基于改进间隙系数的直流阀厅最小空气净距计算方法

摘要

本发明涉及一种基于改进间隙系数的直流阀厅最小空气净距计算方法，属于输变电工程直流输电线路设计领域。本发明首先通过开展操作冲击放电试验，得到阀厅内各种间隙的间隙放电电压，然后用最小二乘法确定间隙放电电压与电极尺寸、间隙距离之间的函数关系；利用上述函数关系，得到能考虑电极尺寸和间隙距离影响的改进间隙系数；最后利用上述改进间隙系数，用迭代方法确定直流阀厅的最小空气净距。根据本发明方法计算得到的直流阀厅的最小空气净距，能在保证设备运行安全的同时，尽可能减小空气净距取值，节省工程投资。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于改进间隙系数的直流阀厅最小空气净距计算方法，尤其涉及一种确 定直流输电系统中换流站、整流站、逆变站阀厅内电气设备的空气净距的方法，属于输变电 工程直流输电线路设计领域。

背景技术

直流阀厅是指直流输电系统中换流站、整流站、逆变站的放置换流阀、整流阀、逆变 阀的专用场所。直流阀厅内的各电气设备（如阀、套管、变压器）之间以及设备与墙体或 地面之间的空气间隙距离，称为空气净距。空气净距对工程造价有重要影响，是设计直流 阀厅时必须考虑的因素。空气净距一般由间隙的雷电和操作冲击放电电压决定。对±500kV 及以上电压等级直流阀厅，由操作冲击放电电压决定的空气净距一般小于由雷电冲击放电 电压决定的净空距离。

目前，工程设计中广泛采用的由操作冲击放电电压决定的直流阀厅最小空气净距的计 算方法如下：

（1）得到标准大气条件下，所考虑的空气间隙需耐受的过电压U_w-corr。U_w-corr的计 算公式为

$U_{w-\mathrm{corr}}=\frac{k_m{U}_w}{K_t(1-2\sigma )}---\left(1\right)$

其中U_w为阀厅典型气象条件下电气设备的操作冲击绝缘水平；k_m是设计裕度；K_t是大气 修正系数；σ为间隙放电电压的变异系数，对操作冲击，σ取6%。

（2）计算最小空气净距。最小空气净距计算公式为

$L=\sqrt[0.6]{\frac{U_{w-\mathrm{corr}}}{500K}}---\left(2\right)$

其中d为最小空气净距，单位为m；K为表征电极形状特性的间隙系数，不同的系数代表不 同的电极类型，一般选择如下：线——板间隙K＝1.15，导线——导线间隙K＝1.3，棒— —棒间隙K＝1.4。

上述方法中，间隙系数的取值主要针对棒——板、棒—棒、线——板等常规间隙， 对大量阀厅内实际存在的间隙类型与电极结构，如球——板或均压环——板间隙未予考虑； 对某种确定的电极结构，间隙系数只有一种取值，没有考虑间隙距离和电极尺寸等变量对 间隙系数取值的影响。上述计算方法比较粗糙，误差较大。

间隙系数K的取值与空气净距直接相关，空气净距的大小直接影响到阀厅尺寸，进而影 响工程造价。为保证设备与人身安全，上述方法在使用中需要留有较大裕度，大大增加了 工程投资。

近年来，我国直流输电工程越来越多。工程设计迫切需要一种能够考虑阀厅实际间隙 类型与电极结构、电极尺寸等多种因素的间隙系数取值方法与最小净空距离计算方法。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于改进间隙系数的直流阀厅最小空气净距计算方法，考虑 阀厅内的间隙类型、电极尺寸、间隙距离、气象条件和海拔高度等，通过引入改进间隙系 数，利用现有的比较成熟的气象条件和海拔高度修正方法，便捷地确定安全的直流阀厅空 气最小净空距离。

本发明提出的基于改进间隙系数的直流阀厅最小空气净距计算方法，包括以下步骤：

（1）设直流阀厅中电气设备之间的间隙类型包括：球或环对板、管母线对板、球或 环对管母线、管母线对管母线以及阀塔对地，对于每种间隙类型，通过实际测量得到间隙 距离d和电极尺寸r，通过操作冲击放电试验，得到与该间隙距离和电极尺寸相对应的放 电电压U₅₀，重复该步骤，得到同一种间隙类型的间隙距离d、电极尺寸r和放电电压U₅₀之 间的离散点组合(d₁,r₁,U₅₀₁)、(d₂,r₂,U₅₀₂)、(d₃,r₃,U₅₀₃)、……(d_i,r_i,U_50i)，其中i是 测量次数；

