電氣工程

特高壓直流輸電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)對(duì)受端交流電網(wǎng)故障恢復(fù)特性的影響

鄭超，盛燦輝，林俊杰，等

摘要：目的：國(guó)已進(jìn)入特高壓直流快速發(fā)展的新時(shí)期，華中、華東等負(fù)荷中心逐步演變?yōu)樘馗邏捍笕萘渴茈?、多直流集中饋入的受端電網(wǎng)。特高壓直流與交流電間的強(qiáng)耦合關(guān)聯(lián)和強(qiáng)交互作用，將會(huì)顯著改變直流饋入受端電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)特性和安全穩(wěn)定水平。在此背景下，為保障電網(wǎng)安全、促進(jìn)交直流協(xié)調(diào)發(fā)展，迫切需要研究和評(píng)估特高壓直流仿真模型對(duì)電網(wǎng)動(dòng)態(tài)特性的影響，識(shí)別直流控制系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)，并提出其優(yōu)化整定策略。方法：針對(duì)美國(guó)太平洋直流聯(lián)絡(luò)線工程中直流輸電系統(tǒng)模型（D卡模型）、國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議組織直流輸電標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試模型（DM卡模型）以及西門子公司開發(fā)的面向貴廣、天廣等工程的直流輸電系統(tǒng)模型（DN卡模型）等，分析了不同直流控制系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)特征。以某省“十二五”末±800 kV/8000 MW特高壓直流受端目標(biāo)規(guī)劃網(wǎng)架為對(duì)象，應(yīng)用電力系統(tǒng)仿真計(jì)算BPA軟件，通過大擾動(dòng)時(shí)域仿真，分析了不同直流仿真模型及關(guān)鍵控制器參數(shù)對(duì)受端電網(wǎng)恢復(fù)特性的影響，指出提升特高壓直流仿真計(jì)算精度的必要性，以及改善恢復(fù)特性的控制器參數(shù)優(yōu)化方案。結(jié)果：（1）從不同模型下特高壓直流過渡特性曲線可以看出，D卡模型本身不能模擬換相失敗，故障期間換流母線維持小幅殘壓，依據(jù)換流器準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)特性方程其將維持一定的無功功率消耗。此外，故障清除后直流有功功率快速恢復(fù)引起的逆變器無功消耗快速增加，這些特性均會(huì)對(duì)擾動(dòng)后動(dòng)態(tài)電壓支撐能力降低的受端電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性，產(chǎn)生不利影響。在DM和DN卡模型下，由于故障過程中逆變器γ小于門檻值γmin，換流器換相失敗無功消耗降為0，故障后直流送電有功提升較為平緩，逆變器無功消耗增長(zhǎng)速率相對(duì)較小，有利于受端電網(wǎng)電壓恢復(fù)。（2）定功率控制輸入直流電壓測(cè)量時(shí)間常數(shù)的大小，對(duì)受端恢復(fù)特性影響較大。采用較小的時(shí)間常數(shù)，則在直流電壓受擾降低期間，直流電流指令值將快速提升，換流器無功功率消耗增大，不利于交流電網(wǎng)故障恢復(fù)。（3）VDCOL啟動(dòng)電壓門檻值Ulim是決定故障擾動(dòng)后直流指令電流的重要環(huán)節(jié)。適當(dāng)提高Ulim數(shù)值，可在電壓跌落過程中快速限制直流電流，在電壓恢復(fù)過程中延續(xù)直流電流限制，有助于受端電網(wǎng)維持電壓穩(wěn)定。結(jié)論：特高壓直流逆變器具有動(dòng)態(tài)特性復(fù)雜、無功消耗量大的特點(diǎn)。不同仿真模型決定的直流動(dòng)態(tài)特性差異，會(huì)影響受端電網(wǎng)穩(wěn)定水平，當(dāng)受擾后交流電網(wǎng)動(dòng)態(tài)電壓支撐能力較弱時(shí)尤為明顯。應(yīng)開展面向?qū)嶋H工程的特高壓直流建模及參數(shù)整定，提高混聯(lián)電網(wǎng)仿真計(jì)算精度，更好的指導(dǎo)電網(wǎng)規(guī)劃與運(yùn)行。電網(wǎng)結(jié)構(gòu)是系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的物質(zhì)基礎(chǔ)，大力發(fā)展特高壓直流輸電的同時(shí)，應(yīng)加快特高壓交流工程建設(shè)，構(gòu)建“強(qiáng)直強(qiáng)交”型電網(wǎng)，保障直流電力安全可靠消納。應(yīng)結(jié)合受端交直流混聯(lián)電網(wǎng)特性，優(yōu)化定功率控制環(huán)節(jié)電壓測(cè)量時(shí)間常數(shù)以及VDCOL啟動(dòng)電壓門檻值等關(guān)鍵控制器參數(shù)，充分發(fā)揮直流功率快速可控性，提升受端電網(wǎng)電壓穩(wěn)定水平。

