电气工程

特高压直流输电系统动态响应对受端交流电网故障恢复特性的影响

郑超，盛灿辉，林俊杰，等

摘要：目的：国已进入特高压直流快速发展的新时期，华中、华东等负荷中心逐步演变为特高压大容量受电、多直流集中馈入的受端电网。特高压直流与交流电间的强耦合关联和强交互作用，将会显著改变直流馈入受端电网的动态特性和安全稳定水平。在此背景下，为保障电网安全、促进交直流协调发展，迫切需要研究和评估特高压直流仿真模型对电网动态特性的影响，识别直流控制系统关键参数，并提出其优化整定策略。方法：针对美国太平洋直流联络线工程中直流输电系统模型（D卡模型）、国际大电网会议组织直流输电标准测试模型（DM卡模型）以及西门子公司开发的面向贵广、天广等工程的直流输电系统模型（DN卡模型）等，分析了不同直流控制系统模型结构特征。以某省“十二五”末±800 kV/8000 MW特高压直流受端目标规划网架为对象，应用电力系统仿真计算BPA软件，通过大扰动时域仿真，分析了不同直流仿真模型及关键控制器参数对受端电网恢复特性的影响，指出提升特高压直流仿真计算精度的必要性，以及改善恢复特性的控制器参数优化方案。结果：（1）从不同模型下特高压直流过渡特性曲线可以看出，D卡模型本身不能模拟换相失败，故障期间换流母线维持小幅残压，依据换流器准稳态特性方程其将维持一定的无功功率消耗。此外，故障清除后直流有功功率快速恢复引起的逆变器无功消耗快速增加，这些特性均会对扰动后动态电压支撑能力降低的受端电网电压稳定性，产生不利影响。在DM和DN卡模型下，由于故障过程中逆变器γ小于门槛值γmin，换流器换相失败无功消耗降为0，故障后直流送电有功提升较为平缓，逆变器无功消耗增长速率相对较小，有利于受端电网电压恢复。（2）定功率控制输入直流电压测量时间常数的大小，对受端恢复特性影响较大。采用较小的时间常数，则在直流电压受扰降低期间，直流电流指令值将快速提升，换流器无功功率消耗增大，不利于交流电网故障恢复。（3）VDCOL启动电压门槛值Ulim是决定故障扰动后直流指令电流的重要环节。适当提高Ulim数值，可在电压跌落过程中快速限制直流电流，在电压恢复过程中延续直流电流限制，有助于受端电网维持电压稳定。结论：特高压直流逆变器具有动态特性复杂、无功消耗量大的特点。不同仿真模型决定的直流动态特性差异，会影响受端电网稳定水平，当受扰后交流电网动态电压支撑能力较弱时尤为明显。应开展面向实际工程的特高压直流建模及参数整定，提高混联电网仿真计算精度，更好的指导电网规划与运行。电网结构是系统稳定运行的物质基础，大力发展特高压直流输电的同时，应加快特高压交流工程建设，构建“强直强交”型电网，保障直流电力安全可靠消纳。应结合受端交直流混联电网特性，优化定功率控制环节电压测量时间常数以及VDCOL启动电压门槛值等关键控制器参数，充分发挥直流功率快速可控性，提升受端电网电压稳定水平。