（2）对上述每一种间隙类型，用下式拟合各间隙放电电压U₅₀与各间隙距离d和电极 尺寸r之间的函数关系，其中的电极为球、环、管母线或阀塔中的任何一种：

$U_{50}=d^{\frac{5}{3}}(b_0+b_1\left(\frac{1}{d}\right)+b_2{\left(\frac{1}{d}\right)}^2)(a_0+a_{1}r+a_2{r}^2)$

其中a₀、a₁、a₂、b₀、b₁和b₂分别是待定的系数，

将(d₁,r₁,U₅₀₁)、(d₂,r₂,U₅₀₂)、(d₃,r₃,U₅₀₃)、……(d_i,r_i,U_50i)中的值分别代入上式， 用最小二乘法计算得到系数a₀、a₁、a₂、b₀、b₁和b₂；

（3）根据步骤（2）的放电电压U₅₀的函数表达式，得到操作冲击作用下的改进间隙 系数表达式K：

$K=\frac{(b_0+b_1\frac{1}{d}+b_2{\left(\frac{1}{d}\right)}^2)(a_0+a_{1}r+a_2{r}^2)}{500}$

（4）根据上述改进间隙系数的表达式K，计算各类型间隙的最小净空距离，具体方法 如下：

（4-1）根据直流输电系统工程的要求，设定一个设计裕度k_m，并计算直流阀厅运行条 件下的相对空气密度δ：

$\delta =\frac{p}{p_0}\frac{273+t_0}{273+t}$

其中p₀为标准状态下的大气压，t₀为标准状态下的温度，p为直流阀厅运行条件下的气 压，t为直流阀厅运行条件下的温度；

（4-2）设定两个中间参数m和w，初始化时两个中间参数m和w的取值为0，定义大气 密度修正系数为k₁，定义湿度修正系数为k₂，初始值设k₁＝1，k₂=1，并设初始的改进间 隙系数K=1；

（4-3）计算大气修正系数K_t，K_t＝k₁k₂；

（4-4）计算间隙的放电电压U_w-corr，其中U_w为直流阀厅中与 电极相连的电气设备的操作冲击绝缘耐受值，k_m是设计裕度，K_t是大气修正系数，σ为间 隙放电电压的变异系数，对于操作冲击，σ取6%；

（4-5）根据上述U_w-corr，计算得到一个间隙距离d：

$d=\sqrt[0.6]{\frac{U_{w-\mathrm{corr}}}{500K}}$

（4-6）根据电极尺寸r和上述间隙距离d，计算得到改进间隙系数K：

$K=\frac{(b_0+b_1\frac{1}{d}+b_2{\left(\frac{1}{d}\right)}^2)(a_0+a_{1}r+a_2{r}^2)}{500}$

（4-7）利用步骤（4-5）中得到的d和步骤（4-6）中得到的K，得到一个中间参数g：

$g=\frac{U_{w-\mathrm{corr}}}{500\mathrm{d\delta K}}$

（4-8）根据上述g值和下表中的函数关系，计算中间参数m和w；

中间参数m和w与中间参数g的函数关系

（4-9）根据步骤（4-8）中得到的m和w，计算大气修正系数K_t，

k₁＝δ^m

k₂＝k^w

$k=1+0.01(\frac{d}{\delta }-11)$

K_t＝k₁k₂；

（4-10）对步骤（4-5）的间隙距离d进行判断，若相临两次迭代时，d的相对差值小于 或等于0.1%，则停止计算，并以该间隙距离d作为该自然条件下的直流阀厅最小空气净距， 若相临两次迭代时，d的相对差值大于0.1%，重复步骤（4-5）到（4-10）。

本发明提出的基于改进间隙系数的直流阀厅最小空气净距计算方法，与已有技术相比， 能够充分考虑阀厅内的真实电极结构和尺寸以及间隙距离对间隙系数取值的影响。直流阀 厅最小空气净距决定阀厅的尺寸，能够大幅度影响设备制造难度和直流阀厅的总体造价。 根据本发明确定直流阀厅的最小空气净距，能在保证设备运行安全的同时，尽可能减小空 气净距取值，节省工程投资。本发明的计算方法，主要针对由操作冲击决定的空气净距， 但本发明方法和原理对雷电冲击同样适用。

