摘要：现如今，我国是经济快速发展的新时期，为研究特高压直流输电系统抗震可靠度，本文首先将特高压直流输电系统划分为不同的子系统，分析各子系统间的故障逻辑，基于状态枚举法，以震后系统输电能力期望为评价指标，建立了系统抗震可靠性评估模型。然后以某特高压直流输电系统为算例，对其中的重要电气设备采用有限元数值模拟的方法进行抗震可靠度分析，在此基础上分析了该系统的抗震可靠度以及各设备抗震可靠度对系统可靠性的影响程度。结果表明，按照现行电气设备抗震规范设计的电气设备在抗震设防烈度下有较高的可靠度保证，但由于特高压直流输电系统的复杂性，系统依然存在着一定的安全隐患，电气设备的抗震可靠设计要求有必要进一步提高。
关键词：特高压直流输电，抗震可靠度，有限元
随着能源形势的日益严峻，包括风能、太阳能等可再生能源的分布式发电得到广泛推广，然而分布式发电固有的分散性、间歇性、远离负荷中心等特点，使得其采用交流输电技术并网显得很不经济，而基于电压源换流器的柔性直流输电技术具有可控性强、对环境影响小、适合中小容量电力远距离输送等一系列的优点，能很好的解决分布式发电的并网问题。
1结构特点
整个结构体系由构造完全相同的A，B，C三座单塔呈“品”字形排列组成，单塔主尺寸约为3．0m×2．6m×23．6m，三塔结构总重量超过130t。塔体结构主要由支柱绝缘子与承载台架组成，共29层。每个塔体除底层采用4组，每组2支，高度为3．400m的绝缘子外，其余设备层均采用4支710mm高支柱绝缘子支撑电容台架。台架梁采用10#槽钢焊制，三个塔体下部完全独立仅在塔顶通过4根300×10铝制母线管T形布置形成联体。
2特高压直流输电系统可靠性模型
2.1子系统组成
1）换流单元子系统换流单元子系统是直流输电系统的核心，组成结构最为复杂。换流单元子系统主要由换流阀和换流变压器组成。特高压直流工程一般采用单相三绕组换流变或单向双绕组换流变。采用单相三绕组换流变时，每个换流单元装3台换流变，且接线方式均为Y/Y/接线。采用单相双绕组换流变时，每个换流单元分别装有3台Y/Y接线和3台Y/接线的换流变。换流阀在每1个工频周期内需要12个换流阀轮流导通。可控硅换流阀在阀厅采用悬吊式布局，每台12脉动换流阀由3个四重阀塔构成，任意一台换流变或换流阀退出运行均会导致该设备所在换流单元停运。2）极设备子系统极设备子系统主要包括特高压平波电抗器、直流滤波器组和直流输电线路。特高压平波电抗器通常每站每极布置两个，分别布置在该极母线和接地母线上，任何一个平波电抗器故障均会导致该极停运。直流滤波器组配置通常按照每极一组配置，滤波器故障也会导致单极停运。由历史震害调查可知，输电杆塔的抗震可靠度远远高于设备，所以忽略直流输电线路对特高压直流输电系统抗震可靠性的影响。3）交流场子系统在直流输电系统中，为了滤除直流控制系统产生的谐波以避免交流输电系统带来不良影响，同时补偿直流控制系统消耗的无功功率，在直流系统运行过程中必须投入一定数量的交流滤波器。在换流站中，交流滤波器分组安装，投入运行的交流滤波器的数量和类型会影响到系统最大可传输功率，一般使用无功容量表来量化投入运行的交流滤波器类型和数量与系统可输送容量间的对应关系。
2.2模型处理
在阀塔建模中采用了单元网格的控制技术以便合理的划分单元网格，并考虑了质量分布问题，本着最大限度的模拟实际结构和合理简化的思想，对阀塔模型做出以下假设：(1)模块单元是由IGBT、叠型母排等元件集成化的块结构，故在建模时可将IGBT模块简化为强度板壳，采用壳单元进行模拟。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆(2)支撑绝缘子是主要承重结构，采用梁单元进行模拟；组成阀组件的框架的铝梁和绝缘梁也采用梁单元。(3)考虑到一些局部特征对结构整体的性能影响很小，忽略了对计算影响很小的外围附属部件，如屏蔽罩等。(4)坐标系采用右手笛卡尔坐标系：X向为换流阀塔水平长边方向；Y向为换流阀塔水平短边方向；Z向为换流阀塔竖直方向。(5)不考虑涉及阀塔与安装厂房和地基之间的解耦振动问题；且假定导线及电子部件不会先于阀体结构破坏，结构工作状态处于弹性阶段。
