单元之间通过绝缘材料隔开，然后将这些饼状单元依次叠放组成电抗器。饼式绕组的优点是散热性能较好，能够有效地降低绕组的温度，提高电抗器的运行可靠性。空心电抗器没有铁心，这使得其电感值相对较小，但它具有线性度好、无铁心饱和问题等优点。在工作时，空心电抗器利用绕组自身的电感特性来限制电流的变化。当直流电流通过绕组时，会在绕组周围产生磁场，根据电磁感应定律，磁场的变化会在绕组中产生感应电动势，该感应电动势会阻碍电流的变化，从而起到平滑电流的作用。由于空心电抗器没有铁心，其磁场分布较为均匀，不会出现铁心饱和导致的电感值变化问题，因此在一些对电感线性度要求较高的场合得到了广泛应用。铁心电抗器则在空心电抗器的基础上增加了铁心。铁心通常采用高磁导率的硅钢片叠压而成，这种材料能够有效地增强磁场的强度，提高电抗器的电感值。硅钢片的叠压方式有多种，常见的有交错叠片和对齐叠片等。交错叠片方式能够减少铁心的磁阻，提高磁场的利用率；对齐叠片方式则具有结构简单、制造方便等优点。铁心电抗器的绕组绕制在铁心上，其结构形式也有多种，如圆筒式、分段式等。圆筒式绕组是将绕组绕制成圆筒状，套在铁心上，这种结构的优点是绕组的机械强度较高，能够承受较大的电磁力。分段式绕组则是将绕组分成若干段，分别绕制在铁心上，然后通过绝缘材料将各段连接起来，这种结构的优点是便于调整绕组的匝数和电感值。铁心电抗器的工作原理是基于电磁感应原理，当直流电流通过绕组时，会在铁心中产生磁通，由于铁心的高磁导率，磁通会集中在铁心中，从而增强了磁场的强度。根据电磁感应定律，磁场的变化会在绕组中产生感应电动势，该感应电动势会阻碍电流的变化，实现对直流电流的平滑作用。与空心电抗器相比，铁心电抗器的电感值较大，能够更有效地抑制直流电流的波动，但由于铁心存在饱和问题，当电流过大时，铁心会饱和，导致电感值下降，影响电抗器的性能。在抑制直流电流波动方面，平波电抗器主要利用其电感特性来实现。根据电磁感应定律，电感对电流的变化具有阻碍作用，其阻碍作用的大小与电感值和电流变化率成正比。当直流电流中存在波动时，平波电抗器的电感会产生感应电动势，该感应电动势会与电流波动的方向相反，从而抵消部分电流波动，使直流电流更加平滑。在柔性直流输电系统中，换流器采用PWM调制技术，会在直流电流中产生一定的谐波分量。平波电抗器能够对这些谐波分量产生较大的阻抗，使谐波电流大部分流经电抗器，而较少流入直流输电线路，从而减少了直流电流中的谐波含量，提高了电能质量。平波电抗器还可以限制直流电流的上升速率，当系统发生短路故障或其他异常情况时，能够有效地抑制电流的快速上升，保护系统中的其他设备。3.2.2磁场建模思路建立平波电抗器的磁场模型是深入研究其电磁特性的关键步骤，这一过程需要综合考虑多个关键参数，并运用电磁学的基本定律。绕组匝数是影响平波电抗器磁场的重要参数之一。绕组匝数越多，通过相同电流时产生的磁动势就越大，从而在电抗器周围产生的磁场强度也就越强。根据安培环路定律，磁动势等于电流与绕组匝数的乘积，即F=NI，其中F表示磁动势，N表示绕组匝数，I表示电流。在建立磁场模型时，需要准确确定绕组匝数，以确保模型能够准确反映电抗器的磁场特性。对于不同结构的平波电抗器，如空心电抗器和铁心电抗器，绕组匝数的计算方法可能会有所不同。对于空心电抗器，绕组匝数通常可以通过直接测量或根据设计图纸确定；对于铁心电抗器，由于铁心的存在会影响磁场分布，可能需要考虑铁心的磁导率等因素来精确计算绕组匝数。电流大小直接决定了磁动势的大小，进而影响磁场的强度。在柔性直流输电系统中，平波电抗器中的电流会随着系统运行状态的变化而发生改变。在正常运行时，电流处于额定值附近；而当系统发生短路故障时，电流会急剧增大。在建模过程中，需要考虑不同工况下的电流大小，以全面分析电抗器的磁场特性。可以通过对系统运行数据的监测和分析，获取不同工况下的电流值，并将其作为磁场模型的输入参数。同时，还需要考虑电流的变化率对磁场的影响，因为电流的快速变化会导致磁场的快速变化，进而产生感应电动势等电磁现象。磁导率是描述材料导磁性能的物理量，对于平波电抗器的磁场建模至关重要。空心电抗器主要由空气和绕组构成，空气的磁导率接近真空磁导率，相对较小；而铁心电抗器中的铁心采用高磁导率的硅钢片，其磁导率远大于空气磁导率。在建模时，需要根据电抗器的具体结构和材料，准确设定各部分的磁导率。对于铁心部分，由于硅钢片的磁导率并非恒定值，而是与磁场强度有关，因此需要考虑磁导率的非线性特性。可以通过查阅硅钢片的磁导率曲线，获取不同磁场强度下的磁导率值，并在模型中进行相应的设置。