基于磁流体力学模型与模型预测控制的地磁暴期间超高压、特高压电网电压波动平抑优化调度

地磁暴期间,电网中的变压器受到地磁感应电流(GIC)影响而导致无功损耗会显著增大,这种不确定的、突发群发的无功扰动会引发电网电压波动。超高压、特高压电网由于其特殊的电气特性更容易受到地磁暴的侵害,造成电压跌落至不合格区间甚至引发电压崩溃而导致大规模停电。该文以地球三维磁流体力学(MHD)模型预测的地磁扰动(GMD)为基础,采用模型预测控制(MPC)方法修正MHD模型计算的无功扰动并调整可控主导节点的注入功率进行优化调度,平抑地磁暴期间超高压、特高压电网电压波动。该文还以华东超高压、特高压电网为算例,仿真对比了特大地磁暴发生期间电网实施优化调度前后的电压波动,并提出了波动率指标验证了所提方法的有效性,为保证地磁暴期间的电压稳定性和合格率提供了指导。

强地磁暴期间超、特高压交流电网主导节点电压设定值校正方法

当电网遭受地磁暴侵害时,电网中感生的地磁感应电流(geomagnetically induced current,GIC)会使变压器铁心偏磁饱和,变压器无功损耗增大,引发整个电网的无功不足与电压波动。超、特高压电网由于其特殊的电气特性更容易受到地磁暴的侵害,群发性、突发性的无功扰动易使电网电压跌落至不合格区间。针对这种情况,在确定超、特高压电网主导节点电压设定值时,须考虑地磁暴衍生的无功扰动对系统电压的影响。通过分析地磁暴期间电压波动的机理和模拟电网对强地磁暴的响应,该文提出了强地磁暴期间超、特高压电网主导节点电压设定值和电压控制区域校正方法。该研究适用于强地磁暴期间超、特高压电网电压控制,保证在遭受地磁暴侵害情况下各电压等级电网电压仍可保持在合格区间。

地磁暴影响下特高压交流电网电压稳定性量化评估方法

地磁暴时,地磁感应电流(GIC)流经变压器会产生大量无功损耗,引起电网电压波动。随着我国特高压交流电网规模的扩大,地磁暴给特高压交流电网电压稳定带来的威胁越来越大。为了准确评估地磁暴对电力系统电压稳定的影响,该文建立了适用于地磁暴期间衍生无功扰动影响电压稳定的分析模型,通过对线路的等效变换,适应于多电压等级电网的多进线节点电压稳定分析。该文将地磁暴造成的无功扰动加入电压稳定分析模型得出地磁暴影响下的PV曲线解析式,并提出电压失稳指标,避免了连续潮流法预测校正过程中步长难以准确选取、计算复杂等问题,便于确定电网遭受地磁暴侵害时的电压稳定薄弱点和负荷裕度,并通过规划的华东特高压交流电网算例对该方法的有效性进行了验证。

基于辐射电磁波检测的电力变压器局部放电定位研究

在局部放电特高频检测技术基础上，提出一种基于天线阵列技术和时间差算法的电力变压器局放定位新方法。研究了电磁波法的定位精度与检测频率的关系，提出1-5GHz的局放定位检测频带；对铁心、线圈模型对电磁波传播的影响进行了试验探讨；提出基于4阵元天线阵列检测的方式；设计了基于多样本互相关-移位-叠加-互相关的时延测量算法；最后开发了融合遗传算法的时间差法定位技术，试验验证了该技术的定位效果。结果表明，提出的检测频带、传感器阵列技术及时延算法有效地解决了铁心对定位的不利影响。实现了时延的自动测量并将时延测量精度提高到数十皮秒；通过把遗传算法与时间差算法有机结合成功实现了对单一局放源的定位，实验中定位精度可达数厘米。

接地金属网对高压输电线路下方工频电场强度及感应电压改善的研究

为解决高压输电线路附近民房由于工频电场而产生感应电压的现象,提出采用接地金属网来减小民房内工频电场强度以及居民房内不良接地导体的感应电压。采用高密度板制做的木盒子模拟居民房,分别在人工气候室内和湖南省内某500 kV和220 kV交流输电线路下方进行试验,并采用CDEGS电磁计算软件进行计算,试验结果与计算结果表明,接地金属网可有效减小高压输电线路周围居民房中的工频电场强度和感应电压。