來源出版物：高電壓技術(shù), 2013, 39(3): 555-561

入選年份：2016

鄂西三峽地區(qū)220 V線路差異化防雷技術(shù)與策略

阮羚，谷山強(qiáng)，趙淳，等

摘要：目的：鄂西三峽地區(qū)氣候、地理環(huán)境復(fù)雜，雷電活動(dòng)頻發(fā)，線路抵御雷擊能力薄弱。因此，有效提高輸電線路防雷性能評(píng)估水平與治理能力，對(duì)保證鄂西三峽地區(qū)供電的穩(wěn)定可靠是十分重要的?；诓町惢览准夹g(shù)與策略開展鄂西三峽地區(qū)220 V線路防雷綜合治理研究。方法：首先統(tǒng)計(jì)了宜昌供電公司管轄的220 V輸電線路2000—2010年的雷擊故障情況，并分析得到故障分布規(guī)律，為鄂西三峽地區(qū)220 V輸電線路差異化防雷改造提供策略指導(dǎo)。在此基礎(chǔ)上，基于差異化防雷技術(shù)與策略開展了鄂西三峽地區(qū)典型220 V線路綜合防雷治理研究。全面考慮線路雷電活動(dòng)特征、地形地貌特征、桿塔結(jié)構(gòu)特征和絕緣配置，對(duì)輸電線路雷擊閃絡(luò)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估；根據(jù)評(píng)估結(jié)果，選擇合適的防雷措施制定綜合防雷治理方案；針對(duì)防雷治理方案開展預(yù)期治理效果評(píng)估；結(jié)合2010年一個(gè)雷雨季節(jié)的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)對(duì)改造效果進(jìn)行初步后評(píng)估。結(jié)果：（1）統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，鄂西三峽地區(qū)220 V線路雷擊故障頻繁發(fā)生在轉(zhuǎn)角塔、大檔距桿塔、瀕臨水系和山頂處的桿塔；特別是繞擊故障中，有近80%的故障塔同時(shí)滿足轉(zhuǎn)角塔、大檔距和瀕臨水系中至少2個(gè)特殊條件。（2）雷擊閃絡(luò)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果表明：GC線反擊閃絡(luò)風(fēng)險(xiǎn)較高，而繞擊閃絡(luò)風(fēng)險(xiǎn)較低，與GC線實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)吻合。（3）通過對(duì)各基桿塔改造前后的防雷性能進(jìn)行對(duì)比分析，表明本方案在現(xiàn)有措施基礎(chǔ)上進(jìn)一步降低了GC線的繞擊閃絡(luò)風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)大大降低了目前很高的反擊閃絡(luò)風(fēng)險(xiǎn)，總體上實(shí)現(xiàn)了GC線防雷性能的較大改善。結(jié)論：（1）近年來，鄂西三峽地區(qū)220 kV線路雷擊故障頻繁發(fā)生在轉(zhuǎn)角塔、大檔距桿塔、瀕臨水系和山頂處的桿塔；特別是繞擊故障中，有近80%的故障塔同時(shí)滿足轉(zhuǎn)角塔、大檔距和瀕臨水系中至少2個(gè)特殊條件。（2）綜合考慮雷電活動(dòng)、地形地貌、線路結(jié)構(gòu)和絕緣、已采取的防雷措施等因素的影響，針對(duì)典型220 kV線路GC線開展逐基桿塔雷擊閃絡(luò)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，確定需改造的桿塔號(hào)；并結(jié)合運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，明確GC線的雷害風(fēng)險(xiǎn)來源主要為反擊閃絡(luò)風(fēng)險(xiǎn)。（3）GC線防雷改造選用安裝線路避雷器作為主要改造措施；采用所提出的方案改造后，將在現(xiàn)有措施基礎(chǔ)上進(jìn)一步降低GC線的繞擊閃絡(luò)風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)大大降低目前很高的反擊閃絡(luò)風(fēng)險(xiǎn)，總體上實(shí)現(xiàn)GC線防雷性能的較大改善，預(yù)期雷擊跳閘率將下降70.9%。（4）GC線防雷改造實(shí)施以來的實(shí)際效果表明改造效果已經(jīng)初步顯現(xiàn)，但仍有部分桿塔反擊閃絡(luò)風(fēng)險(xiǎn)較高，下階段應(yīng)積累運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行滾動(dòng)評(píng)估。（5）提出的差異化防雷技術(shù)與策略可為鄂西三峽地區(qū)以及類似地區(qū)220 kV輸電線路防雷，提供有效的方法和寶貴經(jīng)驗(yàn)。