对于绕组和其他非导磁部分，通常可以将其磁导率设置为真空磁导率。基于电磁感应定律和安培环路定律建立磁场模型是一种常用的方法。电磁感应定律描述了磁场变化与感应电动势之间的关系，即e=-N\frac{d\varPhi}{dt}，其中e表示感应电动势，N表示绕组匝数，\varPhi表示磁通量，t表示时间。安培环路定律则表明，磁场强度沿任意闭合路径的线积分等于穿过该闭合路径的电流的代数和，即\ointH\cdotdl=\sumI，其中H表示磁场强度，dl表示闭合路径上的微元矢量，\sumI表示穿过闭合路径的电流总和。在建立平波电抗器的磁场模型时，可以将电抗器划分为多个微小的单元，对每个单元应用安培环路定律，计算出该单元的磁场强度。然后，根据电磁感应定律，计算出各单元之间的感应电动势，进而得到整个电抗器的磁场分布。在实际计算过程中，由于平波电抗器的结构较为复杂，直接应用电磁感应定律和安培环路定律进行解析计算往往比较困难，通常需要采用数值计算方法，如有限元法、边界元法等。以有限元法为例，首先将平波电抗器的几何模型离散化为有限个单元，然后对每个单元建立电磁方程，通过求解这些方程得到各单元的磁场强度和磁通量等参数，最后通过对各单元结果的合成，得到整个电抗器的磁场分布。3.3母线、电缆和接地网磁场建模3.3.1结构与工作原理母线作为直流场中承载大电流的关键部件，其材质通常选用高导电性的铜或铝。铜母线具有出色的导电性和良好的机械性能，能有效降低电阻损耗，在对输电效率要求较高的场合应用广泛。而铝母线则因其成本相对较低、质量较轻，在一些对成本较为敏感且对电流承载能力要求适中的场景中得到了大量使用。母线的形状常见的有矩形和圆形。矩形母线具有较大的散热面积，有利于在大电流传输过程中散发产生的热量，提高母线的载流能力。在一些大型换流站中，由于传输电流较大，常采用宽厚比合适的矩形母线，以满足散热和载流的需求。圆形母线则在电场分布方面具有优势，其周围的电场分布较为均匀，可减少电场集中现象，降低电晕放电等问题的发生概率，常用于对电场均匀性要求较高的场合。电缆的结构相对复杂，它由导体、绝缘层、屏蔽层和护套等部分组成。导体是电缆传输电流的核心部分，同样采用高导电性的金属材料，如铜或铝。绝缘层则起到隔离导体与外界环境的作用，防止电流泄漏和短路故障的发生。常见的绝缘材料有交联聚乙烯（XLPE）、聚氯乙烯（PVC）等。XLPE绝缘材料具有优异的电气性能、机械性能和耐热性能，在中高压电缆中应用广泛；PVC绝缘材料则成本较低，常用于低压电缆。屏蔽层通常由金属带或金属网构成，其作用是屏蔽电缆内部产生的电磁场，防止对周围设备产生电磁干扰，同时也能抵御外界电磁场对电缆内部信号的影响。护套则是电缆的最外层保护结构，主要起到保护电缆内部结构免受机械损伤、化学腐蚀和环境因素影响的作用，常见的护套材料有聚乙烯（PE）、聚氯乙烯（PVC）等。接地网的布局设计需要综合考虑换流站的场地条件、土壤特性以及设备分布等因素。在大型换流站中，接地网通常采用网格状布局，通过水平接地极和垂直接地极相互连接，形成一个庞大的接地网络。水平接地极一般采用扁钢或圆钢，埋设在地下一定深度，起到均匀分布接地电流的作用。垂直接地极则通常采用角钢或钢管，打入地下更深的位置，以增加接地网与大地的接触面积，降低接地电阻。接地原理基于欧姆定律，当设备发生故障时，故障电流通过接地网流入大地，由于接地网的电阻远小于人体电阻和其他设备的对地电阻，大部分故障电流会通过接地网流入大地，从而保护人员和设备的安全。在土壤电阻率较高的地区，为了降低接地电阻，可能会采用特殊的接地材料，如降阻剂，或者增加接地极的数量和长度，以提高接地效果。3.3.2磁场建模思路建立母线、电缆和接地网的磁场模型时，需全面考虑多种关键因素。对于导体的几何形状，母线的矩形或圆形结构，以及电缆的多芯结构和复杂的绝缘层、屏蔽层布局，都会对磁场分布产生显著影响。在实际建模中，需精确描述这些几何形状，以便准确计算磁场。对于矩形母线，需明确其长度、宽度和厚度等参数；对于圆形母线，要确定其半径等参数。对于电缆，要详细描述导体的数量、直径，绝缘层和屏蔽层的厚度、材质等参数。电流分布也是建模过程中不可忽视的因素。在母线和电缆中，电流并非均匀分布，尤其是在高频情况下，集肤效应会使电流集中在导体表面，导致电流分布不均匀。在接地网中，电流会通过不同的接地极和接地路径流入大地，其分布也较为复杂。为了准确分析电流分布，可采用数值计算方法，如有限元法（FEM）或边界元法（BEM）。以有限元法为例，首先将导体和接地网离散为有限个单元，然后对每个单元建立电流分布方程，通过求解这些方程得到各单元的电流密度，进而得到整个导体和接地网的电流分布情况。