柔性直流換流站短路工況下直流場磁場建模與特性深度剖析

柔性直流換流站短路工況下直流場磁場建模與特性深度剖析一、引言1.1研究背景與意義隨著能源結構的優(yōu)化調(diào)整以及電網(wǎng)互聯(lián)需求的不斷增長，直流輸電技術憑借其長距離、大容量、低損耗等顯著優(yōu)勢，在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中占據(jù)了愈發(fā)重要的地位。傳統(tǒng)的基于晶閘管的直流輸電（LCC-HVDC）存在著諸如換流站需消耗大量無功、無法獨立控制有功和無功功率、對交流系統(tǒng)故障敏感等問題。在此背景下，柔性直流輸電技術（VSC-HVDC）應運而生。它采用電壓源型換流器（VSC）和脈寬調(diào)制（PWM）技術，實現(xiàn)了對有功和無功功率的獨立控制，并且具備快速響應、靈活調(diào)節(jié)、易于構成多端直流系統(tǒng)等優(yōu)點，在電網(wǎng)互聯(lián)、新能源接入、城市配電網(wǎng)等領域得到了廣泛應用。自20世紀90年代初基于絕緣柵雙極晶體管（IGBT）的VSC技術開始應用于風電場并網(wǎng)和孤島供電等領域以來，柔性直流輸電技術的發(fā)展日新月異。其容量和電壓等級不斷提升，應用范圍也持續(xù)擴大。例如，中國在柔性直流輸電領域取得了眾多突破性成果，張北柔直開啟了500千伏的柔性直流輸電高電壓，南方電網(wǎng)的烏東德水電站電壓等級更是達到了歷史新高的±800千伏，展現(xiàn)了該技術在大規(guī)模電力傳輸中的巨大潛力。然而，在柔性直流輸電系統(tǒng)的運行過程中，短路故障是一種嚴重威脅系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的故障類型。當柔性直流換流站發(fā)生短路故障時，會產(chǎn)生一系列復雜的電磁暫態(tài)過程，對換流站的設備和系統(tǒng)的正常運行造成極大影響。短路故障可能導致設備損壞，如換流閥、平波電抗器、直流斷路器等關鍵設備在短路電流的沖擊下，可能會出現(xiàn)過熱、絕緣損壞等問題，嚴重時甚至會引發(fā)設備燒毀，造成巨大的經(jīng)濟損失。短路故障還可能引發(fā)系統(tǒng)電壓大幅下降，影響電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，導致系統(tǒng)振蕩甚至崩潰，進而引發(fā)大面積停電事故，對社會生產(chǎn)和生活造成嚴重的負面影響。在短路工況下，直流場會產(chǎn)生復雜的磁場分布。這些磁場不僅會對直流場中的電氣設備產(chǎn)生影響，如影響設備的正常運行、縮短設備的使用壽命，還可能對周圍的通信系統(tǒng)、電子設備等產(chǎn)生電磁干擾，導致通信中斷、電子設備誤動作等問題。準確地對柔性直流換流站短路工況下的直流場磁場進行建模分析，對于深入了解短路故障的電磁暫態(tài)過程、評估設備的電磁兼容性、保障換流站的安全穩(wěn)定運行具有重要意義。通過建立精確的磁場模型，可以準確計算短路工況下直流場的磁場分布，為設備的設計和選型提供依據(jù)，優(yōu)化設備的布局和屏蔽措施，降低磁場對設備和周圍環(huán)境的影響。這有助于提高柔性直流輸電系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，促進該技術的進一步推廣和應用，對于推動能源結構的優(yōu)化和電力系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在柔性直流輸電技術的研究領域，眾多學者圍繞短路故障和直流場磁場特性開展了大量研究，取得了一定成果。在柔性直流換流站短路故障研究方面，許多學者針對不同類型的短路故障，如交流側短路、直流側短路以及換流器內(nèi)部短路等，對故障電流特性進行了深入分析。文獻[具體文獻1]通過建立詳細的柔性直流輸電系統(tǒng)模型，研究了交流側短路故障時的電流暫態(tài)過程，指出短路故障發(fā)生后，短路電流會迅速上升，其幅值和變化率受到系統(tǒng)參數(shù)、控制策略以及故障位置等多種因素的影響。文獻[具體文獻2]則聚焦于直流側短路故障，分析了故障電流的上升速度和峰值大小，提出了相應的故障檢測和保護策略。在短路故障的分析方法上，目前主要采用電磁暫態(tài)仿真軟件，如PSCAD/EMTDC、MATLAB/Simulink等，對短路故障進行仿真研究。這些軟件能夠較為準確地模擬短路故障的電磁暫態(tài)過程，但計算量大，且對于復雜系統(tǒng)的建模和分析存在一定的局限性。在直流場磁場建模方面，已有研究主要針對直流場中的關鍵設備，如換流閥、平波電抗器、直流母線等，采用數(shù)值計算方法，如有限元法、邊界元法等，對其磁場分布進行建模和分析。文獻[具體文獻3]運用有限元法對平波電抗器的磁場進行建模，研究了電抗器的結構參數(shù)對磁場分布的影響，發(fā)現(xiàn)電抗器的繞組匝數(shù)、氣隙大小等參數(shù)會顯著影響其周圍的磁場分布。文獻[具體文獻4]則利用邊界元法對直流母線的磁場進行分析，探討了母線的布置方式和電流大小對磁場的影響規(guī)律。然而，對于整個直流場在短路工況下的綜合磁場建模，目前的研究還相對較少。直流場中包含多種電氣設備，設備之間存在復雜的電磁耦合關系，傳統(tǒng)的單一設備建模方法難以準確反映整個直流場的磁場特性。在短路工況下直流場磁場特性分析方面，現(xiàn)有研究主要關注磁場對電氣設備的影響，如磁場對設備絕緣性能的影響、對設備電磁干擾的影響等。文獻[具體文獻5]研究了磁場對換流閥絕緣性能的影響，發(fā)現(xiàn)強磁場會導致?lián)Q流閥內(nèi)部電場分布不均勻，從而降低其絕緣性能。文獻[具體文獻6]則分析了磁場對直流場中電子設備的電磁干擾，提出了相應的屏蔽和防護措施。然而，對于磁場在直流場中的傳播特性以及不同位置處磁場的變化規(guī)律，目前的研究還不夠深入。直流場的空間結構復雜，磁場在其中的傳播會受到多種因素的影響，如設備的布局、金屬結構的屏蔽作用等，準確掌握磁場的傳播和變化規(guī)律對于評估直流場的電磁環(huán)境至關重要。綜上所述，目前對于柔性直流換流站短路工況下的研究，在短路故障分析和單設備磁場建模方面取得了一定成果，但在直流場綜合磁場建模以及磁場特性全面分析等方面仍存在不足。后續(xù)研究需要進一步完善直流場磁場建模方法，深入分析磁場在復雜工況下的特性，為柔性直流輸電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行提供更堅實的理論支持。1.3研究內(nèi)容與方法1.3.1研究內(nèi)容本研究旨在深入分析柔性直流換流站短路工況下的直流場磁場特性，具體研究內(nèi)容如下：柔性直流換流站設備建模：對柔性直流換流站中的關鍵設備，如混合式直流斷路器、平波電抗器、母線、電纜、接地網(wǎng)以及直流場金屬網(wǎng)等，進行詳細的電磁建模。考慮設備的結構參數(shù)、材料特性以及運行工況等因素，建立準確反映設備電磁特性的模型。對于混合式直流斷路器，分析其在短路故障時的開斷過程和電流變化，建立相應的電磁模型，以研究其在短路工況下的磁場分布特性；針對平波電抗器，考慮其繞組結構、鐵芯材料等因素，建立精確的磁場計算模型，分析其對直流場磁場分布的影響。短路故障電流特性分析：利用電磁暫態(tài)仿真軟件，如PSCAD/EMTDC或MATLAB/Simulink，對柔性直流換流站在不同類型短路故障（如單極短路、雙極短路等）下的電流特性進行仿真研究。分析短路故障發(fā)生瞬間電流的突變情況、電流的上升速率以及穩(wěn)態(tài)電流的大小等參數(shù)，為后續(xù)的直流場磁場分析提供準確的電流激勵源。通過仿真，獲取不同故障條件下的電流波形和數(shù)據(jù)，深入研究短路電流的變化規(guī)律及其與系統(tǒng)參數(shù)、控制策略之間的關系。直流場磁場分布計算與分析：基于建立的設備模型和獲取的短路故障電流數(shù)據(jù)，運用數(shù)值計算方法，如有限元法（FEM），對直流場在短路工況下的磁場分布進行精確計算。分析不同位置處的磁場強度、方向以及磁場的變化趨勢，研究磁場在直流場中的傳播特性和分布規(guī)律。重點關注直流場中對磁場敏感的區(qū)域和設備，評估磁場對這些區(qū)域和設備的影響程度。例如，分析磁場對換流閥絕緣性能的影響，研究磁場在直流母線附近的分布情況以及對周圍電子設備的電磁干擾等問題。多換流站案例分析：選取實際的柔性直流輸電工程中的換流站，如定海換流站和張北換流站，作為研究案例。根據(jù)工程實際參數(shù)和運行情況，建立相應的仿真模型，對短路工況下的直流場磁場進行具體分析。對比不同換流站在相同故障條件下的磁場特性差異，以及同一換流站在不同運行工況下的磁場變化情況，總結出具有普遍性的規(guī)律和結論。通過對實際案例的分析，驗證理論分析和仿真結果的準確性，為工程實際應用提供有力的支持。磁場抗擾度試驗與波形相關性分析：開展磁場抗擾度試驗，模擬短路工況下的磁場環(huán)境，對直流場中的電氣設備進行抗擾度測試。