來源出版物：高電壓技術(shù), 2012, 38(1): 157-166

入選年份：2016

基于不連續(xù)有限元的短間隙氣體放電仿真算法及其應(yīng)用

莊池杰，耿屹楠，曾嶸

摘要：目的：我國(guó)超、特高壓輸電工程建設(shè)亟需空氣間隙放電理論的支撐。作為長(zhǎng)間隙放電研究的基礎(chǔ)，短間隙放電是間隙放電研究的重要內(nèi)容與切入點(diǎn)。僅靠現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)手段與實(shí)驗(yàn)結(jié)果無法構(gòu)建這些放電過程的完整物理圖像。另一方面，計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力已大幅提升；計(jì)算數(shù)學(xué)在過去30年里取得了重大進(jìn)展，求解間隙放電的物理方程已成為可能，使得數(shù)學(xué)建模與仿真，成為研究短間隙放電的重要方法。方法：基于流體模型的短間隙放電過程的數(shù)值仿真研究，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已艱苦摸索了30多年。分析現(xiàn)有方法的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合FEM-FCT和FVM的優(yōu)點(diǎn)，提出一種基于不連續(xù)有限元的短間隙放電過程仿真算法。該方法既適用于非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，又滿足局部守恒性質(zhì)。適合于流注放電仿真，開發(fā)了短間隙氣體放電仿真程序。結(jié)果：通常，泊松方程用連續(xù)有限元求解。但在氣體放電模型中，關(guān)注的是場(chǎng)強(qiáng)值，而不是電位值。用不完全罰因子不連續(xù)有限元（incomplete interior penalty Galerkin，IIPG）求解泊松方程，保證了場(chǎng)強(qiáng)在每個(gè)計(jì)算單元上守恒，與連續(xù)有限元有著本質(zhì)的區(qū)別。粒子輸運(yùn)方程是對(duì)流占優(yōu)的。用高于一階的線性格式，求解對(duì)流或?qū)α髡純?yōu)問題，易出現(xiàn)數(shù)值振蕩，甚至產(chǎn)生完全錯(cuò)誤的結(jié)果。而一階線性格式，雖無數(shù)值振蕩問題，但常伴隨嚴(yán)重的數(shù)值擴(kuò)散問題。為克服上述困境，只能用非線性高階格式。針對(duì)圓柱坐標(biāo)系下的對(duì)流問題，提出了龍格-庫(kù)塔加權(quán)不連續(xù)有限元（Runge-Kutta weighted discontinuous Galerkin，RKWDG）算法。為抑制高階RKWDG求解對(duì)流問題可能存在的數(shù)值振蕩，提出了圓柱坐標(biāo)系中的多層重構(gòu)算法。通過多次求導(dǎo)，將重構(gòu)一個(gè)高次多項(xiàng)式的工作分解為重構(gòu)多個(gè)一次多項(xiàng)式的過程。圓柱坐標(biāo)系下的多層重構(gòu)算法和高階RKWDG算法，克服了可能存在的數(shù)值振蕩。實(shí)現(xiàn)了基于上述算法的短間隙氣體放電仿真程序，利用該程序研究了碰撞電離系數(shù)、附著系數(shù)、粒子遷移率等參量對(duì)流注發(fā)展的影響，電子碰撞電離系數(shù)與電子遷移率影響最大，電子附著系數(shù)與擴(kuò)散系數(shù)有一定影響，離子遷移率基本沒有影響。通過考慮湯遜放電中的光發(fā)射機(jī)制，成功預(yù)測(cè)了一定長(zhǎng)度范圍內(nèi)平板間隙中湯遜放電擊穿電壓曲線，驗(yàn)證了將數(shù)值仿真應(yīng)用于氣體放電研究的可行性。結(jié)論：提出了基于不連續(xù)有限元的氣體放電仿真算法：罰因子不連續(xù)有限元離散泊松方程；加權(quán)不連續(xù)有限元求解粒子輸運(yùn)方程，圓柱坐標(biāo)系下的多層重構(gòu)算法抑制潛在的數(shù)值振蕩。該方法適用于短間隙放電過程數(shù)值仿真。