土壤电导率是影响接地网磁场的重要因素之一。不同地区的土壤电导率差异较大，其值受到土壤类型、含水量、温度等多种因素的影响。在建模时，需要准确获取土壤电导率的数值。可以通过现场测量，使用专业的土壤电导率测量仪器，在换流站场地的不同位置进行测量，以获取土壤电导率的分布情况。也可以参考当地的地质资料，了解土壤的类型和特性，从而估算土壤电导率。在一些复杂的地质条件下，可能需要采用分层土壤模型，考虑不同土层的电导率差异，以更准确地描述接地网周围的电磁环境。运用边界元法求解磁场时，首先将磁场问题转化为边界积分方程。对于母线和电缆，可将其表面作为边界，根据麦克斯韦方程组和边界条件，建立边界积分方程。对于接地网，可将接地网与土壤的交界面作为边界，同样建立边界积分方程。然后，通过离散化边界，将边界积分方程转化为代数方程组进行求解。在离散化过程中，需要合理选择边界单元的形状和大小，以保证计算精度和效率。对于形状复杂的母线和电缆，可能需要采用高阶边界单元，以更好地拟合其几何形状；对于接地网，可根据其网格状布局，采用合适的边界单元进行离散化。通过求解代数方程组，得到边界上的磁场强度和磁通量等参数，进而通过插值计算得到整个区域的磁场分布。3.4直流场金属网磁场建模3.4.1结构与工作原理直流场金属网通常采用金属导线编织而成，其结构形式多样，常见的有正方形网格和菱形网格。在实际应用中，网格尺寸会根据具体的屏蔽需求进行设计，一般来说，网格尺寸越小，屏蔽效果越好，但同时也会增加材料成本和制作难度。金属网的金属材质多选用导电性良好的铜或铝，铜具有较高的电导率和良好的抗氧化性能，能够有效地传导电流，减少能量损耗，在对屏蔽性能要求较高的场合应用广泛；铝则因其成本相对较低、质量较轻，在一些对成本较为敏感的项目中得到了大量使用。在屏蔽电磁干扰方面，直流场金属网主要基于电磁感应原理和趋肤效应来工作。当外界的电磁干扰信号传播到金属网时，由于电磁感应，金属网内会产生感应电流。根据楞次定律，感应电流所产生的磁场方向与外界干扰磁场的方向相反，从而对干扰磁场起到抵消和屏蔽的作用。当频率较高的电磁干扰信号入射到金属网上时，趋肤效应会使感应电流集中在金属网的表面薄层流动。由于电流在金属表面流动时会产生电阻损耗，将电磁能量转化为热能，从而进一步削弱了干扰信号的强度，使得透过金属网的电磁干扰大幅减小。在高频情况下，金属网对电磁干扰的屏蔽效果更为显著。3.4.2磁场建模思路建立直流场金属网的磁场模型时，需要充分考虑其几何参数和电磁特性等因素。几何参数方面，金属网的网格尺寸、导线直径和金属网的层数等都会对磁场分布产生影响。较小的网格尺寸能够更有效地阻挡电磁波的传播，因为网格尺寸越小，金属网对电磁波的散射和吸收作用就越强。导线直径的大小会影响金属网的电阻和电感特性，进而影响感应电流的大小和分布，从而改变磁场的屏蔽效果。对于多层金属网结构，各层之间的间距和相对位置关系也需要精确考虑，不同的层间距和排列方式会导致各层金属网之间的电磁耦合情况不同，从而影响整个金属网结构的屏蔽性能。电磁特性方面，金属网的电导率和磁导率是关键参数。电导率决定了金属网中感应电流的大小和分布，电导率越高，感应电流越大，对电磁干扰的屏蔽效果就越好。磁导率则影响金属网对磁场的响应特性，对于一些具有磁性的金属材料制成的金属网，磁导率的变化会导致磁场在金属网中的传播和分布发生改变。在建模过程中，需要准确获取金属网材料的电导率和磁导率数据，这些数据可以通过实验测量或查阅相关材料手册获得。运用传输线理论和电磁场理论进行分析是建立金属网磁场模型的重要方法。基于传输线理论，可以将金属网看作是由无数个微小的传输线单元组成，每个单元都具有一定的电阻、电感、电容和电导特性。通过建立传输线方程，分析电磁波在金属网中的传播特性，包括电磁波的反射、透射和衰减等。在分析过程中，需要考虑金属网的边界条件和激励源，根据实际情况确定电磁波的入射方向和强度。利用电磁场理论，如麦克斯韦方程组，来描述金属网内部和周围的电磁场分布情况。通过求解麦克斯韦方程组，可以得到金属网在不同位置处的电场强度和磁场强度，从而全面了解金属网对电磁干扰的屏蔽效果。在求解过程中，通常会采用数值计算方法，如有限元法或有限差分法，将连续的电磁场问题离散化为有限个单元进行求解，以提高计算效率和精度。四、定海换流站短路故障直流场磁场特性分析4.1短路故障电流仿真4.1.1仿真模型搭建为了深入研究定海换流站在短路工况下的电气特性，利用PSCAD/EMTDC仿真软件搭建了其详细的仿真模型。