交直流复合电压下棒-板电极起晕电压实验分析

为了获得复合电压作用下电极的起晕特性,在室内搭建了复合电压下无锈棒-板电极起晕特性实验平台,采用串联的复合加压方式,即一个电极上施加直流电压,另一个电极上施加交流电压,以紫外光子计数的突变作为电晕起始判据,获得了直流和交流复合电压下的电极起晕特性。同时对比了不同直流电压极性、电极加压方式和不同复合电压升压方式下电极起晕电压的特点,探究复合电压下棒电极半径和棒板间隙对电极起晕电压的影响。实验结果表明:在相同的大气条件及电极布置下,由于空间电荷影响,棒电极正直流、板电极交流加压方式下的起晕电压比棒电极交流、板电极正直流加压方式下的起晕电压高;在棒-板气隙间距0~5cm范围内,定直变交复合升压方式下,交直流分量有效值叠加后的起晕电压随着直流分量的增加而升高,定交变直方式下,该值随着交流分量的增加而下降,且交直流分量间互为线性关系。本文的研究成果可以为进一步研究复合电压作用下电极的电晕机理及起晕电压的准确预测奠定坚实基础。

改进自适应无参经验小波变换在变压器高频局放电流噪声抑制中的应用

变压器是电力系统中的关键设备,局部放电(partial discharge,PD)是致使变压器绝缘劣化的主要原因,也是绝缘劣化的重要表现形式。针对高频PD信号中窄带干扰和白噪声这些复杂的噪声信息,提出一种基于互信息和样条插值拟合优化频谱分割的改进自适应无参经验小波变换的降噪方法。该方法以无参经验小波变换为基础,计算经无参经验小波变换分解的各个时域分量的互信息值进行合并优化得到新的频谱分割点,然后在各个频段内提取峰值点,将这些峰值点进行三次样条插值拟合得到拟合曲线,将拟合曲线的极小值点作为最新频谱分割点进行划分得到各个时域分量,最后计算各个分量的峭度值,去除峭度值小于3的分量,将剩余分量进行通用阈值降噪重构达到PD信号降噪效果。仿真、实验室和现场测试表明,与现有小波变换降噪和基于经验模态分解降噪的方法进行对比,文中的方法能够更加有效抑制变压器高频PD信号中的噪声信息。

高速铁路牵引供电接触网雷电防护

中国高速铁路多采用高架桥敷设方式,牵引供电接触网的导线对地高度较大,雷击跳闸率较高,必须采取有效措施加以解决。建立了接触网的雷电过电压计算模型,并基于矢量匹配技术和网络综合理论提取了高架桥冲击阻抗的等值电路;计算分析了接触网雷击跳闸的概率和特点。结果表明:接触网F线的雷击跳闸率很高,而受到F线屏蔽的T线雷击跳闸率较低;提出了将PW线兼做避雷线使用以及在F线绝缘子上安装带串联间隙避雷器的防护方案,同时,建议加强高架桥非预应力结构钢筋与接地钢筋的可靠等电位连接,以提高防护方案的效果。

GIS金属法兰孔特高频信号传播特性研究与外置式发射天线开发

在未安装内置式特高频(ultra-high-frequency,UHF)传感器的情况下,如何向气体绝缘金属封闭开关设备(gas-insulated metal-enclosed switchgear,GIS)内部注入UHF电磁波标定信号是目前开展GIS局部放电UHF在线监测系统灵敏度现场校验时面临的关键问题之一。提出了GIS外置式UHF电磁波发射方法,即通过盆式绝缘子金属法兰小孔注入标定信号。通过仿真和理论分析研究了UHF电磁波经过小孔时的传播模式和电场结构,通过加脊降低了矩形波导天线的下限截止频率,研制了双脊波导发射天线,在GIS设备上检验了该发射方法及装置的应用效果。研究表明,UHF电磁波以TE10波型为主模经过小孔传播,双脊波导天线的下限截止频率降到了300 MHz,通过它能够向GIS内部发射300MHz 1.5GHz的UHF标定信号。GIS体外式UHF标定信号注入方法可以为GIS局部放电UHF检测仪器现场灵敏度校验提供标定信号源。

采用套管传感器测量变压器线端快速暂态过电压的方法

全封闭气体绝缘组合开关内隔离开关操作产生的快速暂态过电压(very fast transient overvoltage,VFTO)给变电站内其他运行设备的安全带来严重危害,提出了一种利用变压器套管传感器测量变压器引线端电压的测量方法。将传感器低压臂部分接到变压器套管末屏上,与套管电容构成VFTO套管传感器;采用卷积模型法处理方波响应结果,获得了传感器响应特性;基于增量Wiener反卷积滤波器的波形还原方法,解决了套管引起的传感器高频响应频率失真问题。在实验室建立了一个快速暂态过程实验平台,在此平台上验证了套管传感器VFTO测量系统的有效性。在某超高压变电站用套管传感器测量了隔离开关操作时高压电抗器处的VFTO,并对测量结果进行了波形还原。测量结果表明,基于变压器套管传感器的VFTO测量系统可以满足现场测量的需要。