來源出版物：高電壓技術(shù), 2013, 39(4): 970-978

入選年份：2016

常壓空氣中大間隙介質(zhì)阻擋放電特性

李雪辰，趙歡歡，賈鵬英，等

摘要：目的：從應(yīng)用角度而言，要徹底擺脫真空裝置、降低生產(chǎn)成本，必須在大氣壓空氣中產(chǎn)生低溫等離子體，但相關(guān)研究較少。針對(duì)于此，利用針板介質(zhì)阻擋放電（DBD）裝置，采用光電倍增管（ET 9085SB）對(duì)大氣壓大間隙空氣DBD放電特性進(jìn)行研究。方法：使用3個(gè)光電倍增管測(cè)量光信號(hào)，一個(gè)光電倍增管收集全部放電的發(fā)光，即測(cè)量總發(fā)光信號(hào)。其他兩個(gè)光電倍增管實(shí)現(xiàn)對(duì)放電的空間分辨測(cè)量，即通過凸透鏡成像后，利用像平面位置的光闌選擇某位置的發(fā)光信號(hào)進(jìn)入光電倍增管。這樣每個(gè)光電倍增管測(cè)量的是部分發(fā)光信號(hào)（對(duì)應(yīng)約1 m直徑的放電區(qū)域）。為了研究不同空間位置發(fā)光的時(shí)間特性，一個(gè)光電倍增管測(cè)量針尖位置的部分發(fā)光信號(hào)，另一個(gè)沿著等離子體羽方向依次測(cè)量遠(yuǎn)離針尖不同位置的發(fā)光信號(hào)，并用示波器記錄這些信號(hào)。在數(shù)據(jù)處理時(shí)利用針尖部分的信號(hào)作為基準(zhǔn)來實(shí)現(xiàn)不同位置部分發(fā)光信號(hào)的比較。結(jié)果，放電現(xiàn)象：當(dāng)峰值電壓較低時(shí)為電暈放電。隨著峰值電壓的升高，形成等離子體羽，該等離子體羽與等離子體針放電產(chǎn)生的等離子體羽形狀相似。隨著峰值電壓的繼續(xù)升高，等離子體羽的長(zhǎng)度呈現(xiàn)階段性變化。從總光信號(hào)波形可以看出：電暈放電模式中脈沖寬度比較窄（約為40 s）與直流電暈放電的Trichel脈沖類似。由于正電暈的擊穿電壓比負(fù)電暈高，在較低電壓下只達(dá)到了負(fù)電暈的擊穿條件而正電暈擊穿條件還沒有達(dá)到，因此僅出現(xiàn)在外加電壓負(fù)半周期，對(duì)應(yīng)負(fù)電暈放電。從等離子體羽的發(fā)光信號(hào)波形可以看出，在外加電壓正半周期的上升沿出現(xiàn)一個(gè)放電脈沖。隨峰值電壓的升高，正半周期放電脈沖個(gè)數(shù)增加，且放電脈沖的出現(xiàn)時(shí)刻前移。與電暈放電相比，等離子體羽放電的脈沖寬度較大（約為160 s），并且其發(fā)光強(qiáng)度遠(yuǎn)大于電暈?zāi)Ｊ降陌l(fā)光強(qiáng)度。在等離子體羽放電中正半周期的發(fā)光強(qiáng)度比負(fù)半周期大很多。