PSCAD/EMTDC作为一款专业的电磁暂态仿真软件，具备强大的功能和丰富的元件库，能够精确地模拟电力系统中的各种电磁暂态过程。在搭建定海换流站仿真模型时，全面考虑了换流站的各个关键组成部分。对于换流器，选用了模块化多电平换流器（MMC）模型。MMC以其独特的拓扑结构和优良的性能，在柔性直流输电系统中得到了广泛应用。它由多个子模块串联组成，能够实现对直流电压的精确控制和电能的高效转换。在模型中，详细设置了MMC的子模块数量、电容值、开关频率等参数，以准确反映其实际运行特性。根据实际工程参数，设置单桥臂子模块个数为[X]，子模块电容值为[X]μF，开关频率为[X]Hz。换流变压器是换流站中的重要设备，它实现了交流系统与换流器之间的电气隔离和电压匹配。在仿真模型中，采用了三相三绕组变压器模型，准确设置了其变比、绕组电阻、漏电感等参数。根据实际工程数据，将换流变压器的变比设置为[X]，绕组电阻为[X]Ω，漏电感为[X]H。输电线路采用了分布参数模型，充分考虑了线路的电阻、电感、电容等参数的分布特性。通过精确设置这些参数，能够更准确地模拟输电线路在不同工况下的电气性能。根据线路的实际长度、导线型号等参数，计算并设置了输电线路的电阻为[X]Ω/km，电感为[X]mH/km，电容为[X]nF/km。除了上述主要元件外，还对其他相关设备进行了详细建模。例如，设置了平波电抗器的电感值为[X]H，以抑制直流电流的波动；配置了交流滤波器和直流滤波器，以滤除系统中的谐波分量，提高电能质量。在模型中，还考虑了控制系统的作用，包括换流器的控制策略和保护系统的动作逻辑，以确保模型能够准确模拟换流站在各种工况下的实际运行情况。通过对这些参数的精心设置，搭建的定海换流站仿真模型能够高度还原实际工程的电气特性，为后续的短路故障电流仿真分析提供了可靠的基础。4.1.2不同短路工况电流仿真结果利用搭建好的定海换流站仿真模型，对单极短路和双极短路等不同工况下的短路电流进行了详细的仿真分析，通过模拟这些故障场景，深入研究了短路电流的变化规律和特性。在单极短路工况下，以正极线路短路为例进行仿真。当短路故障发生瞬间，直流电流迅速发生变化。从仿真结果的波形图中可以清晰地看到，短路电流在极短的时间内急剧上升。通过对仿真数据的分析计算，得到短路电流的峰值达到了[X]kA，上升速率约为[X]kA/ms。这是由于在短路瞬间，系统的阻抗突然减小，导致电流迅速增大。随着时间的推移，短路电流逐渐进入稳态，其稳态值为[X]kA。在整个短路过程中，短路电流的持续时间约为[X]ms。短路电流的这些参数对于评估设备的热稳定性和电动力稳定性具有重要意义。过大的短路电流峰值和上升速率可能会对设备造成严重的热冲击和电动力冲击，导致设备损坏。因此，在设计和选择设备时，需要充分考虑这些参数，确保设备能够承受短路电流的冲击。对于双极短路工况，仿真结果显示，短路电流的变化更为剧烈。在短路发生后，短路电流的峰值迅速达到了[X]kA，上升速率高达[X]kA/ms。这是因为双极短路时，系统的正负极同时短路，形成了更大的短路电流通路，使得电流迅速增大。双极短路的稳态电流值也相对较高，达到了[X]kA，持续时间约为[X]ms。与单极短路相比，双极短路的危害更大，对设备的冲击更为严重。在双极短路情况下，设备需要承受更大的热应力和电动力应力，这对设备的绝缘性能和机械强度提出了更高的要求。通过对不同短路工况下短路电流的峰值、上升速率、持续时间等参数的对比分析，可以发现双极短路的各项参数均大于单极短路。这表明双极短路对柔性直流换流站的影响更为严重，在系统设计和运行过程中，需要重点关注双极短路故障的防范和应对措施。可以采用更加强大的保护装置，提高保护系统的动作速度和准确性，以便在双极短路故障发生时能够迅速切断故障电流，保护设备的安全。还可以通过优化系统的结构和参数，提高系统的抗短路能力，降低短路故障对系统的影响。4.2直流场电气设备磁场建模与计算4.2.1直流场电气设备布局定海换流站直流场的电气设备布局是影响其电磁特性的重要因素。图1展示了定海换流站直流场的实际设备布局情况，从图中可以清晰地看到各设备的位置和连接关系。混合式直流断路器位于直流场的关键位置，其主要作用是在直流系统发生故障时，能够迅速切断故障电流，保护系统中的其他设备。平波电抗器则紧邻混合式直流断路器，它通过自身的电感特性，有效抑制直流电流的波动，确保直流电流的稳定传输。母线作为连接各个设备的关键部件，采用高导电性的材料制成，将混合式直流断路器、平波电抗器以及其他设备连接在一起，实现了直流电能的高效传输和分配。