分析試驗中獲取的磁場波形與理論計算和仿真結果的相關性，驗證磁場建模和分析方法的正確性。通過試驗，進一步了解磁場對設備的實際影響，為制定有效的電磁防護措施提供依據(jù)。例如，通過對比試驗波形和仿真波形，分析兩者之間的差異和原因，優(yōu)化磁場建模和分析方法，提高分析結果的準確性。1.3.2研究方法本研究采用理論分析、仿真計算與試驗研究相結合的方法，全面深入地開展柔性直流換流站短路工況下直流場磁場建模分析工作：理論分析方法：基于電磁學基本原理，如麥克斯韋方程組、安培環(huán)路定律等，對柔性直流換流站短路工況下的電磁暫態(tài)過程進行理論推導和分析。建立數(shù)學模型，描述短路故障電流的變化規(guī)律以及直流場磁場的分布特性。運用電路理論、電磁感應原理等知識，分析換流站設備在短路工況下的電磁響應，為仿真計算和試驗研究提供理論基礎。通過理論分析，深入理解短路故障的本質和磁場產(chǎn)生的機理，為后續(xù)的研究提供指導。仿真計算方法：利用專業(yè)的電磁暫態(tài)仿真軟件，如PSCAD/EMTDC、MATLAB/Simulink等，建立柔性直流換流站的詳細仿真模型。在模型中考慮換流站的電氣結構、設備參數(shù)、控制策略以及短路故障類型等因素，對短路工況下的電流特性和直流場磁場分布進行仿真計算。通過仿真，可以快速、準確地獲取不同工況下的電磁暫態(tài)數(shù)據(jù)，為分析研究提供豐富的數(shù)據(jù)支持。同時，通過改變模型參數(shù)和運行條件，進行多組仿真試驗，研究各種因素對短路電流和磁場分布的影響規(guī)律。試驗研究方法：搭建試驗平臺，進行短路故障模擬試驗和磁場抗擾度試驗。在試驗中，采用實際的設備和元件，模擬真實的柔性直流換流站運行環(huán)境和短路故障場景。通過測量短路故障電流和直流場磁場的相關參數(shù)，獲取實際的試驗數(shù)據(jù)。將試驗數(shù)據(jù)與理論分析和仿真計算結果進行對比驗證，評估研究方法的準確性和可靠性。試驗研究還可以發(fā)現(xiàn)一些在理論分析和仿真中難以考慮到的實際問題，為進一步完善研究提供依據(jù)。例如，在試驗中可以觀察到設備在短路故障時的實際運行狀態(tài)和電磁干擾現(xiàn)象，這些信息對于深入理解柔性直流換流站的電磁特性具有重要意義。二、柔性直流換流站短路工況及直流場概述2.1柔性直流換流站工作原理柔性直流輸電技術作為現(xiàn)代電力傳輸領域的重要創(chuàng)新，其核心在于電壓源換流器（VSC）技術的應用。VSC是柔性直流換流站的關鍵設備，它采用了可關斷的全控型電力電子器件，如絕緣柵雙極晶體管（IGBT），與傳統(tǒng)的基于晶閘管的電流源換流器（LCC）有著本質區(qū)別。在LCC中，晶閘管僅能控制開通，不能控制關斷，需要依靠交流電網(wǎng)電壓自然換相，這限制了其在一些復雜工況下的應用。而VSC中的IGBT器件具有快速的開通和關斷能力，能夠實現(xiàn)對電流的靈活控制，為柔性直流輸電帶來了諸多優(yōu)勢。VSC的基本工作原理是基于PWM（脈寬調(diào)制）技術。通過對PWM調(diào)制波的精確控制，VSC可以將直流電壓轉換為具有特定幅值和相位的交流電壓，或者將交流電壓轉換為穩(wěn)定的直流電壓。在整流過程中，VSC將交流電網(wǎng)的電能轉換為直流電能，通過調(diào)節(jié)PWM波的相位和占空比，使換流器輸出的直流電壓穩(wěn)定在設定值。逆變過程則相反，VSC將直流電能轉換為交流電能并注入交流電網(wǎng)，同樣通過PWM技術精確控制輸出交流電壓的幅值和相位，以滿足電網(wǎng)的要求。以兩電平VSC為例，其拓撲結構由六個IGBT及其反并聯(lián)二極管組成三相橋臂。在工作時，通過控制不同橋臂上IGBT的開通和關斷順序及時間，實現(xiàn)直流側與交流側的能量轉換。當需要向交流電網(wǎng)輸送電能時，VSC根據(jù)電網(wǎng)電壓和頻率的要求，產(chǎn)生相應的PWM信號，控制IGBT的通斷，使交流側輸出符合要求的電壓和電流波形。在這個過程中，PWM技術起到了關鍵作用。它通過將直流電壓斬波成一系列寬度不同的脈沖，利用低通濾波器的作用，將這些脈沖合成近似正弦波的交流電壓。通過調(diào)節(jié)脈沖的寬度（即占空比）和相位，可以精確控制輸出交流電壓的幅值和相位，從而實現(xiàn)對有功功率和無功功率的獨立控制。換流站作為柔性直流輸電系統(tǒng)的核心樞紐，其基本構成包括換流器、換流變壓器、平波電抗器、交流濾波器、直流濾波器等設備。換流器實現(xiàn)了交直流電能的轉換，是換流站的核心部件。換流變壓器則用于實現(xiàn)換流器與交流電網(wǎng)之間的電氣隔離和電壓匹配，它將交流電網(wǎng)的電壓轉換為適合換流器工作的電壓等級，同時保證了系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。平波電抗器主要用于限制直流電流的變化率，減少直流電流中的諧波分量，使直流電流更加平穩(wěn)。交流濾波器用于濾除換流器產(chǎn)生的諧波電流，防止諧波電流進入交流電網(wǎng)，影響電網(wǎng)的電能質量。直流濾波器則用于濾除直流側的諧波電壓和電流，保證直流輸電的穩(wěn)定性和可靠性。在運行方式上，柔性直流換流站可以根據(jù)系統(tǒng)的需求靈活調(diào)整。當作為整流站運行時，換流站將交流電能轉換為直流電能，并通過直流輸電線路將電能輸送出去；當作為逆變站運行時，換流站將直流電能轉換為交流電能并注入交流電網(wǎng)。換流站還可以根據(jù)系統(tǒng)的無功需求，靈活調(diào)節(jié)自身的無功功率輸出，為交流電網(wǎng)提供無功支撐，提高電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性。在新能源接入場景中，當風力發(fā)電或光伏發(fā)電產(chǎn)生的電能通過柔性直流換流站接入電網(wǎng)時，換流站可以根據(jù)新能源發(fā)電的出力情況，快速調(diào)整有功和無功功率的控制策略，確保新能源電能的穩(wěn)定輸送和電網(wǎng)的安全運行。2.2短路工況類型及危害2.2.1短路工況類型在柔性直流換流站的實際運行過程中，可能遭遇多種類型的短路故障，每種故障的發(fā)生場景和原因都具有獨特性。交流側短路是較為常見的一種短路故障類型。當交流系統(tǒng)中的設備絕緣老化、遭受雷擊、外力破壞等情況時，就可能引發(fā)交流側短路。例如，在一些惡劣天氣條件下，如暴雨、大風等，交流線路的絕緣子可能會被擊穿，導致線路相間短路或對地短路。在交流系統(tǒng)中，由于設備的長期運行，電氣設備的絕緣性能會逐漸下降，當絕緣強度無法承受系統(tǒng)電壓時，就會發(fā)生絕緣擊穿，進而引發(fā)交流側短路故障。根據(jù)短路的具體情況，交流側短路又可細分為三相短路、兩相短路和單相接地短路等不同形式。三相短路是指三相交流線路同時發(fā)生短路，這種短路故障的危害最為嚴重，會導致短路電流瞬間急劇增大，對系統(tǒng)的沖擊極大。兩相短路則是指兩相交流線路之間發(fā)生短路，其短路電流和危害程度相對三相短路略小，但仍然會對系統(tǒng)的正常運行造成較大影響。單相接地短路是指單相交流線路與大地之間發(fā)生短路，這種短路故障在交流系統(tǒng)中較為常見，雖然其短路電流相對較小，但如果不及時處理，可能會發(fā)展為更為嚴重的短路故障。直流側短路同樣是柔性直流換流站運行中需要重點關注的故障類型。直流側短路可分為單極短路和雙極短路。單極短路通常是由于直流線路的絕緣損壞、直流設備故障等原因引起的。在直流輸電線路中，由于長期受到電、熱、機械等多種應力的作用，線路絕緣可能會逐漸劣化，當絕緣性能下降到一定程度時，就容易發(fā)生單極接地短路故障。此外，直流側的設備，如直流斷路器、平波電抗器等，如果出現(xiàn)內(nèi)部故障，也可能引發(fā)單極短路。雙極短路則是指直流系統(tǒng)的正、負極同時發(fā)生短路，這種故障發(fā)生的概率相對較低，但一旦發(fā)生，其危害極大。雙極短路往往是由于嚴重的設備故障或極端的外部因素導致的，例如，換流站遭受嚴重的雷擊或地震等自然災害，可能會使直流系統(tǒng)的正、負極設備同時受損，從而引發(fā)雙極短路。換流器內(nèi)部短路也是一種不容忽視的短路故障類型。換流器作為柔性直流換流站的核心設備，其內(nèi)部結構復雜，包含大量的電力電子器件和電路元件。當換流器內(nèi)部的IGBT器件出現(xiàn)故障，如過電壓擊穿、過電流燒毀等，或者控制電路出現(xiàn)異常，導致器件的開通和關斷順序錯誤時，就可能引發(fā)換流器內(nèi)部短路。在換流器的運行過程中，如果散熱系統(tǒng)出現(xiàn)故障，導致IGBT器件溫度過高，也會降低其性能，增加短路故障的發(fā)生風險。換流器內(nèi)部短路會對換流站的正常運行造成嚴重影響，甚至可能導致整個換流站癱瘓。