来源出版物：高电压技术, 2013, 39(3): 555-561

入选年份：2016

鄂西三峡地区220 V线路差异化防雷技术与策略

阮羚，谷山强，赵淳，等

摘要：目的：鄂西三峡地区气候、地理环境复杂，雷电活动频发，线路抵御雷击能力薄弱。因此，有效提高输电线路防雷性能评估水平与治理能力，对保证鄂西三峡地区供电的稳定可靠是十分重要的。基于差异化防雷技术与策略开展鄂西三峡地区220 V线路防雷综合治理研究。方法：首先统计了宜昌供电公司管辖的220 V输电线路2000—2010年的雷击故障情况，并分析得到故障分布规律，为鄂西三峡地区220 V输电线路差异化防雷改造提供策略指导。在此基础上，基于差异化防雷技术与策略开展了鄂西三峡地区典型220 V线路综合防雷治理研究。全面考虑线路雷电活动特征、地形地貌特征、杆塔结构特征和绝缘配置，对输电线路雷击闪络风险进行评估；根据评估结果，选择合适的防雷措施制定综合防雷治理方案；针对防雷治理方案开展预期治理效果评估；结合2010年一个雷雨季节的运行经验对改造效果进行初步后评估。结果：（1）统计结果表明，鄂西三峡地区220 V线路雷击故障频繁发生在转角塔、大档距杆塔、濒临水系和山顶处的杆塔；特别是绕击故障中，有近80%的故障塔同时满足转角塔、大档距和濒临水系中至少2个特殊条件。（2）雷击闪络风险评估结果表明：GC线反击闪络风险较高，而绕击闪络风险较低，与GC线实际运行经验吻合。（3）通过对各基杆塔改造前后的防雷性能进行对比分析，表明本方案在现有措施基础上进一步降低了GC线的绕击闪络风险，同时大大降低了目前很高的反击闪络风险，总体上实现了GC线防雷性能的较大改善。结论：（1）近年来，鄂西三峡地区220 kV线路雷击故障频繁发生在转角塔、大档距杆塔、濒临水系和山顶处的杆塔；特别是绕击故障中，有近80%的故障塔同时满足转角塔、大档距和濒临水系中至少2个特殊条件。（2）综合考虑雷电活动、地形地貌、线路结构和绝缘、已采取的防雷措施等因素的影响，针对典型220 kV线路GC线开展逐基杆塔雷击闪络风险评估，确定需改造的杆塔号；并结合运行经验，明确GC线的雷害风险来源主要为反击闪络风险。（3）GC线防雷改造选用安装线路避雷器作为主要改造措施；采用所提出的方案改造后，将在现有措施基础上进一步降低GC线的绕击闪络风险，同时大大降低目前很高的反击闪络风险，总体上实现GC线防雷性能的较大改善，预期雷击跳闸率将下降70.9%。（4）GC线防雷改造实施以来的实际效果表明改造效果已经初步显现，但仍有部分杆塔反击闪络风险较高，下阶段应积累运行经验进行滚动评估。（5）提出的差异化防雷技术与策略可为鄂西三峡地区以及类似地区220 kV输电线路防雷，提供有效的方法和宝贵经验。

来源出版物：高电压技术, 2012, 38(1): 157-166

入选年份：2016

基于不连续有限元的短间隙气体放电仿真算法及其应用

庄池杰，耿屹楠，曾嵘

摘要：目的：我国超、特高压输电工程建设亟需空气间隙放电理论的支撑。作为长间隙放电研究的基础，短间隙放电是间隙放电研究的重要内容与切入点。仅靠现有实验手段与实验结果无法构建这些放电过程的完整物理图像。另一方面，计算机运算能力已大幅提升；计算数学在过去30年里取得了重大进展，求解间隙放电的物理方程已成为可能，使得数学建模与仿真，成为研究短间隙放电的重要方法。方法：基于流体模型的短间隙放电过程的数值仿真研究，国内外学者已艰苦摸索了30多年。分析现有方法的优缺点，结合FEM-FCT和FVM的优点，提出一种基于不连续有限元的短间隙放电过程仿真算法。该方法既适用于非结构网格，又满足局部守恒性质。适合于流注放电仿真，开发了短间隙气体放电仿真程序。结果：通常，泊松方程用连续有限元求解。但在气体放电模型中，关注的是场强值，而不是电位值。用不完全罚因子不连续有限元（incomplete interior penalty Galerkin，IIPG）求解泊松方程，保证了场强在每个计算单元上守恒，与连续有限元有着本质的区别。粒子输运方程是对流占优的。用高于一阶的线性格式，求解对流或对流占优问题，易出现数值振荡，甚至产生完全错误的结果。而一阶线性格式，虽无数值振荡问题，但常伴随严重的数值扩散问题。为克服上述困境，只能用非线性高阶格式。针对圆柱坐标系下的对流问题，提出了龙格-库塔加权不连续有限元（Runge-Kutta weighted discontinuous Galerkin，RKWDG）算法。为抑制高阶RKWDG求解对流问题可能存在的数值振荡，提出了圆柱坐标系中的多层重构算法。通过多次求导，将重构一个高次多项式的工作分解为重构多个一次多项式的过程。圆柱坐标系下的多层重构算法和高阶RKWDG算法，克服了可能存在的数值振荡。实现了基于上述算法的短间隙气体放电仿真程序，利用该程序研究了碰撞电离系数、附着系数、粒子迁移率等参量对流注发展的影响，电子碰撞电离系数与电子迁移率影响最大，电子附着系数与扩散系数有一定影响，离子迁移率基本没有影响。通过考虑汤逊放电中的光发射机制，成功预测了一定长度范围内平板间隙中汤逊放电击穿电压曲线，验证了将数值仿真应用于气体放电研究的可行性。结论：提出了基于不连续有限元的气体放电仿真算法：罚因子不连续有限元离散泊松方程；加权不连续有限元求解粒子输运方程，圆柱坐标系下的多层重构算法抑制潜在的数值振荡。该方法适用于短间隙放电过程数值仿真。