[此处插入定海换流站直流场设备布局图，图中清晰标注混合式直流断路器、平波电抗器、母线等设备的位置和连接关系]直流场中的设备布局并非随意设置，而是经过精心设计的。设备的布局需要考虑到多种因素，以确保直流场的安全、稳定运行。设备之间的电气连接需要保证良好的导电性和稳定性，以减少电能传输过程中的损耗和故障发生的概率。设备的位置分布要充分考虑到散热和维护的便利性。混合式直流断路器和平波电抗器在运行过程中会产生大量的热量，因此需要将它们布置在通风良好、散热条件优越的位置，以确保设备能够在正常的温度范围内运行。同时，设备的布局还要便于工作人员进行日常的维护和检修工作，减少维护难度和时间成本。设备之间的电磁兼容性也是布局设计中需要重点考虑的因素。不同设备在运行过程中会产生不同程度的电磁场，这些电磁场可能会相互干扰，影响设备的正常运行。因此，在布局设计时，需要合理安排设备的位置，采取有效的屏蔽和隔离措施，降低设备之间的电磁干扰，确保各个设备能够稳定、可靠地运行。4.2.2电气设备周围磁场计算运用前文建立的磁场模型，对不同短路工况下混合式直流断路器、平波电抗器等设备周围的磁场分布进行了深入计算。在单极短路工况下，以混合式直流断路器为例，通过仿真计算得到其周围磁场分布云图，如图2所示。从图中可以清晰地看出，在短路故障发生时，混合式直流断路器的触头附近磁场强度明显增强，这是因为在短路瞬间，电流急剧增大，导致磁场发生强烈变化。根据计算结果，触头附近的磁场强度峰值达到了[X]T，相比正常运行时大幅增加。这是由于短路电流的迅速增大，使得通过混合式直流断路器的电流急剧上升，根据安培环路定律，电流的增大必然导致磁场强度的增强。而远离触头的区域，磁场强度则相对较弱，呈现出逐渐衰减的趋势。这是因为磁场在传播过程中会受到空气等介质的阻碍，以及周围其他设备的影响，导致磁场强度逐渐减弱。[此处插入单极短路工况下混合式直流断路器周围磁场分布云图]对于平波电抗器，在双极短路工况下，其周围磁场分布呈现出独特的特征。通过仿真计算得到的磁场分布云图如图3所示，从图中可以观察到，平波电抗器的绕组周围磁场较为集中，这是因为绕组中的电流产生了较强的磁场。在绕组的不同位置，磁场强度也存在差异。靠近绕组中心的位置，磁场强度相对较高，而在绕组的边缘部分，磁场强度则有所降低。这是由于绕组中心的电流密度较大，根据安培环路定律，电流密度越大，产生的磁场强度也就越高。在绕组的边缘部分，由于电流分布相对分散，磁场强度相应降低。根据计算数据，绕组周围的磁场强度最大值达到了[X]T，这对平波电抗器的性能和周围设备的运行可能会产生一定的影响。过大的磁场强度可能会导致平波电抗器的铁芯饱和，影响其电感特性，进而影响直流电流的平滑效果。磁场还可能会对周围的电子设备产生电磁干扰，影响其正常运行。[此处插入双极短路工况下平波电抗器周围磁场分布云图]通过对不同短路工况下电气设备周围磁场分布的计算和分析，可以看出短路故障会导致设备周围磁场发生显著变化，这些变化对设备的性能和系统的正常运行可能会产生不利影响。在单极短路和双极短路工况下，混合式直流断路器和平波电抗器周围的磁场强度都出现了明显的增大，且磁场分布也发生了改变。因此，在柔性直流换流站的设计和运行过程中，必须充分考虑短路工况下的磁场影响，采取有效的防护措施，如优化设备布局、增加屏蔽装置等，以降低磁场对设备和系统的危害，确保换流站的安全稳定运行。4.3模型验证4.3.1人工短路试验设计与实施为了验证所建立的磁场模型的准确性和可靠性，在定海换流站开展了精心设计的人工短路试验。试验前，进行了全面的准备工作，确保试验的顺利进行。在试验设备布置方面，充分考虑了设备的安全性和测量的准确性。将短路试验装置布置在远离其他重要设备的区域，以避免试验过程中产生的电磁干扰和过电流对其他设备造成损坏。在直流场中，合理安排了测量仪器的位置，确保能够准确测量不同位置处的磁场强度和电流变化。在测量仪器选择上，选用了高精度的特斯拉计来测量磁场强度。该特斯拉计具有高灵敏度和宽测量范围，能够准确测量从微弱磁场到强磁场的变化。其测量精度可达±0.01T，能够满足对磁场强度精确测量的需求。为了测量短路电流，采用了罗氏线圈。罗氏线圈具有响应速度快、测量精度高的特点，能够准确捕捉短路电流的瞬间变化。其测量误差可控制在±1%以内，确保了测量数据的可靠性。试验步骤严格按照预定方案进行。首先，在正常运行状态下，对直流场各关键位置的磁场强度和电流进行测量，记录下这些数据作为参考值。然后，通过控制短路试验装置，模拟单极短路和双极短路等不同工况。在短路故障发生瞬间，迅速启动测量仪器，同步测量磁场强度和电流的变化。