2.2.2短路危害分析短路故障一旦發(fā)生，會對柔性直流換流站的設備和電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性帶來嚴重的危害。短路故障會產(chǎn)生強大的過電流，對換流站的設備造成直接損壞。以換流閥為例，換流閥由多個IGBT器件串聯(lián)組成，在正常運行時，IGBT器件按照一定的控制策略開通和關斷，實現(xiàn)交直流電能的轉換。當短路故障發(fā)生時，短路電流會迅速上升，其幅值可能遠遠超過換流閥的額定電流。過大的電流會在IGBT器件中產(chǎn)生大量的熱量，導致器件溫度急劇升高。如果散熱系統(tǒng)無法及時將這些熱量散發(fā)出去，IGBT器件就可能會因過熱而損壞，如出現(xiàn)芯片燒毀、焊點熔化等問題。這不僅會導致?lián)Q流閥無法正常工作，還可能引發(fā)連鎖反應，影響整個換流站的運行。平波電抗器在柔性直流輸電系統(tǒng)中起著限制直流電流變化率、減少諧波分量的重要作用。在短路工況下，平波電抗器會承受巨大的電流沖擊。由于短路電流的快速變化，平波電抗器的鐵芯可能會出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，導致其電感值下降，無法有效地限制電流變化。過大的電流還可能使平波電抗器的繞組受到機械應力的作用，導致繞組變形、絕緣損壞等問題。如果平波電抗器損壞，直流電流中的諧波分量將會增加，影響電能質量，同時也會對其他設備的正常運行產(chǎn)生不利影響。短路故障還會引發(fā)過電壓問題，對設備的絕緣性能造成嚴重威脅。在短路瞬間，由于電流的急劇變化，會在電路中產(chǎn)生電磁暫態(tài)過程，導致電壓大幅升高。這種過電壓可能會超過設備的絕緣耐受水平，使設備的絕緣層被擊穿。對于直流母線來說，其絕緣一旦受損，就可能導致直流系統(tǒng)接地故障，進一步影響系統(tǒng)的正常運行。過電壓還可能對直流場中的其他設備，如直流濾波器、測量設備等造成損壞，影響設備的測量精度和可靠性。從電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的角度來看，短路故障會對系統(tǒng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生嚴重的破壞。當柔性直流換流站發(fā)生短路故障時，會導致系統(tǒng)的功率平衡被打破，引起系統(tǒng)電壓大幅下降。這可能會導致系統(tǒng)中的其他設備，如發(fā)電機、電動機等，因電壓過低而無法正常運行。短路故障還可能引發(fā)系統(tǒng)振蕩，使系統(tǒng)的頻率發(fā)生波動。如果振蕩得不到及時抑制，系統(tǒng)可能會失去同步，導致電力系統(tǒng)崩潰，引發(fā)大面積停電事故。在一個包含多個柔性直流換流站的大型電力系統(tǒng)中，某一換流站發(fā)生短路故障，可能會通過輸電線路的電氣聯(lián)系，影響到其他換流站和整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性，造成連鎖反應，使事故范圍擴大。2.3直流場的構成與作用直流場是柔性直流換流站中實現(xiàn)直流電能傳輸、分配和控制的關鍵區(qū)域，其主要設備包括直流斷路器、平波電抗器、母線、電纜、接地網(wǎng)和直流場金屬網(wǎng)等，這些設備相互協(xié)作，共同保障直流輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。直流斷路器是直流場中的關鍵保護設備，在正常運行時，它能夠可靠地導通直流電流，確保電力的正常傳輸。而當直流系統(tǒng)發(fā)生短路故障時，直流斷路器需要迅速動作，在極短的時間內(nèi)切斷故障電流，防止故障的進一步擴大。以混合式直流斷路器為例，它通常由機械開關和電力電子開關組成。在正常運行狀態(tài)下，機械開關承擔主要的通流任務，因為其導通電阻較小，能夠降低能量損耗。當檢測到短路故障時，電力電子開關迅速動作，在微秒級的時間內(nèi)實現(xiàn)電流的轉移，然后機械開關在電流過零后迅速分閘，完成整個開斷過程。這種混合式結構結合了機械開關和電力電子開關的優(yōu)點，既能夠實現(xiàn)快速開斷，又能降低正常運行時的損耗。平波電抗器在直流輸電中起著至關重要的作用，它主要用于限制直流電流的變化率。在柔性直流輸電系統(tǒng)中，由于換流器采用PWM調(diào)制技術，直流電流中會包含一定的諧波分量。平波電抗器通過其電感特性，對電流的變化產(chǎn)生阻礙作用，使得直流電流的變化更加平緩，減少了電流的波動。當換流器的工作狀態(tài)發(fā)生變化時，如調(diào)制比或相位的調(diào)整，可能會導致直流電流瞬間發(fā)生較大變化。平波電抗器能夠有效地抑制這種變化，使直流電流保持相對穩(wěn)定，從而保證直流輸電的穩(wěn)定性。平波電抗器還可以減少直流電流中的諧波分量，提高電能質量。它與直流濾波器配合使用，能夠更好地濾除諧波，為直流輸電線路提供更加純凈的直流電流。母線和電纜是直流場中用于傳輸直流電能的重要設備。母線通常采用銅或鋁等導電性能良好的材料制成，具有較大的截面積，能夠承載較大的電流。它將各個設備連接在一起，實現(xiàn)電能的分配和傳輸。在直流場中，母線的布局和設計需要考慮到電流分布、散熱和電磁兼容性等因素。合理的母線布局可以減少電阻損耗和電磁干擾，提高系統(tǒng)的效率和可靠性。電纜則常用于需要靈活布線或對電磁環(huán)境要求較高的場合，如地下輸電或靠近敏感設備的區(qū)域。直流電纜需要具備良好的絕緣性能和耐熱性能，以確保在高電壓和大電流的條件下安全運行。隨著電纜技術的不斷發(fā)展，新型的直流電纜不斷涌現(xiàn)，其絕緣材料和結構設計不斷優(yōu)化，能夠滿足更高電壓等級和更大容量的輸電需求。接地網(wǎng)在直流場中主要起到保護設備和人員安全的作用。它通過將設備的金屬外殼、架構等與大地可靠連接，為故障電流提供一個低阻抗的通路。當設備發(fā)生絕緣故障時，接地網(wǎng)能夠迅速將故障電流引入大地，避免人員觸電和設備損壞。接地網(wǎng)的設計需要考慮土壤電阻率、接地電阻要求等因素。在土壤電阻率較高的地區(qū)，可能需要采用特殊的接地材料或增加接地極的數(shù)量和深度，以降低接地電阻，確保接地效果。接地網(wǎng)還可以起到平衡電位的作用，減少不同設備之間的電位差，防止因電位差引起的電氣事故。直流場金屬網(wǎng)是一種用于屏蔽電磁干擾的設備，它通常由金屬導體編織而成，覆蓋在直流場的周圍或特定區(qū)域。在柔性直流換流站中，由于存在大量的電氣設備和高頻電磁信號，會產(chǎn)生較強的電磁干擾。直流場金屬網(wǎng)能夠有效地阻擋和衰減這些電磁干擾，保護站內(nèi)設備的正常運行和周圍電子設備的安全。金屬網(wǎng)的屏蔽效果與網(wǎng)孔大小、金屬材料的導電性和厚度等因素有關。通過合理選擇金屬網(wǎng)的參數(shù)，可以提高其屏蔽效能，滿足不同的電磁兼容性要求。在一些對電磁環(huán)境要求較高的場合，如通信設備室或高精度測量設備附近，會設置專門的金屬屏蔽網(wǎng)，以確保這些設備不受直流場電磁干擾的影響。三、直流場電氣設備磁場建模方法3.1混合式直流斷路器磁場建模3.1.1結構與工作原理混合式直流斷路器融合了機械開關和電力電子器件的優(yōu)勢，其內(nèi)部結構較為復雜。從整體架構來看，主要由主通流支路、轉移支路和耗能支路這三個關鍵部分構成。主通流支路通常由機械開關組成，在正常運行狀態(tài)下，機械開關承擔著導通直流電流的重任。機械開關具有較低的導通電阻，這使得在正常通流時的能量損耗得以有效降低，確保了系統(tǒng)的高效運行。例如，ABB公司研發(fā)的某款混合式直流斷路器，其主通流支路采用了特殊設計的機械開關，在額定電流下的導通電阻可低至毫歐級別，大大減少了正常運行時的功率損耗。轉移支路則主要由電力電子器件，如絕緣柵雙極晶體管（IGBT）或晶閘管等組成。當檢測到短路故障發(fā)生時，電力電子器件迅速動作，在極短的時間內(nèi)實現(xiàn)電流的轉移。以IGBT為例，其具有快速的開關特性，能夠在微秒級的時間內(nèi)完成開通和關斷操作。在短路故障瞬間，IGBT快速導通，將故障電流從主通流支路轉移到轉移支路，為后續(xù)的故障處理奠定基礎。耗能支路一般包含金屬氧化物避雷器（MOV）等耗能元件。當故障電流轉移到耗能支路后，MOV利用其非線性電阻特性，將故障電流限制在安全范圍內(nèi)，并通過自身的熱容量吸收能量，從而實現(xiàn)故障電流的快速切斷和能量的安全耗散。例如，在一些高壓混合式直流斷路器中，MOV能夠在短時間內(nèi)承受數(shù)倍于額定電流的故障電流，并將其能量轉化為熱能散發(fā)出去，確保斷路器的可靠關斷。在開斷過程中，當檢測到短路故障時，控制信號首先觸發(fā)轉移支路中的電力電子器件快速開通。由于電力電子器件的開通速度極快，能夠在極短的時間內(nèi)建立起低阻抗的電流通路，使得故障電流迅速從主通流支路轉移到轉移支路。隨著電流的轉移，主通流支路中的機械開關開始動作，逐漸分閘。