来源出版物：高电压技术, 2013, 39(4): 970-978

入选年份：2016

常压空气中大间隙介质阻挡放电特性

李雪辰，赵欢欢，贾鹏英，等

摘要：目的：从应用角度而言，要彻底摆脱真空装置、降低生产成本，必须在大气压空气中产生低温等离子体，但相关研究较少。针对于此，利用针板介质阻挡放电（DBD）装置，采用光电倍增管（ET 9085SB）对大气压大间隙空气DBD放电特性进行研究。方法：使用3个光电倍增管测量光信号，一个光电倍增管收集全部放电的发光，即测量总发光信号。其他两个光电倍增管实现对放电的空间分辨测量，即通过凸透镜成像后，利用像平面位置的光阑选择某位置的发光信号进入光电倍增管。这样每个光电倍增管测量的是部分发光信号（对应约1 m直径的放电区域）。为了研究不同空间位置发光的时间特性，一个光电倍增管测量针尖位置的部分发光信号，另一个沿着等离子体羽方向依次测量远离针尖不同位置的发光信号，并用示波器记录这些信号。在数据处理时利用针尖部分的信号作为基准来实现不同位置部分发光信号的比较。结果，放电现象：当峰值电压较低时为电晕放电。随着峰值电压的升高，形成等离子体羽，该等离子体羽与等离子体针放电产生的等离子体羽形状相似。随着峰值电压的继续升高，等离子体羽的长度呈现阶段性变化。从总光信号波形可以看出：电晕放电模式中脉冲宽度比较窄（约为40 s）与直流电晕放电的Trichel脉冲类似。由于正电晕的击穿电压比负电晕高，在较低电压下只达到了负电晕的击穿条件而正电晕击穿条件还没有达到，因此仅出现在外加电压负半周期，对应负电晕放电。从等离子体羽的发光信号波形可以看出，在外加电压正半周期的上升沿出现一个放电脉冲。随峰值电压的升高，正半周期放电脉冲个数增加，且放电脉冲的出现时刻前移。与电晕放电相比，等离子体羽放电的脉冲宽度较大（约为160 s），并且其发光强度远大于电晕模式的发光强度。在等离子体羽放电中正半周期的发光强度比负半周期大很多。通过正半周期第1次放电不同位置处的发光信号波形可以看出，等离子体羽中“连续放电”和“等离子体子弹”在同一个电压下并存于空间不同位置，针尖附近一定区域为“连续放电”，而较远区域为“等离子体子弹”。对于“等离子体子弹”，利用两个位置的距离除以两个位置部分发光信号的时间差可以计算子弹的传播速度。得到峰值电压为17.5 kV时“等离子体子弹”的平均速度约为1.8×105m/s，这与喷枪“等离子体子弹”的传播速度数量级一致。正半周期第2个脉冲和第3个脉冲不同位置发光信号的时间演化，其结果与第1个放电脉冲相似。第2次放电“等离子体子弹”的平均传播速度约为2.0×105m/s，而第3次放电“等离子体子弹”的平均速度达到2.9×105m/s。通过研究不同位置的部分发光信号发现，对于半周期3次放电，随着远离针尖距离增大，部分发光信号的脉冲个数也发生变化。表明正半周期3次放电产生的等离子体长度是不同的，或者说，3次放电到达的空间位置是不同的。其中第1次放电的长度约17 m、第2次放电约为24 m、第3次放电约为28 m。正半周每次放电的长度随峰值电压的变化关系和每次放电起始电压随峰值电压的变化关系一致。等离子体羽长度减短是由于放电起始电压减小导致的，等离子体羽长度的突然增长是由于随着峰值电压升高放电次数的增加导致的。结论：随着外加电压改变，存在电晕放电和等离子体羽放电两种模式。电晕放电发生在针尖处很小的区域，而等离子体羽放电发生在针—板电极间的较大区域，且等离子体羽长度随外加电压呈阶段性变化。针尖附近为“连续放电”，而远离针尖放电为“等离子体子弹”。利用光电倍增管研究了正半周期每次放电的等离子体长度随外加电压峰值的变化。结果表明正半周期第1次和第2次放电的等离子体长度均随电压峰值增大而减短。但第3次放电出现后，每次放电等离子体长度随电压峰值增大而增长。研究发现该关系与每个脉冲的起始电压随外加电压峰值的变化关系一致。

来源出版物：高电压技术, 2013, 39(4): 876-882

入选年份：2016