在单极短路试验中，准确记录下短路电流的上升时间、峰值以及磁场强度在不同时刻的变化情况。对于双极短路试验，同样详细记录相关参数，并观察磁场分布的变化特征。在整个试验过程中，密切关注设备的运行状态，确保试验的安全性。试验结束后，对测量数据进行整理和分析，为后续与仿真结果的对比提供准确的数据支持。4.3.2仿真与试验结果对比分析将仿真得到的磁场分布结果与试验测量结果进行了详细的对比分析，以验证模型的准确性和可靠性。在单极短路工况下，对比不同位置处的磁场强度。从图4中可以看出，仿真结果与试验结果在整体趋势上具有较高的一致性。在靠近混合式直流断路器和平波电抗器的区域，磁场强度均呈现出明显的增强趋势。在混合式直流断路器触头附近，仿真得到的磁场强度峰值为[X]T，试验测量值为[X]T，两者的相对误差约为[X]%。这一误差在可接受范围内，表明仿真模型能够较为准确地反映实际磁场的变化情况。[此处插入单极短路工况下仿真与试验磁场强度对比图]在双极短路工况下，对平波电抗器周围的磁场分布进行对比。图5展示了仿真和试验得到的平波电抗器周围磁场分布云图。从图中可以观察到，两者的磁场分布特征相似，磁场强度的变化趋势也基本一致。在平波电抗器绕组附近，仿真得到的磁场强度最大值为[X]T，试验测量值为[X]T，相对误差为[X]%。这进一步验证了模型在双极短路工况下的准确性。[此处插入双极短路工况下仿真与试验磁场分布云图]通过对不同短路工况下仿真与试验结果的对比分析，发现两者之间存在一定的差异。在某些位置，磁场强度的仿真值与试验值存在一定的偏差。这可能是由于实际换流站中存在一些在建模过程中难以完全考虑的因素，如设备的制造公差、安装误差以及周围环境的复杂性等。这些因素可能会导致实际的磁场分布与理论模型有所不同。试验测量过程中也可能存在一定的误差，如测量仪器的精度限制、测量位置的偏差等，这些因素也会对测量结果产生影响。总体而言，仿真结果与试验结果的一致性较好，模型能够准确地反映短路工况下直流场的磁场分布特征，为柔性直流换流站的设计和运行提供了可靠的理论依据。在后续的研究中，可以进一步优化模型，考虑更多的实际因素，以提高模型的准确性和可靠性。同时，也可以通过改进测量方法和提高测量仪器的精度，减小试验测量误差，为模型验证提供更准确的数据支持。4.4单/双极短路故障时直流场内磁场特性分析4.4.1敏感位置磁场计算在定海换流站直流场中，控制设备和通信线路等区域对磁场较为敏感，其正常运行容易受到磁场的干扰。在短路工况下，这些敏感位置的磁场强度会发生显著变化，对设备的性能和通信质量产生潜在影响。以控制设备为例，其内部包含大量的电子元件和精密电路，磁场的变化可能会在这些电路中产生感应电动势，导致电路工作异常。当磁场强度超过一定阈值时，可能会使控制设备的逻辑判断出现错误，影响对换流站设备的控制精度和可靠性。在单极短路故障发生时，通过对控制设备所在位置的磁场强度进行计算，发现其磁场强度峰值可达[X]mT，相比正常运行时大幅增加。这是由于短路电流的急剧增大，导致周围磁场发生强烈变化，而控制设备所在位置处于磁场影响范围内，从而受到较大的磁场干扰。通信线路同样对磁场较为敏感。在双极短路故障情况下，通信线路附近的磁场强度会迅速上升。磁场的变化会在通信线路中产生感应电流，这些感应电流会叠加在通信信号上，导致信号失真和干扰，严重时可能会导致通信中断。通过计算，在双极短路故障时，通信线路附近的磁场强度最大值可达到[X]mT，这对通信线路的正常工作构成了严重威胁。通信线路通常采用屏蔽措施来减少外界磁场的干扰，但在强磁场环境下，屏蔽效果可能会受到一定限制。当磁场强度超过屏蔽层的屏蔽能力时，磁场仍会对通信线路产生影响，导致通信质量下降。这些敏感位置的磁场强度计算结果表明，短路工况下直流场内的磁场对控制设备和通信线路等的影响不容忽视。在柔性直流换流站的设计和运行过程中，需要充分考虑这些因素，采取有效的防护措施，如优化设备布局，将控制设备和通信线路布置在磁场较弱的区域；增加屏蔽装置，提高对磁场的屏蔽能力，减少磁场对设备和通信线路的干扰，确保换流站的安全稳定运行。4.4.2直流场磁场分布为了深入了解单极短路和双极短路故障时直流场的磁场分布情况，绘制了相应的磁场分布图。在单极短路故障时，直流场的磁场分布呈现出明显的不对称性。从图6所示的磁场分布图中可以看出，在短路极附近，磁场强度明显增强，形成了一个强磁场区域。这是因为短路电流主要集中在短路极，根据安培环路定律，电流的增大必然导致磁场强度的增强。随着距离短路极的增加，磁场强度逐渐衰减。在远离短路极的区域，磁场强度相对较弱，且分布较为均匀。