通過正半周期第1次放電不同位置處的發(fā)光信號(hào)波形可以看出，等離子體羽中“連續(xù)放電”和“等離子體子彈”在同一個(gè)電壓下并存于空間不同位置，針尖附近一定區(qū)域?yàn)椤斑B續(xù)放電”，而較遠(yuǎn)區(qū)域?yàn)椤暗入x子體子彈”。對(duì)于“等離子體子彈”，利用兩個(gè)位置的距離除以兩個(gè)位置部分發(fā)光信號(hào)的時(shí)間差可以計(jì)算子彈的傳播速度。得到峰值電壓為17.5 kV時(shí)“等離子體子彈”的平均速度約為1.8×105m/s，這與噴槍“等離子體子彈”的傳播速度數(shù)量級(jí)一致。正半周期第2個(gè)脈沖和第3個(gè)脈沖不同位置發(fā)光信號(hào)的時(shí)間演化，其結(jié)果與第1個(gè)放電脈沖相似。第2次放電“等離子體子彈”的平均傳播速度約為2.0×105m/s，而第3次放電“等離子體子彈”的平均速度達(dá)到2.9×105m/s。通過研究不同位置的部分發(fā)光信號(hào)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于半周期3次放電，隨著遠(yuǎn)離針尖距離增大，部分發(fā)光信號(hào)的脈沖個(gè)數(shù)也發(fā)生變化。表明正半周期3次放電產(chǎn)生的等離子體長(zhǎng)度是不同的，或者說，3次放電到達(dá)的空間位置是不同的。其中第1次放電的長(zhǎng)度約17 m、第2次放電約為24 m、第3次放電約為28 m。正半周每次放電的長(zhǎng)度隨峰值電壓的變化關(guān)系和每次放電起始電壓隨峰值電壓的變化關(guān)系一致。等離子體羽長(zhǎng)度減短是由于放電起始電壓減小導(dǎo)致的，等離子體羽長(zhǎng)度的突然增長(zhǎng)是由于隨著峰值電壓升高放電次數(shù)的增加導(dǎo)致的。結(jié)論：隨著外加電壓改變，存在電暈放電和等離子體羽放電兩種模式。電暈放電發(fā)生在針尖處很小的區(qū)域，而等離子體羽放電發(fā)生在針—板電極間的較大區(qū)域，且等離子體羽長(zhǎng)度隨外加電壓呈階段性變化。針尖附近為“連續(xù)放電”，而遠(yuǎn)離針尖放電為“等離子體子彈”。利用光電倍增管研究了正半周期每次放電的等離子體長(zhǎng)度隨外加電壓峰值的變化。結(jié)果表明正半周期第1次和第2次放電的等離子體長(zhǎng)度均隨電壓峰值增大而減短。但第3次放電出現(xiàn)后，每次放電等離子體長(zhǎng)度隨電壓峰值增大而增長(zhǎng)。研究發(fā)現(xiàn)該關(guān)系與每個(gè)脈沖的起始電壓隨外加電壓峰值的變化關(guān)系一致。

來源出版物：高電壓技術(shù), 2013, 39(4): 876-882

入選年份：2016