在機械開關分閘的過程中，由于電流已經(jīng)大部分轉移到轉移支路，機械開關觸頭間的電弧能量大大減小，從而降低了電弧對觸頭的燒蝕程度。當機械開關完全分閘后，故障電流全部由轉移支路和耗能支路承擔。此時，耗能支路中的MOV開始發(fā)揮作用，將故障電流限制在安全范圍內(nèi)，并逐漸吸收故障電流攜帶的能量，直到故障電流完全被切斷。在關合過程中，首先控制電力電子器件處于截止狀態(tài)，然后控制機械開關合閘。由于機械開關的合閘速度相對較慢，在合閘過程中不會產(chǎn)生過大的沖擊電流。當機械開關合閘到位后，再控制電力電子器件開通，使電流逐漸轉移到主通流支路，完成關合過程。在整個關合過程中，通過合理控制電力電子器件和機械開關的動作順序，確保了關合操作的平穩(wěn)進行，避免了對系統(tǒng)造成過大的沖擊。3.1.2磁場建模思路基于電磁理論建立混合式直流斷路器的磁場模型時，需要充分考慮多個關鍵因素。電流分布是影響磁場分布的重要因素之一。在混合式直流斷路器中，不同支路在正常運行和短路故障時的電流大小和方向會發(fā)生變化。在正常運行時，主通流支路承載主要電流，而在短路故障時，電流會迅速轉移到轉移支路和耗能支路。因此，需要準確分析不同工況下各支路的電流分布情況，以便為磁場計算提供準確的電流激勵?？梢酝ㄟ^電路分析方法，結合基爾霍夫定律等電路理論，建立電路模型，求解不同工況下各支路的電流值。磁導率也是不可忽視的因素。斷路器中的不同材料，如鐵芯、繞組、外殼等，具有不同的磁導率。鐵芯通常采用高磁導率的材料，如硅鋼片，以增強磁場的集中和傳導。而繞組和外殼等部分的磁導率則相對較低。在建模過程中，需要根據(jù)實際材料的特性，準確設定各部分的磁導率參數(shù)，以確保磁場模型的準確性?？梢酝ㄟ^查閱材料手冊或進行實驗測量，獲取各材料的磁導率數(shù)據(jù)。有限元分析軟件，如ANSYSMaxwell、COMSOLMultiphysics等，為混合式直流斷路器的磁場建模提供了強大的工具。以ANSYSMaxwell為例，在使用該軟件進行建模時，首先需要對斷路器的幾何結構進行精確建模。根據(jù)斷路器的實際尺寸和形狀，利用軟件的建模工具繪制出主通流支路、轉移支路、耗能支路以及其他相關部件的幾何模型。在建模過程中，要注意準確反映各部件的相對位置和連接關系，確保幾何模型的準確性。接著，對模型進行材料屬性設置。根據(jù)前面獲取的材料磁導率等參數(shù)，在軟件中為各部件賦予相應的材料屬性。對于鐵芯部分，設置其高磁導率特性；對于繞組和外殼等部分，設置其相應的磁導率和電導率等屬性。然后，定義邊界條件和激勵源。邊界條件的設置需要考慮實際的物理環(huán)境，例如可以將模型的外部邊界設置為磁通量為零的邊界條件，以模擬實際的無限遠磁場環(huán)境。激勵源則根據(jù)前面分析得到的電流分布情況，在相應的支路中設置電流激勵，確保激勵源的準確性。完成上述設置后，即可進行網(wǎng)格劃分。合理的網(wǎng)格劃分對于計算結果的準確性和計算效率至關重要。在劃分網(wǎng)格時，需要根據(jù)模型的幾何形狀和磁場分布的特點，對關鍵區(qū)域，如觸頭附近、繞組內(nèi)部等，進行加密網(wǎng)格劃分，以提高計算精度。而對于一些磁場變化較為平緩的區(qū)域，可以適當增大網(wǎng)格尺寸，以減少計算量。最后，進行求解計算。通過軟件的求解器，對建立的磁場模型進行求解，得到斷路器在不同工況下的磁場分布結果。可以通過軟件的后處理功能，直觀地查看磁場強度、磁力線分布等結果，并進行分析和研究。例如，可以繪制不同截面的磁場強度分布圖，觀察磁場在斷路器內(nèi)部的分布規(guī)律；還可以分析磁場隨時間的變化情況，研究短路故障過程中磁場的動態(tài)特性。3.2平波電抗器磁場建模3.2.1結構與工作原理平波電抗器在柔性直流輸電系統(tǒng)中扮演著不可或缺的角色，其結構形式主要包括空心電抗器和鐵心電抗器兩種，這兩種類型的電抗器在結構和工作原理上既有相似之處，也存在一些差異?？招碾娍蛊鞯慕Y構相對較為簡單，它主要由繞組構成，繞組通常采用多層螺旋式或餅式結構。多層螺旋式繞組是將導線沿著圓周方向一層一層地繞制而成，各層之間通過絕緣材料進行隔離，以確保電氣絕緣性能。這種結構的優(yōu)點是繞制工藝相對簡單，能夠滿足較大電流的傳輸需求。餅式繞組則是將繞組分成若干個餅狀單元，每個餅狀單元之間通過絕緣材料隔開，然后將這些餅狀單元依次疊放組成電抗器。餅式繞組的優(yōu)點是散熱性能較好，能夠有效地降低繞組的溫度，提高電抗器的運行可靠性?？招碾娍蛊鳑]有鐵心，這使得其電感值相對較小，但它具有線性度好、無鐵心飽和問題等優(yōu)點。在工作時，空心電抗器利用繞組自身的電感特性來限制電流的變化。當直流電流通過繞組時，會在繞組周圍產(chǎn)生磁場，根據(jù)電磁感應定律，磁場的變化會在繞組中產(chǎn)生感應電動勢，該感應電動勢會阻礙電流的變化，從而起到平滑電流的作用。由于空心電抗器沒有鐵心，其磁場分布較為均勻，不會出現(xiàn)鐵心飽和導致的電感值變化問題，因此在一些對電感線性度要求較高的場合得到了廣泛應用。鐵心電抗器則在空心電抗器的基礎上增加了鐵心。鐵心通常采用高磁導率的硅鋼片疊壓而成，這種材料能夠有效地增強磁場的強度，提高電抗器的電感值。硅鋼片的疊壓方式有多種，常見的有交錯疊片和對齊疊片等。交錯疊片方式能夠減少鐵心的磁阻，提高磁場的利用率；對齊疊片方式則具有結構簡單、制造方便等優(yōu)點。鐵心電抗器的繞組繞制在鐵心上，其結構形式也有多種，如圓筒式、分段式等。圓筒式繞組是將繞組繞制成圓筒狀，套在鐵心上，這種結構的優(yōu)點是繞組的機械強度較高，能夠承受較大的電磁力。分段式繞組則是將繞組分成若干段，分別繞制在鐵心上，然后通過絕緣材料將各段連接起來，這種結構的優(yōu)點是便于調(diào)整繞組的匝數(shù)和電感值。鐵心電抗器的工作原理是基于電磁感應原理，當直流電流通過繞組時，會在鐵心中產(chǎn)生磁通，由于鐵心的高磁導率，磁通會集中在鐵心中，從而增強了磁場的強度。根據(jù)電磁感應定律，磁場的變化會在繞組中產(chǎn)生感應電動勢，該感應電動勢會阻礙電流的變化，實現(xiàn)對直流電流的平滑作用。與空心電抗器相比，鐵心電抗器的電感值較大，能夠更有效地抑制直流電流的波動，但由于鐵心存在飽和問題，當電流過大時，鐵心會飽和，導致電感值下降，影響電抗器的性能。在抑制直流電流波動方面，平波電抗器主要利用其電感特性來實現(xiàn)。根據(jù)電磁感應定律，電感對電流的變化具有阻礙作用，其阻礙作用的大小與電感值和電流變化率成正比。當直流電流中存在波動時，平波電抗器的電感會產(chǎn)生感應電動勢，該感應電動勢會與電流波動的方向相反，從而抵消部分電流波動，使直流電流更加平滑。在柔性直流輸電系統(tǒng)中，換流器采用PWM調(diào)制技術，會在直流電流中產(chǎn)生一定的諧波分量。平波電抗器能夠對這些諧波分量產(chǎn)生較大的阻抗，使諧波電流大部分流經(jīng)電抗器，而較少流入直流輸電線路，從而減少了直流電流中的諧波含量，提高了電能質量。平波電抗器還可以限制直流電流的上升速率，當系統(tǒng)發(fā)生短路故障或其他異常情況時，能夠有效地抑制電流的快速上升，保護系統(tǒng)中的其他設備。3.2.2磁場建模思路建立平波電抗器的磁場模型是深入研究其電磁特性的關鍵步驟，這一過程需要綜合考慮多個關鍵參數(shù)，并運用電磁學的基本定律。繞組匝數(shù)是影響平波電抗器磁場的重要參數(shù)之一。繞組匝數(shù)越多，通過相同電流時產(chǎn)生的磁動勢就越大，從而在電抗器周圍產(chǎn)生的磁場強度也就越強。根據(jù)安培環(huán)路定律，磁動勢等于電流與繞組匝數(shù)的乘積，即F=NI，其中F表示磁動勢，N表示繞組匝數(shù)，I表示電流。在建立磁場模型時，需要準確確定繞組匝數(shù)，以確保模型能夠準確反映電抗器的磁場特性。對于不同結構的平波電抗器，如空心電抗器和鐵心電抗器，繞組匝數(shù)的計算方法可能會有所不同。對于空心電抗器，繞組匝數(shù)通常可以通過直接測量或根據(jù)設計圖紙確定；對于鐵心電抗器，由于鐵心的存在會影響磁場分布，可能需要考慮鐵心的磁導率等因素來精確計算繞組匝數(shù)。電流大小直接決定了磁動勢的大小，進而影響磁場的強度。在柔性直流輸電系統(tǒng)中，平波電抗器中的電流會隨著系統(tǒng)運行狀態(tài)的變化而發(fā)生改變。在正常運行時，電流處于額定值附近；而當系統(tǒng)發(fā)生短路故障時，電流會急劇增大。在建模過程中，需要考慮不同工況下的電流大小，以全面分析電抗器的磁場特性?？梢酝ㄟ^對系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)的監(jiān)測和分析，獲取不同工況下的電流值，并將其作為磁場模型的輸入?yún)?shù)。同時，還需要考慮電流的變化率對磁場的影響，因為電流的快速變化會導致磁場的快速變化，進而產(chǎn)生感應電動勢等電磁現(xiàn)象。磁導率是描述材料導磁性能的物理量，對于平波電抗器的磁場建模至關重要。空心電抗器主要由空氣和繞組構成，空氣的磁導率接近真空磁導率，相對較??