具体实施方式

本发明提出的基于改进间隙系数的直流阀厅最小空气净距计算方法，包括以下步骤：

（1）设直流阀厅中电气设备之间的间隙类型包括：球或环对板、管母线对板、球或 环对管母线、管母线对管母线以及阀塔对地，对于每种间隙类型，通过实际测量得到间隙 距离d和电极尺寸r，通过操作冲击放电试验，得到与该间隙距离和电极尺寸相对应的放 电电压U₅₀，重复该步骤，得到同一种间隙类型的间隙距离d、电极尺寸r和放电电压U₅₀之 间的离散点组合(d₁,r₁,U₅₀₁)、(d₂,r₂,U₅₀₂)、(d₃,r₃,U₅₀₃)、……(d_i,r_i,U_50i)，其中i是 测量次数；

（2）对上述每一种间隙类型，用下式拟合各间隙放电电压U₅₀与各间隙距离d和电极 尺寸r之间的函数关系，其中的电极为球、环、管母线或阀塔中的任何一种：

$U_{50}=d^{\frac{5}{3}}(b_0+b_1\left(\frac{1}{d}\right)+b_2{\left(\frac{1}{d}\right)}^2)(a_0+a_{1}r+a_2{r}^2)$

其中a₀、a₁、a₂、b₀、b₁和b₂分别是待定的系数，

将(d₁,r₁,U₅₀₁)、(d₂,r₂,U₅₀₂)、(d₃,r₃,U₅₀₃)、……(d_i,r_i,U_50i)中的值分别代入上式， 用最小二乘法计算得到系数a₀、a₁、a₂、b₀、b₁和b₂；

（3）根据步骤（2）的放电电压U₅₀的函数表达式，得到操作冲击作用下的改进间隙 系数表达式K：

$K=\frac{(b_0+b_1\frac{1}{d}+b_2{\left(\frac{1}{d}\right)}^2)(a_0+a_{1}r+a_2{r}^2)}{500}$

（4）根据上述改进间隙系数的表达式K，计算各类型间隙的最小净空距离，具体方法 如下：

（4-1）根据直流输电系统的工程要求，设定一个设计裕度k_m，并计算直流阀厅运行条 件下的相对空气密度δ：

$\delta =\frac{p}{p_0}\frac{273+t_0}{273+t}$

其中p₀为标准状态下的大气压，t₀为标准状态下的温度，p为直流阀厅运行条件下的气 压，t为直流阀厅运行条件下的温度；

（4-2）设定两个中间参数m和w，初始化时两个中间参数m和w的取值为0，定义大气 密度修正系数为k₁，定义湿度修正系数为k₂，初始值设k₁＝1，k₂=1，并设初始的改进间 隙系数K=1；

（4-3）计算大气修正系数K_t，K_t＝k₁k₂；

（4-4）计算间隙的放电电压U_w-corr，其中U_w为直流阀厅中与 电极相连的电气设备的操作冲击绝缘耐受值，k_m是设计裕度，K_t是大气修正系数，σ为间 隙放电电压的变异系数，对于操作冲击，σ取6%；

（4-5）根据上述U_w-corr，计算得到一个间隙距离d：

$d=\sqrt[0.6]{\frac{U_{w-\mathrm{corr}}}{500K}}$

（4-6）根据电极尺寸r和上述间隙距离d，计算得到改进间隙系数K：

$K=\frac{(b_0+b_1\frac{1}{d}+b_2{\left(\frac{1}{d}\right)}^2)(a_0+a_{1}r+a_2{r}^2)}{500}$

（4-7）利用步骤（4-5）中得到的d和步骤（4-6）中得到的K，得到一个中间参数g：

$g=\frac{U_{w-\mathrm{corr}}}{500\mathrm{d\delta K}}$

（4-8）根据上述g值和下表中的函数关系，计算中间参数m和w；

中间参数m和w与中间参数g的函数关系

（4-9）根据步骤（4-8）中得到的m和w，计算大气修正系数K_t，

k₁＝δ^m

k₂＝k^w

$k=1+0.01(\frac{d}{\delta }-11)$

K_t＝k₁k₂；

（4-10）对步骤（4-5）的间隙距离d进行判断，若相临两次迭代时，d的相对差值小于 或等于0.1%，则停止计算，并以该间隙距离d作为该自然条件下的直流阀厅最小空气净距， 若相临两次迭代时，d的相对差值大于0.1%，则重复步骤（4-5）到（4-10）。