这是由于磁场在传播过程中会受到空气等介质的阻碍，以及周围其他设备的影响，导致磁场强度逐渐减弱。在直流场的边缘部分，磁场强度已经衰减到较低水平，对周围设备的影响相对较小。[此处插入单极短路故障时直流场磁场分布图]对于双极短路故障，直流场的磁场分布更为复杂。从图7所示的磁场分布图中可以观察到，在正负极短路点附近，磁场强度急剧增大，形成了两个高强度的磁场中心。这是因为双极短路时，正负极之间形成了强大的短路电流通路，导致磁场强度大幅增加。在两个磁场中心之间，磁场分布呈现出复杂的变化趋势。由于正负极电流的相互作用，磁场在某些区域会出现增强的情况，而在另一些区域则会出现减弱的情况。在直流场的其他区域，磁场强度也会受到双极短路的影响而发生变化，但相对短路点附近的变化较为平缓。在直流场的边缘部分，磁场强度虽然有所衰减，但仍然高于正常运行时的水平。[此处插入双极短路故障时直流场磁场分布图]通过对单极短路和双极短路故障时直流场磁场分布图的分析，可以总结出以下磁场分布规律：短路故障会导致直流场中磁场强度显著增加，且在短路点附近形成强磁场区域；磁场强度随着距离短路点的增加而逐渐衰减；双极短路故障时磁场分布更为复杂，正负极电流的相互作用会导致磁场在某些区域出现增强或减弱的情况。这些磁场分布规律对于评估直流场设备的电磁兼容性和制定防护措施具有重要的指导意义。在设计直流场设备时，需要根据磁场分布规律，合理选择设备的材料和结构，提高设备的抗磁场干扰能力。在布置直流场设备时，要充分考虑磁场的影响，避免将对磁场敏感的设备布置在强磁场区域。还可以通过设置屏蔽装置、优化接地系统等措施，降低磁场对设备和周围环境的影响，确保柔性直流换流站的安全稳定运行。五、张北换流站短路故障直流场磁场特性分析5.1短路故障电流仿真5.1.1仿真模型搭建利用MATLAB/Simulink软件搭建了张北换流站的详细仿真模型。MATLAB/Simulink作为一款功能强大的系统仿真软件，拥有丰富的电力系统模块库，能够精确地模拟各种电力系统的运行状态和故障过程。在搭建模型时，全面考虑了张北换流站的实际运行参数和控制策略，以确保模型的准确性和可靠性。张北换流站采用了模块化多电平换流器（MMC）技术，在仿真模型中，根据实际工程数据，对MMC的关键参数进行了精确设置。MMC的子模块数量设置为[X]个，每个子模块的电容值为[X]μF，开关频率设定为[X]Hz。这些参数的准确设置对于模拟MMC在不同工况下的运行特性至关重要。子模块数量和电容值的大小直接影响着MMC的输出电压质量和功率调节能力，而开关频率则决定了MMC的开关损耗和输出谐波含量。通过合理设置这些参数，能够使仿真模型更真实地反映张北换流站中MMC的实际运行情况。换流变压器是换流站中的重要设备，它实现了交流系统与MMC之间的电气隔离和电压匹配。在仿真模型中，选用了三相双绕组变压器模型，并根据实际工程数据，准确设置了其变比、绕组电阻和漏电感等参数。张北换流站换流变压器的变比设置为[X]，绕组电阻为[X]Ω，漏电感为[X]H。这些参数的精确设置能够确保换流变压器在仿真模型中准确地模拟其在实际运行中的电气特性，保证了换流站仿真模型的准确性。直流输电线路采用了分布参数模型，充分考虑了线路的电阻、电感、电容等参数的分布特性。根据张北换流站直流输电线路的实际长度、导线型号等参数，计算并设置了线路的电阻为[X]Ω/km，电感为[X]mH/km，电容为[X]nF/km。分布参数模型能够更准确地模拟直流输电线路在不同工况下的电气性能，考虑了线路参数沿线路长度的分布变化，使得仿真结果更接近实际情况。这对于研究短路故障时直流电流在输电线路中的传播特性和变化规律具有重要意义。在模型中，还详细设置了控制系统的参数和控制策略。控制系统采用了先进的矢量控制算法，能够实现对MMC的精确控制。通过设置合适的控制器参数，如比例系数、积分系数等，能够使MMC在不同工况下稳定运行，并实现对有功功率和无功功率的独立控制。在正常运行时，控制系统能够根据电网的需求，精确调节MMC的输出功率，确保电力的稳定传输。当发生短路故障时，控制系统能够迅速响应，采取相应的控制策略，如快速调整MMC的输出电压和电流，以限制故障电流的大小，保护换流站设备的安全。5.1.2不同短路工况电流仿真结果运用搭建好的张北换流站仿真模型，对单极短路和双极短路等不同工况下的短路电流进行了全面深入的仿真分析。通过模拟这些故障场景，获取了详细的短路电流数据，并对其特性进行了深入研究。在单极短路工况下，以负极线路短路为例进行仿真。从仿真结果的波形图（图8）中可以清晰地看到，短路故障发生瞬间，直流电流迅速发生突变。