2.3电气设备的可靠度计算
电气设备地震易损性的研究方法主要有3种：（1）对以往震害资料进行总结和统计分析，（2）设备抗震性能试验，（3）数值模拟[15]。基于震害资料的统计数据往往是最符合现实情况的，然而特高压直流输电系统存在历史很短目前还没有经过地震灾害的检验。同时特高压电气设备的尺寸远大于传统的高压电气设备，故以往震害资料的参考作用不大。特高压电气设备往往体量巨大、制造成本昂贵，由于经济或技术手段的原因原型设备的振动台试验也很少。因此本文采用数值模拟的方法研究电气设备的可靠性。
2.4结构地震响应计算结果
历史震害中，因绝缘子瓷柱根部受弯折断导致设备破坏较多。陶瓷是脆性材料，抗弯性能很差，变形能力差，同时设备结构形状特殊，不仅又细又长，而且上部质量较大，地震时瓷柱根部承受很大的弯矩，尤其是在绝缘子瓷柱与其他材料的连接处，变形不协调加大了绝缘子瓷柱的断裂和损坏。另一方面，电气设备内的母线分硬母线和软母线两种，硬母线由铝管和铝线制成，软母线是由铝线制成。本文设备采用硬母线。震害资料显示，硬母线的破坏主要是支撑母线的棒式支柱绝缘子在地震作用下折断造成的。由于多塔联体结构的特殊性，在地震作用下三塔的振动不一定协调，塔顶间会产生较大的相对位移，进而在管形母线中产生较大的内力。本文计算了绝缘子的变形、弯曲应力以及塔顶母线管的受力状态，对比了新旧规范计算结果的差别，分析了不同方向地震动输入对响应结果的影响。
2.5设备可靠度灵敏性
系统的拓扑结构及系统元件的可靠性和电气参数共同决定了电力系统的可靠性，因此当电网的运行方式确定后，该运行方式下的系统可靠性可以看作以各元件参数为自变量的多元函数。各元件对系统可靠性的贡献取决于其在系统拓扑结构中的位置及其自身参数的大小，因此系统可靠性对不同元件参数变化的敏感程度有所不同。为考察各关键电气设备对特高压直流输电系统可靠性的影响程度，分别计算了特高压换流阀、换流变压器、平波电抗器、直流滤波器的抗震可靠度在0.998~0.850变化，而其他设备可靠度为100%时，系统震后输电能力的变化情况，如图8。从图中可明显看到特高压换流变压器和特高压换流阀对系统可靠度的影响最大。
结语
通过以上计算分析结果可以得到以下结论：1）在本文所分析的特高压重要电气设备中换流变压器和换流阀对系统可靠度的影响最大。所幸特高压换流变压器由于结构重心较低，自身刚度较大，抗震可靠度较高；特高压换流阀由于采用了悬吊式减震设计，也具有较高的抗震可靠度。2）特高压平波电抗器、特高压滤波器用电容器塔这两种绝缘子支撑型设备的抗震可靠度较低，有待加强。需要针对特高压绝缘子支柱式设备的减隔震技术展开相关研究。3）按照现行电气设备抗震规范设计的电气设备在抗震设防烈度下有较高的可靠度保证，但由于特高压直流输电系统的复杂性，系统依然存在着一定的安全隐患，震后维持原有输电能力不变的概率仅有54.08%,震后输电能力的期望为原有输电能力的73.61%。因此电气设备的抗震可靠性设计要求有必要进一步提高。
参考文献
[1]陈国平,李明节,许涛,等.我国电网支撑可再生能源发展的实践与挑战[J].电网技术,2017(10):6-14.
[2]吴萍,赵兵,郭剑波,等.应对特高压直流阀组相继故障的跨区交直流协调控制方法[J].电网技术,2017,41(05):115-122.
论文作者:张志国
论文发表刊物:《电力设备》2019年第8期
论文发表时间:2019/9/18
标签：系统论文; 母线论文; 特高压论文; 绝缘子论文; 可靠论文; 电气设备论文; 结构论文; 《电力设备》2019年第8期论文;