架空配电线路雷电感应过电压计算研究

为了研究雷电感应过电压特性,指导架空配电线路雷电防护,分析了现有雷电感应过电压计算方法的不足,提出一种改进计算方法。该计算方法分为雷电电磁脉冲计算和雷电电磁脉冲激励下的多导体瞬态响应计算2个步骤,考虑了大地损耗对雷电电磁脉冲和多导体传输线瞬态过程的影响以及线路带有分支和集中参数元件的实际情况。通过与火箭引雷感应过电压实测波形的对比验证了计算方法的有效性。利用该文的计算方法对雷电感应过电压进行了计算分析,其基本特征表现为:雷电感应过电压为短尾波,在导线上距离落雷点最近处最大,并延导线逐渐衰减;大地损耗越大,最大雷电感应过电压值越大,但沿线衰减越快;雷电感应过电压的最大幅值受雷电回击速度的影响较小,受线路分支影响明显,同时与线路高度、线路与落雷点间距离为非线性关系。

高速铁路牵引供电接触网用带间隙避雷器的研制

中国高速铁路线路高架桥路段比例大,且相对集中在雷电活动较强烈地区,牵引供电接触网雷击故障多,须采取措施加以解决。在接触网绝缘子旁并联安装带间隙避雷器是一种有效的防雷措施。根据接触网布局结构和运行可靠性要求高的特点,提出了一种与绝缘子一体化安装的避雷器分体结构型式,特别设计抱箍增强安装稳定性,提出了一种避雷器本体压力释了U型放结构可有效释放短路能量,研究选择了本体关键参数和串联间隙距离,确定了短路试验和振动试验方法和条件,对样品进行了雷电冲击放电伏秒特性试验、短路试验和振动试验,从而验证该技术性能的可靠性。最后,研制了适合接触网正馈线、接触线和加强线绝缘子使用的3种形式避雷器,并获国家发明专利授权,已在京沪高速铁路上试运行,状态良好。

高压直流换流站换流系统宽频建模研究

高压直流(high voltage DC,HVDC)换流站电磁骚扰主要由阀体内的晶闸管在周期性的导通和关断过程中产生。该骚扰中的高频分量通过辐射和传导2种形式可能会对换流站内的通讯设备、保护与控制系统和载波系统以及换流站附近的无线电台站等产生影响,所以,建立换流系统的宽频等效电路模型对该骚扰进行计算和预测,研究其时频特性是进行干扰机理分析的前提条件。该文给出了HVDC换流站各主要设备的建模方法及其等效电路,包括阀组件、换流变压器、平波电抗器、滤波器等。其中,阀组件内各元件的阻抗通过网络分析仪测量,然后通过矢量匹配进行零极点提取,最后通过布隆法进行网络综合得到阀组件各器件的宽频等效电路。应用有限元方法计算了阀塔以及散热片的寄生电容参数。以阀塔作为整体,基于PSCAD/EMTDC建立了HVDC换流站换流系统宽频仿真模型。在此基础上,研究了传导电磁骚扰特性。计算结果和测量结果的比较,验证了该文建模方法的正确性。

高压直流换流阀用绝缘子表面电场计算及均压环设计

换流阀是高压直流换流站的核心装备,高电位区导体及绝缘子表面电场计算是实现小安全裕度下换流阀绝缘优化设计的关键。将换流阀内典型结构,如绝缘子、晶闸管等,简化为二维模型,在二维场中直接进行电场计算,可实现电场的准确快速计算。通过对二维、三维算例进行电场计算,证实了边界电场约束方程计算电场的精度在二维场中高于ANSYS的计算精度。因此在二维轴对称场中应用该方法对某换流阀绝缘子进行了表面电场计算及均压环设计,使绝缘子金具表面电场由7.55 kV/mm降为2.87 kV/mm,绝缘子表面电场由1.93 kV/mm降为0.9 kV/mm。最后,应用ANSYS软件在三维复杂模型中对均压环尺寸进行校验计算。文中工作为直流换流阀用绝缘子表面电场计算及均压环优化设计提供了一种可靠、实用的计算方法。