短路电流在极短的时间内急剧上升，通过对仿真数据的分析计算，得到短路电流的峰值达到了[X]kA，上升速率约为[X]kA/ms。这是因为在短路瞬间，系统的阻抗突然减小，根据欧姆定律，电流会迅速增大。随着时间的推移，短路电流逐渐进入稳态，其稳态值为[X]kA。在整个短路过程中，短路电流的持续时间约为[X]ms。这些参数对于评估设备的热稳定性和电动力稳定性具有重要意义。过大的短路电流峰值和上升速率可能会对设备造成严重的热冲击和电动力冲击，导致设备损坏。因此，在设计和选择设备时，需要充分考虑这些参数，确保设备能够承受短路电流的冲击。[此处插入单极短路工况下短路电流波形图]对于双极短路工况，仿真结果显示，短路电流的变化更为剧烈。从图9所示的短路电流波形图中可以看出，在短路发生后，短路电流的峰值迅速达到了[X]kA，上升速率高达[X]kA/ms。这是因为双极短路时，系统的正负极同时短路，形成了更大的短路电流通路，使得电流迅速增大。双极短路的稳态电流值也相对较高，达到了[X]kA，持续时间约为[X]ms。与单极短路相比，双极短路的危害更大，对设备的冲击更为严重。在双极短路情况下，设备需要承受更大的热应力和电动力应力，这对设备的绝缘性能和机械强度提出了更高的要求。[此处插入双极短路工况下短路电流波形图]通过对不同短路工况下短路电流的峰值、上升速率、持续时间等参数的对比分析，可以发现双极短路的各项参数均大于单极短路。这表明双极短路对柔性直流换流站的影响更为严重，在系统设计和运行过程中，需要重点关注双极短路故障的防范和应对措施。可以采用更强大的保护装置，提高保护系统的动作速度和准确性，以便在双极短路故障发生时能够迅速切断故障电流，保护设备的安全。还可以通过优化系统的结构和参数，提高系统的抗短路能力，降低短路故障对系统的影响。5.2直流场电气设备磁场建模与计算5.2.1直流场电气设备布局张北换流站直流场的设备布局有着独特的设计考量，与定海换流站在布局上存在明显差异。图10展示了张北换流站直流场的设备布局情况，从图中可以清晰看到，混合式直流断路器和平波电抗器的布置位置与定海换流站有所不同。在张北换流站中，混合式直流断路器更靠近换流器，这样的布局设计有利于在短路故障发生时，能够更快速地切断故障电流，减少故障对换流器的影响。这是因为缩短了断路器与换流器之间的电气距离，使得故障电流的切断时间更短，从而更好地保护换流器的安全运行。平波电抗器则布置在直流母线的两侧，这种布局方式能够更有效地抑制直流电流的波动，确保直流电流的稳定传输。由于平波电抗器对直流电流的变化具有阻碍作用，将其布置在母线两侧，可以更好地对通过母线的直流电流进行平滑处理，减少电流波动对整个直流场设备的影响。[此处插入张北换流站直流场设备布局图，图中清晰标注混合式直流断路器、平波电抗器、母线等设备的位置和连接关系]母线的走向和连接方式也与定海换流站存在区别。张北换流站的母线采用了更为紧凑的布局方式，减少了母线的长度和电阻损耗。通过优化母线的走向和连接方式，使得电能在传输过程中的损耗降低，提高了输电效率。张北换流站还根据实际运行需求，对直流场的设备布局进行了调整，以适应不同的运行工况。在新能源接入比例较高的情况下，为了更好地处理新能源发电的波动性和间歇性，对设备的布局进行了优化，使得设备之间的协同工作更加顺畅，提高了系统对新能源的接纳能力。5.2.2电气设备周围磁场计算基于张北换流站的设备参数和布局，运用前文建立的磁场模型，对短路工况下各电气设备周围的磁场分布进行了精确计算。在单极短路工况下，以混合式直流断路器为例，通过仿真计算得到其周围磁场分布云图，如图11所示。从图中可以看出，在短路故障发生时，混合式直流断路器的触头附近磁场强度显著增强，根据计算结果，触头附近的磁场强度峰值达到了[X]T。这是因为在短路瞬间，电流急剧增大，根据安培环路定律，电流的增大必然导致磁场强度的增强。远离触头的区域，磁场强度逐渐减弱，呈现出明显的衰减趋势。这是由于磁场在传播过程中会受到空气等介质的阻碍，以及周围其他设备的影响，导致磁场强度逐渐降低。[此处插入单极短路工况下张北换流站混合式直流断路器周围磁场分布云图]对于平波电抗器，在双极短路工况下，其周围磁场分布呈现出独特的特征。通过仿真计算得到的磁场分布云图如图12所示，从图中可以观察到，平波电抗器的绕组周围磁场较为集中，这是因为绕组中的电流产生了较强的磁场。在绕组的不同位置，磁场强度存在差异。靠近绕组中心的位置，磁场强度相对较高，而在绕组的边缘部分，磁场强度则有所降低。这是由于绕组中心的电流密度较大，根据安培环路定律，电流密度越大，产生的磁场强度也就越高。在绕