；而鐵心電抗器中的鐵心采用高磁導率的硅鋼片，其磁導率遠大于空氣磁導率。在建模時，需要根據(jù)電抗器的具體結構和材料，準確設定各部分的磁導率。對于鐵心部分，由于硅鋼片的磁導率并非恒定值，而是與磁場強度有關，因此需要考慮磁導率的非線性特性。可以通過查閱硅鋼片的磁導率曲線，獲取不同磁場強度下的磁導率值，并在模型中進行相應的設置。對于繞組和其他非導磁部分，通?？梢詫⑵浯艑试O置為真空磁導率。基于電磁感應定律和安培環(huán)路定律建立磁場模型是一種常用的方法。電磁感應定律描述了磁場變化與感應電動勢之間的關系，即e=-N\frac{d\varPhi}{dt}，其中e表示感應電動勢，N表示繞組匝數(shù)，\varPhi表示磁通量，t表示時間。安培環(huán)路定律則表明，磁場強度沿任意閉合路徑的線積分等于穿過該閉合路徑的電流的代數(shù)和，即\ointH\cdotdl=\sumI，其中H表示磁場強度，dl表示閉合路徑上的微元矢量，\sumI表示穿過閉合路徑的電流總和。在建立平波電抗器的磁場模型時，可以將電抗器劃分為多個微小的單元，對每個單元應用安培環(huán)路定律，計算出該單元的磁場強度。然后，根據(jù)電磁感應定律，計算出各單元之間的感應電動勢，進而得到整個電抗器的磁場分布。在實際計算過程中，由于平波電抗器的結構較為復雜，直接應用電磁感應定律和安培環(huán)路定律進行解析計算往往比較困難，通常需要采用數(shù)值計算方法，如有限元法、邊界元法等。以有限元法為例，首先將平波電抗器的幾何模型離散化為有限個單元，然后對每個單元建立電磁方程，通過求解這些方程得到各單元的磁場強度和磁通量等參數(shù)，最后通過對各單元結果的合成，得到整個電抗器的磁場分布。3.3母線、電纜和接地網(wǎng)磁場建模3.3.1結構與工作原理母線作為直流場中承載大電流的關鍵部件，其材質通常選用高導電性的銅或鋁。銅母線具有出色的導電性和良好的機械性能，能有效降低電阻損耗，在對輸電效率要求較高的場合應用廣泛。而鋁母線則因其成本相對較低、質量較輕，在一些對成本較為敏感且對電流承載能力要求適中的場景中得到了大量使用。母線的形狀常見的有矩形和圓形。矩形母線具有較大的散熱面積，有利于在大電流傳輸過程中散發(fā)產(chǎn)生的熱量，提高母線的載流能力。在一些大型換流站中，由于傳輸電流較大，常采用寬厚比合適的矩形母線，以滿足散熱和載流的需求。圓形母線則在電場分布方面具有優(yōu)勢，其周圍的電場分布較為均勻，可減少電場集中現(xiàn)象，降低電暈放電等問題的發(fā)生概率，常用于對電場均勻性要求較高的場合。電纜的結構相對復雜，它由導體、絕緣層、屏蔽層和護套等部分組成。導體是電纜傳輸電流的核心部分，同樣采用高導電性的金屬材料，如銅或鋁。絕緣層則起到隔離導體與外界環(huán)境的作用，防止電流泄漏和短路故障的發(fā)生。常見的絕緣材料有交聯(lián)聚乙烯（XLPE）、聚氯乙烯（PVC）等。XLPE絕緣材料具有優(yōu)異的電氣性能、機械性能和耐熱性能，在中高壓電纜中應用廣泛；PVC絕緣材料則成本較低，常用于低壓電纜。屏蔽層通常由金屬帶或金屬網(wǎng)構成，其作用是屏蔽電纜內(nèi)部產(chǎn)生的電磁場，防止對周圍設備產(chǎn)生電磁干擾，同時也能抵御外界電磁場對電纜內(nèi)部信號的影響。護套則是電纜的最外層保護結構，主要起到保護電纜內(nèi)部結構免受機械損傷、化學腐蝕和環(huán)境因素影響的作用，常見的護套材料有聚乙烯（PE）、聚氯乙烯（PVC）等。接地網(wǎng)的布局設計需要綜合考慮換流站的場地條件、土壤特性以及設備分布等因素。在大型換流站中，接地網(wǎng)通常采用網(wǎng)格狀布局，通過水平接地極和垂直接地極相互連接，形成一個龐大的接地網(wǎng)絡。水平接地極一般采用扁鋼或圓鋼，埋設在地下一定深度，起到均勻分布接地電流的作用。垂直接地極則通常采用角鋼或鋼管，打入地下更深的位置，以增加接地網(wǎng)與大地的接觸面積，降低接地電阻。接地原理基于歐姆定律，當設備發(fā)生故障時，故障電流通過接地網(wǎng)流入大地，由于接地網(wǎng)的電阻遠小于人體電阻和其他設備的對地電阻，大部分故障電流會通過接地網(wǎng)流入大地，從而保護人員和設備的安全。在土壤電阻率較高的地區(qū)，為了降低接地電阻，可能會采用特殊的接地材料，如降阻劑，或者增加接地極的數(shù)量和長度，以提高接地效果。3.3.2磁場建模思路建立母線、電纜和接地網(wǎng)的磁場模型時，需全面考慮多種關鍵因素。對于導體的幾何形狀，母線的矩形或圓形結構，以及電纜的多芯結構和復雜的絕緣層、屏蔽層布局，都會對磁場分布產(chǎn)生顯著影響。在實際建模中，需精確描述這些幾何形狀，以便準確計算磁場。對于矩形母線，需明確其長度、寬度和厚度等參數(shù)；對于圓形母線，要確定其半徑等參數(shù)。對于電纜，要詳細描述導體的數(shù)量、直徑，絕緣層和屏蔽層的厚度、材質等參數(shù)。電流分布也是建模過程中不可忽視的因素。在母線和電纜中，電流并非均勻分布，尤其是在高頻情況下，集膚效應會使電流集中在導體表面，導致電流分布不均勻。在接地網(wǎng)中，電流會通過不同的接地極和接地路徑流入大地，其分布也較為復雜。為了準確分析電流分布，可采用數(shù)值計算方法，如有限元法（FEM）或邊界元法（BEM）。以有限元法為例，首先將導體和接地網(wǎng)離散為有限個單元，然后對每個單元建立電流分布方程，通過求解這些方程得到各單元的電流密度，進而得到整個導體和接地網(wǎng)的電流分布情況。土壤電導率是影響接地網(wǎng)磁場的重要因素之一。不同地區(qū)的土壤電導率差異較大，其值受到土壤類型、含水量、溫度等多種因素的影響。在建模時，需要準確獲取土壤電導率的數(shù)值?？梢酝ㄟ^現(xiàn)場測量，使用專業(yè)的土壤電導率測量儀器，在換流站場地的不同位置進行測量，以獲取土壤電導率的分布情況。也可以參考當?shù)氐牡刭|資料，了解土壤的類型和特性，從而估算土壤電導率。在一些復雜的地質條件下，可能需要采用分層土壤模型，考慮不同土層的電導率差異，以更準確地描述接地網(wǎng)周圍的電磁環(huán)境。運用邊界元法求解磁場時，首先將磁場問題轉化為邊界積分方程。對于母線和電纜，可將其表面作為邊界，根據(jù)麥克斯韋方程組和邊界條件，建立邊界積分方程。對于接地網(wǎng)，可將接地網(wǎng)與土壤的交界面作為邊界，同樣建立邊界積分方程。然后，通過離散化邊界，將邊界積分方程轉化為代數(shù)方程組進行求解。在離散化過程中，需要合理選擇邊界單元的形狀和大小，以保證計算精度和效率。對于形狀復雜的母線和電纜，可能需要采用高階邊界單元，以更好地擬合其幾何形狀；對于接地網(wǎng)，可根據(jù)其網(wǎng)格狀布局，采用合適的邊界單元進行離散化。通過求解代數(shù)方程組，得到邊界上的磁場強度和磁通量等參數(shù)，進而通過插值計算得到整個區(qū)域的磁場分布。3.4直流場金屬網(wǎng)磁場建模3.4.1結構與工作原理直流場金屬網(wǎng)通常采用金屬導線編織而成，其結構形式多樣，常見的有正方形網(wǎng)格和菱形網(wǎng)格。在實際應用中，網(wǎng)格尺寸會根據(jù)具體的屏蔽需求進行設計，一般來說，網(wǎng)格尺寸越小，屏蔽效果越好，但同時也會增加材料成本和制作難度。金屬網(wǎng)的金屬材質多選用導電性良好的銅或鋁，銅具有較高的電導率和良好的抗氧化性能，能夠有效地傳導電流，減少能量損耗，在對屏蔽性能要求較高的場合應用廣泛；鋁則因其成本相對較低、質量較輕，在一些對成本較為敏感的項目中得到了大量使用。在屏蔽電磁干擾方面，直流場金屬網(wǎng)主要基于電磁感應原理和趨膚效應來工作。當外界的電磁干擾信號傳播到金屬網(wǎng)時，由于電磁感應，金屬網(wǎng)內(nèi)會產(chǎn)生感應電流。根據(jù)楞次定律，感應電流所產(chǎn)生的磁場方向與外界干擾磁場的方向相反，從而對干擾磁場起到抵消和屏蔽的作用。當頻率較高的電磁干擾信號入射到金屬網(wǎng)上時，趨膚效應會使感應電流集中在金屬網(wǎng)的表面薄層流動。由于電流在金屬表面流動時會產(chǎn)生電阻損耗，將電磁能量轉化為熱能，從而進一步削弱了干擾信號的強度，使得透過金屬網(wǎng)的電磁干擾大幅減小。在高頻情況下，金屬網(wǎng)對電磁干擾的屏蔽效果更為顯著。3.4.2磁場建模思路建立直流場金屬網(wǎng)的磁場模型時，需要充分考慮其幾何參數(shù)和電磁特性等因素。幾何參數(shù)方面，金屬網(wǎng)的網(wǎng)格尺寸、導線直徑和金屬網(wǎng)的層數(shù)等都會對磁場分布產(chǎn)生影響。較小的網(wǎng)格尺寸能夠更有效地阻擋電磁波的傳播，因為網(wǎng)格尺寸越小，金屬網(wǎng)對電磁波的散射和吸收作用就越強。導線直徑的大小會影響金屬網(wǎng)的電阻和電感特性，進而影響感應電流的大小和分布，從而改變磁場的屏蔽效果。對于多層金屬網(wǎng)結構，各層之間的間距和相對位置關系也需要精確考慮，不同的層間距和排列方式會導致各層金屬網(wǎng)之間的電磁耦合情況不同，從而影響整個金屬網(wǎng)結構的屏蔽性能。