160kV高压直流断路器电场分布的分析及优化研究

摘要

近几年，国内直流输电工程日渐兴起，而高压直流断路器作为直流电网中的关键设备，也越来越受到各个科研单位的重视。但是，目前直流断路器的研究还多处于拓扑研究阶段，具体产品的研制经验有所缺乏。而高压直流断路器作为一个复杂的成套集成设备，部件繁多，电位分布十分复杂，为保证直流断路器安全可靠的绝缘结构，不仅需要不同电位部件间足够的空气净距，其电场分布也需要进行足够的考核。本文结合南澳“160kV高压直流断路器的研制”项目，拟对160kV直流断路器的电场分布进行仿真计算研究，并提出合理的电场优化方案，以进一步确保直流断路器具有安全可靠的绝缘结构。 直流断路器作为一个开关设备，拥有多种运行工况，同时由于其电压等级较高，整个设备尺寸也会较大，这都对直流断路器的电场分析优化带来了一定的困难。论文先穷举了直流断路器实际运行中可能出现的运行工况，并根据持续时长划分为稳态与暂态工况，结合工程经验分析给出了两类工况下的判据条件，明确了后续仿真工况的应用思路。在电场计算中，论文采用全模型与子模型相结合的分析方法，先在相对粗糙的网格剖分中完成全模型的计算，找出直流断路器中电场超标的地方再进行子模型分析。在全模型的计算中，由于部件繁多，在有限元模型建立前，对其中的各个组成部件进行命名，以方便后续的网格剖分控制以及电位的加载。 对全模型中存在电场超标情况的部件通过子模型分析来对局部进行优化校核，在子模型的分析中选取局部电场分布最恶劣的工况作为子模型的优化工况。通过对子模型电场分布特点的分析提出合理的电场优化措施，并在子模型中进行校核计算。这样充分利用了有限的计算机资源，尽可能地提高了仿真计算的精度，确保了计算结果的可信度。在完成子模型优化后，最后对提出的优化措施进行了全模型的计算校核，同时对暂态工况下空气间隙的空间电场分布规律进行观测。这样，通过子模型与全模型的优化校核，以及对场强最大值和空间电场分布规律的考核后，可以充分证明电场分布的合理性，提出了各工况下满足要求的直流断路器设计结果。

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摘 要

ABSTRACT

目 录

1 绪论

1.1 课题背景和来源

1.1.1 直流输电技术的发展概述

1.1.2 直流断路器的需求与概况

1.1.3 具体的工程项目及其研究意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 成套设备的电场计算

1.2.2 电场分布的优化策略

1.2.3 电场分析的工况及判据

1.3 本文主要工作

1.3.1 研究内容

1.3.2 章节安排

2 160kV直流断路器各运行工况的电位分析

2.1 160kV直流断路器的组成及工况分析

2.2 160kV直流断路器的稳态电位分析

2.3 160kV直流断路器的暂态电位分析

2.4 本章小结

3 160kV直流断路器电场分布的整体仿真分析

3.1 整体模型的电场仿真分析

3.1.1 基于ANSYS的静电场的有限元分析

3.1.2 全模型计算时的模型简化

3.1.3 全模型有限元模型的建立

3.1.4 全模型的加载求解

3.2 整体模型下待改进部件电场计算的结果分析

3.2.1 -160kV合闸条件下的电场分布结果分析

3.2.2 -160kV分闸正向条件下的电场分布结果分析

3.2.3 -160kV分闸反向条件下的电场分布结果分析

3.2.4 稳态边界条件下电场超标点的归纳总结

3.3 本章小结

4 160kV直流断路器电场分布的局部分析与优化

4.1 单一优化工况子模型分析及优化

4.1.1 预充电变压器

4.1.2 高压隔离变

4.1.3 晶闸管

4.1.4 预充电电容模块

4.2 两个及多个优化工况子模型分析及优化

4.2.1 换流电容模块

4.2.2 耦合电抗器

4.2.3 机械开关模块

4.3 本章小结

5 160kV直流断路器电场分布各工况下的全模型校核

5.1 全模型优化后稳态工况的电场计算及评估

5.2 全模型优化后暂态工况的电场计算及评估

5.3 电场优化措施调整及最终方案的确定

5.3.1 稳态工况下的子模型调整及校核

5.3.2 稳态与暂态工况下的全模型调整及校核

5.4 本章小结

6 总结与展望

6.1 结论

6.2 工作展望

致谢

参考文献

附录Ⅰ 硕士期间的科研情况