人工电压脉冲与局部放电UHF信号的等效性分析

使用人工电压脉冲向GIS内部注入与局部放电等效的特高频(ultra-high-frequency,UHF)电磁波信号是UHF检测系统灵敏度现场校验的关键环节。通过实验研究人工电压脉冲与局部放电UHF信号的时域幅值和频谱分布差异。建立了基于220 kV的GIS设备的局部放电UHF测试平台,在靠近出线的腔体内分别用局部放电缺陷和人工电压脉冲发射UHF电磁波,利用安装在4个典型部位的圆盘形天线接收UHF信号。通过测量各部位的信号幅值,对比人工电压脉冲与局部放电UHF信号的衰减程度;通过对信号波形作傅立叶变换,对比2种信号的频谱分布。研究结果表明,经过断路器后人工电压脉冲的信号衰减程度略大于局部放电,人工电压脉冲的频谱分布接近于局部放电,且人工电压脉冲电压波形的上升时间在0.3?1 ns范围变化时对UHF电磁波信号频谱分布没有影响。对于开展UHF检测系统灵敏度现场校验工作具有重要指导意义。

特高压交流输电线路正常运行时对输油输气管道的感性耦合计算模型

随着我国经济的持续增长,交流输电线路对输油输气管道的电磁影响问题日益突出。基于管道-大地回路传输线模型,获得了交流输电线路正常运行时在输油输气管道上产生的感性耦合电压的解析表达式。经过严格推导,提出了管道两端接匹配阻抗时管道饱和平行长度的概念,即随着管道平行长度的增大,管道感性耦合电压先逐渐增大,然后略有降低,并最终基本趋于稳定。通过仿真计算,拓展了线路与管道斜接近时等效接近距离现有经验公式的适用范围,计算误差可控制在5%以内。研究成果可供电力部门和石油管道部门进行管道安全评估或确定管道与线路的最小安全距离。

超高压直流线路复合绝缘子检测方法的研究

介绍了超高压线路交流复合绝缘子带电检测方法,如红外测温法、电场法和憎水性分级法等,并结合直流输电线路复合绝缘子的特殊问题,分析了这些方法应用于直流复合绝缘子时的不足和困难,指出在直流复合绝缘子异常发热机理、直流电场测量和憎水性测量等方面均需深入研究。

GIS浇注孔传播内部局部放电UHF电磁波的特性

运行中的大多数气体绝缘关设备(gas insulated switchgear,GIS)上未安装内置式特高频(ultra-high-frequency,UHF)传感器,并且盆式绝缘子被金属环覆盖,因此,常规的检测方法无法检测其内部局部放电的UHF信号,检测金属环浇注孔处辐射出来的UHF信号成为实现GIS局部放电UHF检测的唯方法。在理论分析浇注孔对UHF电磁波的传播衰减特性的基础上,基于时域有限差分法(finitedifference-time-domain,FDTD)仿真了局部放电UHF信号在GIS中的传播过程,重点分析了浇注孔处的电场强度分布和频谱特性,并在GIS平台上进行了试验验证,取得了较好的致性。研究表明,浇注孔处UHF信号的电场强度主分量的方向平行于孔的窄边,其主要能量集中在0.7?2 GHz之间。此结论为改进UHF检测系统的性能提供了重要的指导方向和理论依据。

高速铁路接触网雷电防护用并联间隙装置的研制

我国高速铁路牵引供电接触网雷击故障相比普速铁路明显增多,亟待采取措施加以解决。在接触网绝缘子旁并联安装并联间隙装置,是种有效的防雷措施,可作为避雷器和避雷线措施的有力补充。根据接触网布局结构和运行可靠性要求高的特点,结合工频电弧运动特性仿真研究,设计了并联间隙结构型式,特别设计采用了种新型U型抱箍增强安装稳定性,研究选择了招弧角关键参数和放电间隙距离,确定了热稳定试验、工频电弧试验和振动试验方法和条件,对样品进行了雷电冲击放电伏秒特性试验、热稳定试验、工频电弧试验和振动试验检验,验证了装置技术性能满足使用要求,并研究提出了应用方案。研制成功的并联间隙装置可搭配接触网正馈线、接触线和加强线绝缘子使用,具备挂网运行条件。

变电站瞬态电磁场耦合二次电缆数值方法研究

提出瞬态电磁场耦合细线问题的三维时域有限差分(finite-difference time-domain,FDTD)数值方法的一种改进模型。基于电磁散射理论推导出有限长直细导线终端以及拐角附近的电磁场分量的离散方程。利用改进模型计算电磁脉冲激励下双导体传输线终端负载上的电流电压响应,并进行实验验证。结果表明计算结果与实验结果吻合较好,说明改进的三维FDTD数值模型对研究瞬态场线感应问题是有效的,可用于变电站瞬态电磁场对二次电缆干扰问题的研究。