電磁特性方面，金屬網(wǎng)的電導率和磁導率是關鍵參數(shù)。電導率決定了金屬網(wǎng)中感應電流的大小和分布，電導率越高，感應電流越大，對電磁干擾的屏蔽效果就越好。磁導率則影響金屬網(wǎng)對磁場的響應特性，對于一些具有磁性的金屬材料制成的金屬網(wǎng)，磁導率的變化會導致磁場在金屬網(wǎng)中的傳播和分布發(fā)生改變。在建模過程中，需要準確獲取金屬網(wǎng)材料的電導率和磁導率數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可以通過實驗測量或查閱相關材料手冊獲得。運用傳輸線理論和電磁場理論進行分析是建立金屬網(wǎng)磁場模型的重要方法。基于傳輸線理論，可以將金屬網(wǎng)看作是由無數(shù)個微小的傳輸線單元組成，每個單元都具有一定的電阻、電感、電容和電導特性。通過建立傳輸線方程，分析電磁波在金屬網(wǎng)中的傳播特性，包括電磁波的反射、透射和衰減等。在分析過程中，需要考慮金屬網(wǎng)的邊界條件和激勵源，根據(jù)實際情況確定電磁波的入射方向和強度。利用電磁場理論，如麥克斯韋方程組，來描述金屬網(wǎng)內(nèi)部和周圍的電磁場分布情況。通過求解麥克斯韋方程組，可以得到金屬網(wǎng)在不同位置處的電場強度和磁場強度，從而全面了解金屬網(wǎng)對電磁干擾的屏蔽效果。在求解過程中，通常會采用數(shù)值計算方法，如有限元法或有限差分法，將連續(xù)的電磁場問題離散化為有限個單元進行求解，以提高計算效率和精度。四、定海換流站短路故障直流場磁場特性分析4.1短路故障電流仿真4.1.1仿真模型搭建為了深入研究定海換流站在短路工況下的電氣特性，利用PSCAD/EMTDC仿真軟件搭建了其詳細的仿真模型。PSCAD/EMTDC作為一款專業(yè)的電磁暫態(tài)仿真軟件，具備強大的功能和豐富的元件庫，能夠精確地模擬電力系統(tǒng)中的各種電磁暫態(tài)過程。在搭建定海換流站仿真模型時，全面考慮了換流站的各個關鍵組成部分。對于換流器，選用了模塊化多電平換流器（MMC）模型。MMC以其獨特的拓撲結構和優(yōu)良的性能，在柔性直流輸電系統(tǒng)中得到了廣泛應用。它由多個子模塊串聯(lián)組成，能夠實現(xiàn)對直流電壓的精確控制和電能的高效轉換。在模型中，詳細設置了MMC的子模塊數(shù)量、電容值、開關頻率等參數(shù)，以準確反映其實際運行特性。根據(jù)實際工程參數(shù)，設置單橋臂子模塊個數(shù)為[X]，子模塊電容值為[X]μF，開關頻率為[X]Hz。換流變壓器是換流站中的重要設備，它實現(xiàn)了交流系統(tǒng)與換流器之間的電氣隔離和電壓匹配。在仿真模型中，采用了三相三繞組變壓器模型，準確設置了其變比、繞組電阻、漏電感等參數(shù)。根據(jù)實際工程數(shù)據(jù)，將換流變壓器的變比設置為[X]，繞組電阻為[X]Ω，漏電感為[X]H。輸電線路采用了分布參數(shù)模型，充分考慮了線路的電阻、電感、電容等參數(shù)的分布特性。通過精確設置這些參數(shù)，能夠更準確地模擬輸電線路在不同工況下的電氣性能。根據(jù)線路的實際長度、導線型號等參數(shù)，計算并設置了輸電線路的電阻為[X]Ω/km，電感為[X]mH/km，電容為[X]nF/km。除了上述主要元件外，還對其他相關設備進行了詳細建模。例如，設置了平波電抗器的電感值為[X]H，以抑制直流電流的波動；配置了交流濾波器和直流濾波器，以濾除系統(tǒng)中的諧波分量，提高電能質量。在模型中，還考慮了控制系統(tǒng)的作用，包括換流器的控制策略和保護系統(tǒng)的動作邏輯，以確保模型能夠準確模擬換流站在各種工況下的實際運行情況。通過對這些參數(shù)的精心設置，搭建的定海換流站仿真模型能夠高度還原實際工程的電氣特性，為后續(xù)的短路故障電流仿真分析提供了可靠的基礎。4.1.2不同短路工況電流仿真結果利用搭建好的定海換流站仿真模型，對單極短路和雙極短路等不同工況下的短路電流進行了詳細的仿真分析，通過模擬這些故障場景，深入研究了短路電流的變化規(guī)律和特性。在單極短路工況下，以正極線路短路為例進行仿真。當短路故障發(fā)生瞬間，直流電流迅速發(fā)生變化。從仿真結果的波形圖中可以清晰地看到，短路電流在極短的時間內(nèi)急劇上升。通過對仿真數(shù)據(jù)的分析計算，得到短路電流的峰值達到了[X]kA，上升速率約為[X]kA/ms。這是由于在短路瞬間，系統(tǒng)的阻抗突然減小，導致電流迅速增大。隨著時間的推移，短路電流逐漸進入穩(wěn)態(tài)，其穩(wěn)態(tài)值為[X]kA。在整個短路過程中，短路電流的持續(xù)時間約為[X]ms。短路電流的這些參數(shù)對于評估設備的熱穩(wěn)定性和電動力穩(wěn)定性具有重要意義。過大的短路電流峰值和上升速率可能會對設備造成嚴重的熱沖擊和電動力沖擊，導致設備損壞。因此，在設計和選擇設備時，需要充分考慮這些參數(shù)，確保設備能夠承受短路電流的沖擊。對于雙極短路工況，仿真結果顯示，短路電流的變化更為劇烈。在短路發(fā)生后，短路電流的峰值迅速達到了[X]kA，上升速率高達[X]kA/ms。這是因為雙極短路時，系統(tǒng)的正負極同時短路，形成了更大的短路電流通路，使得電流迅速增大。雙極短路的穩(wěn)態(tài)電流值也相對較高，達到了[X]kA，持續(xù)時間約為[X]ms。與單極短路相比，雙極短路的危害更大，對設備的沖擊更為嚴重。在雙極短路情況下，設備需要承受更大的熱應力和電動力應力，這對設備的絕緣性能和機械強度提出了更高的要求。通過對不同短路工況下短路電流的峰值、上升速率、持續(xù)時間等參數(shù)的對比分析，可以發(fā)現(xiàn)雙極短路的各項參數(shù)均大于單極短路。這表明雙極短路對柔性直流換流站的影響更為嚴重，在系統(tǒng)設計和運行過程中，需要重點關注雙極短路故障的防范和應對措施?？梢圆捎酶訌姶蟮谋Ｗo裝置，提高保護系統(tǒng)的動作速度和準確性，以便在雙極短路故障發(fā)生時能夠迅速切斷故障電流，保護設備的安全。還可以通過優(yōu)化系統(tǒng)的結構和參數(shù)，提高系統(tǒng)的抗短路能力，降低短路故障對系統(tǒng)的影響。4.2直流場電氣設備磁場建模與計算4.2.1直流場電氣設備布局定海換流站直流場的電氣設備布局是影響其電磁特性的重要因素。圖1展示了定海換流站直流場的實際設備布局情況，從圖中可以清晰地看到各設備的位置和連接關系?；旌鲜街绷鲾嗦菲魑挥谥绷鲌龅年P鍵位置，其主要作用是在直流系統(tǒng)發(fā)生故障時，能夠迅速切斷故障電流，保護系統(tǒng)中的其他設備。平波電抗器則緊鄰混合式直流斷路器，它通過自身的電感特性，有效抑制直流電流的波動，確保直流電流的穩(wěn)定傳輸。母線作為連接各個設備的關鍵部件，采用高導電性的材料制成，將混合式直流斷路器、平波電抗器以及其他設備連接在一起，實現(xiàn)了直流電能的高效傳輸和分配。[此處插入定海換流站直流場設備布局圖，圖中清晰標注混合式直流斷路器、平波電抗器、母線等設備的位置和連接關系]直流場中的設備布局并非隨意設置，而是經(jīng)過精心設計的。設備的布局需要考慮到多種因素，以確保直流場的安全、穩(wěn)定運行。設備之間的電氣連接需要保證良好的導電性和穩(wěn)定性，以減少電能傳輸過程中的損耗和故障發(fā)生的概率。設備的位置分布要充分考慮到散熱和維護的便利性?；旌鲜街绷鲾嗦菲骱推讲娍蛊髟谶\行過程中會產(chǎn)生大量的熱量，因此需要將它們布置在通風良好、散熱條件優(yōu)越的位置，以確保設備能夠在正常的溫度范圍內(nèi)運行。同時，設備的布局還要便于工作人員進行日常的維護和檢修工作，減少維護難度和時間成本。設備之間的電磁兼容性也是布局設計中需要重點考慮的因素。不同設備在運行過程中會產(chǎn)生不同程度的電磁場，這些電磁場可能會相互干擾，影響設備的正常運行。因此，在布局設計時，需要合理安排設備的位置，采取有效的屏蔽和隔離措施，降低設備之間的電磁干擾，確保各個設備能夠穩(wěn)定、可靠地運行。4.2.2電氣設備周圍磁場計算運用前文建立的磁場模型，對不同短路工況下混合式直流斷路器、平波電抗器等設備周圍的磁場分布進行了深入計算。在單極短路工況下，以混合式直流斷路器為例，通過仿真計算得到其周圍磁場分布云圖，如圖2所示。從圖中可以清晰地看出，在短路故障發(fā)生時，混合式直流斷路器的觸頭附近磁場強度明顯增強，這是因為在短路瞬間，電流急劇增大，導致磁場發(fā)生強烈變化。根據(jù)計算結果，觸頭附近的磁場強度峰值達到了[X]T，相比正常運行時大幅增加。這是由于短路電流的迅速增大，使得通過混合式直流斷路器的電流急劇上升，根據(jù)安培環(huán)路定律，電流的增大必然導致磁場強度的增強。而遠離觸頭的區(qū)域，磁場強度則相對較弱，呈現(xiàn)出逐漸衰減的趨勢。這是因為磁場在傳播過程中會受到空氣等介質的阻礙，以及周圍其他設備的影響，導致磁場強度逐漸減弱。[此處插入單極短路工況下混合式直流斷路器周圍磁場分布云圖]對于平波電抗器，在雙極短路工況下，其周圍磁場分布呈現(xiàn)出獨特的特征。通過仿真計算得到的磁場分布云圖如圖3所示，從圖中可以觀察到，平波電抗器的繞組周圍磁場較為集中，這是因為繞組中的電流產(chǎn)生了較強的磁場。在繞組的不同位置，磁場強度也存在差異?？拷@組中心的位置，磁場強度相對較高，而在繞組的邊緣部分，磁場強度則有所降低。這是由于繞組中心的電流密度較大，根據(jù)安培環(huán)路定律，電流密度越大，產(chǎn)生的磁場強度也就越高。在繞組的邊緣部分，由于電流分布相對分散，磁場強度相應降低。根據(jù)計算數(shù)據(jù)，繞組周圍的磁場強度最大值達到了[X]T，這對平波電抗器的性能和周圍設備的運行可能會產(chǎn)生一定的影響。過大的磁場強度可能會導致平波電抗器的鐵芯飽和，影響其電感特性，進而影響直流電流的平滑效果。磁場還可能會對周圍的電子設備產(chǎn)生電磁干擾，影響其正常運行。[此處插入雙極短路工況下平波電抗器周圍磁場分布云圖]通過對不同短路工況下電氣設備周圍磁場分布的計算和分析，可以看出短路故障會導致設備周圍磁場發(fā)生顯著變化，這些變化對設備的性能和系統(tǒng)的正常運行可能會產(chǎn)生不利影響。在單極短路和雙極短路工況下，混合式直流斷路器和平波電抗器周圍的磁場強度都出現(xiàn)了明顯的增大，且磁場分布也發(fā)生了改變。因此，在柔性直流換流站的設計和運行過程中，必須充分考慮短路工況下的磁場影響，采取有效的防護措施，如優(yōu)化設備布局、增加屏蔽裝置等，以降低磁場對設備和系統(tǒng)的危害，確保換流站的安全穩(wěn)定運行。4.3模型驗證4.3.1人工短路試驗設計與實施為了驗證所建立的磁場模型的準確性和可靠性，在定海換流站開展了精心設計的人工短路試驗。試驗前，進行了全面的準備工作，確保試驗的順利進行。在試驗設備布置方面，充分考慮了設備的安全性和測量的準確性。將短路試驗裝置布置在遠離其他重要設備的區(qū)域，以避免試驗過程中產(chǎn)生的電磁干擾和過電流對其他設備造成損壞。在直流場中，合理安排了測量儀器的位置，確保能夠準確測量不同位置處的磁場強度和電流變化。在測量儀器選擇上，選用了高精度的特斯拉計來測量磁場強度。該特斯拉計具有高靈敏度和寬測量范圍，能夠準確測量從微弱磁場到強磁場的變化。其測量精度可達±0.01T，能夠滿足對磁場強度精確測量的需求。為了測量短路電流，采用了羅氏線圈。羅氏線圈具有響應速度快、測量精度高的特點，能夠準確捕捉短路電流的瞬間變化。其測量誤差可控制在±1%以內(nèi)，確保了測量數(shù)據(jù)的可靠性。試驗步驟嚴格按照預定方案進行。首先，在正常運行狀態(tài)下，對直流場各關鍵位置的磁場強度和電流進行測量，記錄下這些數(shù)據(jù)作為參考值。然后，通過控制短路試驗裝置，模擬單極短路和雙極短路等不同工況。在短路故障發(fā)生瞬間，迅速啟動測量儀器，同步測量磁場強度和電流的變化。在單極短路試驗中，準確記錄下短路電流的上升時間、峰值以及磁場強度在不同時刻的變化情況。對于雙極短路試驗，同樣詳細記錄相關參數(shù)，并觀察磁場分布的變化特征。在整個試驗過程中，密切關注設備的運行狀態(tài)，確保試驗的安全性。試驗結束后，對測量數(shù)據(jù)進行整理和分析，為后續(xù)與仿真結果的對比提供準確的數(shù)據(jù)支持。4.3.2仿真與試驗結果對比分析將仿真得到的磁場分布結果與試驗測量結果進行了詳細的對比分析，以驗證模型的準確性和可靠性。在單極短路工況下，對比不同位置處的磁場強度。從圖4中可以看出，仿真結果與試驗結果在整體趨勢上具有較高的一致性。在靠近混合式直流斷路器和平波電抗器的區(qū)域，磁場強度均呈現(xiàn)出明顯的增強趨勢。在混合式直流斷路器觸頭附近，仿真得到的磁場強度峰值為[X]T，試驗測量值為[X]T，兩者的相對誤差約為[X]%。這一誤差在可接受范圍內(nèi)，表明仿真模型能夠較為準確地反映實際磁場的變化情況。[此處插入單極短路工況下仿真與試驗磁場強度對比圖]在雙極短路工況下，對平波電抗器周圍的磁場分布進行對比。圖5展示了仿真和試驗得到的平波電抗器周圍磁場分布云圖。從圖中可以觀察到，兩者的磁場分布特征相似，磁場強度的變化趨勢也基本一致。在平波電抗器繞組附近，仿真得到的磁場強度最大值為[X]T，試驗測量值為[X]T，相對誤差為[X]%。這進一步驗證了模型在雙極短路工況下的準確性。[此處插入雙極短路工況下仿真與試驗磁場分布云圖]通過對不同短路工況下仿真與試驗結果的對比分析，發(fā)現(xiàn)兩者之間存在一定的差異。在某些位置，磁場強度的仿真值與試驗值存在一定的偏差。這可能是由于實際換流站中存在一些在建模過程中難以完全考慮的因素，如設備的制造公差、安裝誤差以及周圍環(huán)境的復雜性等。這些因素可能會導致實際的磁場分布與理論模型有所不同。試驗測量過程中也可能存在一定的誤差，如測量儀器的精度限制、測量位置的偏差等，這些因素也會對測量結果產(chǎn)生影響?？傮w而言，仿真結果與試驗結果的一致性較好，模型能夠準確地反映短路工況下直流場的磁場分布特征，為柔性直流換流站的設計和運行提供了可靠的理論依據(jù)。在后續(xù)的研究中，可以進一步優(yōu)化模型，考慮更多的實際因素，以提高模型的準確性和可靠性。同時，也可以通過改進測量方法和提高測量儀器的精度，減小試驗測量誤差，為模型驗證提供更準確的數(shù)據(jù)支持。4.4單/雙極短路故障時直流場內(nèi)磁場特性分析4.4.1敏感位置磁場計算在定海換流站直流場中，控制設備和通信線路等區(qū)域對磁場較為敏感，其正常運行容易受到磁場的干擾。在短路工況下，這些敏感位置的磁場強度會發(fā)生顯著變化，對設備的性能和通信質量產(chǎn)生潛在影響。以控制設備為例，其內(nèi)部包含大量的電子元件和精密電路，磁場的變化可能會在這些電路中產(chǎn)生感應電動勢，導致電路工作異常。當磁場強度超過一定閾值時，可能會使控制設備的邏輯判斷出現(xiàn)錯誤，影響對換流站設備的控制精度和可靠性。在單極短路故障發(fā)生時，通過對控制設備所在位置的磁場強度進行計算，發(fā)現(xiàn)其磁場強度峰值可達[X]mT，相比正常運行時大幅增加。這是由于短路電流的急劇增大，導致周圍磁場發(fā)生強烈變化，而控制設備所在位置處于磁場影響范圍內(nèi)，從而受到較大的磁場干擾。通信線路同樣對磁場較為敏感。在雙極短路故障情況下，通信線路附近的磁場強度會迅速上升。磁場的變化會在通信線路中產(chǎn)生感應電流，這些感應電流會疊加在通信信號上，導致信號失真和干擾，嚴重時可能會導致通信中斷。通過計算，在雙極短路故障時，通信線路附近的磁場強度最大值可達到[X]mT，這對通信線路的正常工作構成了嚴重威脅。通信線路通常采用屏蔽措施來減少外界磁場的干擾，但在強磁場環(huán)境下，屏蔽效果可能會受到一定限制。當磁場強度超過屏蔽層的屏蔽能力時，磁場仍會對通信線路產(chǎn)生影響，導致通信質量下降。這些敏感位置的磁場強度計算結果表明，短路工況下直流場內(nèi)的磁場對控制設備和通信線路等的影響不容忽視。在柔性直流換流站的設計和運行過程中，需要充分考慮這些因素，采取有效的防護措施，如優(yōu)化設備布局，將控制設備和通信線路布置在磁場較弱的區(qū)域；增加屏蔽裝置，提高對磁場的屏蔽能力，減少磁場對設備和通信線路的干擾，確保換流站的安全穩(wěn)定運行。4.4.2直流場磁場分布為了深入了解單極短路和雙極短路故障時直流場的磁場分布情況，繪制了相應的磁場分布圖。在單極短路故障時，直流場的磁場分布呈現(xiàn)出明顯的不對稱性。從圖6所示的磁場分布圖中可以看出，在短路極附近，磁場強度明顯增強，形成了一個強磁場區(qū)域。這是因為短路電流主要集中在短路極，根據(jù)安培環(huán)路定律，電流的增大必然導致磁場強度的增強。隨著距離短路極的增加，磁場強度逐漸衰減。在遠離短路極的區(qū)域，磁場強度相對較弱，且分布較為均勻。這是由于磁場在傳播過程中會受到空氣等介質的阻礙，以及周圍其他設備的影響，導致磁場強度逐漸減弱。在直流場的邊緣部分，磁場強度已經(jīng)衰減到較低水平，對周圍設備的影響相對較小。[此處插入單極短路故障時直流場磁場分布圖]對于雙極短路故障，直流場的磁場分布更為復雜。從圖7所示的磁場分布圖中可以觀察到，在正負極短路點附近，磁場強度急劇增大，形成了兩個高強度的磁場中心。這是因為雙極短路時，正負極之間形成了強大的短路電流通路，導致磁場強度大幅增加。在兩個磁場中心之間，磁場分布呈現(xiàn)出復雜的變化趨勢。由于正負極電流的相互作用，磁場在某些區(qū)域會出現(xiàn)增強的情況，而在另一些區(qū)域則會出現(xiàn)減弱的情況。在直流場的其他區(qū)域，磁場強度也會受到雙極短路的影響而發(fā)生變化，但相對短路點附近的變化較為平緩。在直流場的邊緣部分，磁場強度雖然有所衰減，但仍然高于正常運行時的水平。[此處插入雙極短路故障時直流場磁場分布圖]通過對單極短路和雙極短路故障時直流場磁場分布圖的分析，可以總結出以下磁場分布規(guī)律：短路故障會導致直流場中磁場強度顯著增加，且在短路點附近形成強磁場區(qū)域；磁場強度隨著距離短路點的增加而逐漸衰減；雙極短路故障時磁場分布更為復雜，正負極電流的相互作用會導致磁場在某些區(qū)域出現(xiàn)增強或減弱的情況。這些磁場分布規(guī)律對于評估直流場設備的電磁兼容性和制定防護措施具有重要的指導意義。在設計直流場設備時，需要根據(jù)磁場分布規(guī)律，合理選擇設備的材料和結構，提高設備的抗磁場干擾能力。在布置直流場設備時，要充分考慮磁場的影響，避免將對磁場敏感的設備布置在強磁場區(qū)域。還可以通過設置屏蔽裝置、優(yōu)化接地系統(tǒng)等措施，降低磁場對設備和周圍環(huán)境的影響，確保柔性直流換流站的安全穩(wěn)定運行。五、張北換流站短路故障直流場磁場特性分析5.1短路故障電流仿真5.1.1仿真模型搭建利用MATLAB/Simulink軟件搭建了張北換流站的詳細仿真模型。MATLAB/Simulink作為一款功能強大的系統(tǒng)仿真軟件，擁有豐富的電力系統(tǒng)模塊庫，能夠精確地模擬各種電力系統(tǒng)的運行狀態(tài)和故障過程。在搭建模型時，全面考慮了張北換流站的實際運行參數(shù)和控制策略，以確保模型的準確性和可靠性。張北換流站采用了模塊化多電平換流器（MMC）技術，在仿真模型中，根據(jù)實際工程數(shù)據(jù)，對MMC的關鍵參數(shù)進行了精確設置。MMC的子模塊數(shù)量設置為[X]個，每個子模塊的電容值為[X]μF，開關頻率設定為[X]Hz。這些參數(shù)的準確設置對于模擬MMC在不同工況下的運行特性至關重要。子模塊數(shù)量和電容值的大小直接影響著MMC的輸出電壓質量和功率調(diào)節(jié)能力，而開關頻率則決定了MMC的開關損耗和輸出諧波含量。通過合理設置這些參數(shù)，能夠使仿真模型更真實地反映張北換流站中MMC的實際運行情況。換流變壓器是換流站中的重要設備，它實現(xiàn)了交流系統(tǒng)與MMC之間的電氣隔離和電壓匹配。在仿真模型中，選用了三相雙繞組變壓器模型，并根據(jù)實際工程數(shù)據(jù)，準確設置了其變比、繞組電阻和漏電感等參數(shù)。張北換流站換流變壓器的變比設置為[X]，繞組電阻為[X]Ω，漏電感為[X]H。這些參數(shù)的精確設置能夠確保換流變壓器在仿真模型中準確地模擬其在實際運行中的電氣特性，保證了換流站仿真模型的準確性。直流輸電線路采用了分布參數(shù)模型，充分考慮了線路的電阻、電感、電容等參數(shù)的分布特性。根據(jù)張北換流站直流輸電線路的實際長度、導線型號等參數(shù)，計算并設置了線路的電阻為[X]Ω/km，電感為[X]mH/km，電容為[X]nF/km。分布參數(shù)模型能夠更準確地模擬直流輸電線路在不同工況下的電氣性能，考慮了線路參數(shù)沿線路長度的分布變化，使得仿真結果更接近實際情況。這對于研究短路故障時直流電流在輸電線路中的傳播特性和變化規(guī)律具有重要意義。在模型中，還詳細設置了控制系統(tǒng)的參數(shù)和控制策略。控制系統(tǒng)采用了先進的矢量控制算法，能夠實現(xiàn)對MMC的精確控制。通過設置合適的控制器參數(shù)，如比例系數(shù)、積分系數(shù)等，能夠使MMC在不同工況下穩(wěn)定運行，并實現(xiàn)對有功功率和無功功率的獨立控制。在正常運行時，控制系統(tǒng)能夠根據(jù)電網(wǎng)的需求，精確調(diào)節(jié)MMC的輸出功率，確保電力的穩(wěn)定傳輸。當發(fā)生短路故障時，控制系統(tǒng)能夠迅速響應，采取相應的控制策略，如快速調(diào)整MMC的輸出電壓和電流，以限制故障電流的大小，保護換流站設備的安全。5.1.2不同短路工況電流仿真結果運用搭建好的張北換流站仿真模型，對單極短路和雙極短路等不同工況下的短路電流進行了全面深入的仿真分析。通過模擬這些故障場景，獲取了詳細的短路電流數(shù)據(jù)，并對其特性進行了深入研究。在單極短路工況下，以負極線路短路為例進行仿真。從仿真結果的波形圖（圖8）中可以清晰地看到，短路故障發(fā)生瞬間，直流電流迅速發(fā)生突變。短路電流在極短的時間內(nèi)急劇上升，通過對仿真數(shù)據(jù)的分析計算，得到短路電流的峰值達到了[X]kA，上升速率約為[X]kA/ms。這是因為在短路瞬間，系統(tǒng)的阻抗突然減小，根據(jù)歐姆定律，電流會迅速增大。隨著時間的推移，短路電流逐漸進入穩(wěn)態(tài)，其穩(wěn)態(tài)值為[X]kA。在整個短路過程中，短路電流的持續(xù)時間約為[X]ms。這些參數(shù)對于評估設備的熱穩(wěn)定性和電動力穩(wěn)定性具有重要意義。過大的短路電流峰值和上升速率可能會對設備造成嚴重的熱沖擊和電動力沖擊，導致設備損壞。因此，在設計和選擇設備時，需要充分考慮這些參數(shù)，確保設備能夠承受短路電流的沖擊。[此處插入單極短路工況下短路電流波形圖]對于雙極短路工況，仿真結果顯示，短路電流的變化更為劇烈。從圖9所示的短路電流波形圖中可以看出，在短路發(fā)生后，短路電流的峰值迅速達到了[X]kA，上升速率高達[X]kA/ms。這是因為雙極短路時，系統(tǒng)的正負極同時短路，形成了更大的短路電流通路，使得電流迅速增大。雙極短路的穩(wěn)態(tài)電流值也相對較高，達到了[X]kA，持續(xù)時間約為[X]ms。與單極短路相比，雙極短路的危害更大，對設備的沖擊更為嚴重。在雙極短路情況下，設備需要承受更大的熱應力和電動力應力，這對設備的絕緣性能和機械強度提出了更高的要求。[此處插入雙極短路工況下短路電流波形圖]通過對不同短路工況下短路電流的峰值、上升速率、持續(xù)時間等參數(shù)的對比分析，可以發(fā)現(xiàn)雙極短路的各項參數(shù)均大于單極短路。這表明雙極短路對柔性直流換流站的影響更為嚴重，在系統(tǒng)設計和運行過程中，需要重點關注雙極短路故障的防范和應對措施?？梢圆捎酶鼜姶蟮谋Ｗo裝置，提高保護系統(tǒng)的動作速度和準確性，以便在雙極短路故障發(fā)生時能夠迅速切斷故障電流，保護設備的安全。還可以通過優(yōu)化系統(tǒng)的結構和參數(shù)，提高系統(tǒng)的抗短路能力，降低短路故障對系統(tǒng)的影響。5.2直流場電氣設備磁場建模與計算5.2.1直流場電氣設備布局張北換流站直流場的設備布局有著獨特的設計考量，與定海換流站在布局上存在明顯差異。圖10展示了張北換流站直流場的設備布局情況，從圖中可以清晰看到，混合式直流斷路器和平波電抗器的布置位置與定海換流站有所不同。在張北換流站中，混合式直流斷路器更靠近換流器，這樣的布局設計有利于在短路故障發(fā)生時，能夠更快速地切斷故障電流，減少故障對換流器的影響。這是因為縮短了斷路器與換流器之間的電氣距離，使得故障電流的切斷時間更短，從而更好地保護換流器的安全運行。平波電抗器則布置在直流母線的兩側，這種布局方式能夠更有效地抑制直流電流的波動，確保直流電流的穩(wěn)定傳輸。由于平波電抗器對直流電流的變化具有阻礙作用，將其布置在母線兩側，可以更好地對通過母線的直流電流進行平滑處理，減少電流波動對整個直流場設備的影響。[此處插入張北換流站直流場設備布局圖，圖中清晰標注混合式直流斷路器、平波電抗器、母線等設備的位置和連接關系]母線的走向和連接方式也與定海換流站存在區(qū)別。張北換流站的母線采用了更為緊湊的布局方式，減少了母線的長度和電阻損耗。通過優(yōu)化母線的走向和連接方式，使得電能在傳輸過程中的損耗降低，提高了輸電效率。張北換流站還根據(jù)實際運行需求，對直流場的設備布局進行了調(diào)整，以適應不同的運行工況。在新能源接入比例較高的情況下，為了更好地處理新能源發(fā)電的波動性和間歇性，對設備的布局進行了優(yōu)化，使得設備之間的協(xié)同工作更加順暢，提高了系統(tǒng)對新能源的接納能力。5.2.2電氣設備周圍磁場計算基于張北換流站的設備參數(shù)和布局，運用前文建立的磁場模型，對短路工況下各電氣設備周圍的磁場分布進行了精確計算。在單極短路工況下，以混合式直流斷路器為例，通過仿真計算得到其周圍磁場分布云圖，如圖11所示。從圖中可以看出，在短路故障發(fā)生時，混合式直流斷路器的觸頭附近磁場強度顯著增強，根據(jù)計算結果，觸頭附近的磁場強度峰值達到了[X]T。這是因為在短路瞬間，電流急劇增大，根據(jù)安培環(huán)路定律，電流的增大必然導致磁場強度的增強。遠離觸頭的區(qū)域，磁場強度逐漸減弱，呈現(xiàn)出明顯的衰減趨勢。這是由于磁場在傳播過程中會受到空氣等介質的阻礙，以及周圍其他設備的影響，導致磁場強度逐漸降低。[此處插入單極短路工況下張北換流站混合式直流斷路器周圍磁場分布云圖]對于平波電抗器，在雙極短路工況下，其周圍磁場分布呈現(xiàn)出獨特的特征。通過仿真計算得到的磁場分布云圖如圖12所示，從圖中可以觀察到，平波電抗器的繞組周圍磁場較為集中，這是因為繞組中的電流產(chǎn)生了較強的磁場。在繞組的不同位置，磁場強度存在差異?？拷@組中心的位置，磁場強度相對較高，而在繞組的邊緣部分，磁場強度則有所降低。這是由于繞組中心的電流密度較大，根據(jù)安培環(huán)路定律，電流密度越大，產(chǎn)生的磁場強度也就越高。在繞