内部电场

2024-09-05

内部电场(精选3篇)

内部电场 篇1

真空断路器以其优良的开断性能得到了广泛应用, 特别是在中压领域, 真空断路器已经具有明显的优势[1]。随着真空技术的迅速发展, 真空断路器在满足其性能要求的基础上, 也在不断向小型化发展, 作为真空断路器的核心部件, 真空灭弧室的优化设计也显得越来越重要。

真空灭弧室内部的绝缘水平主要由内部电场分布决定, 对于真空灭弧室内部的电场分布的分析是一项复杂的动态绝缘问题, 因此这里从真空灭弧室内部静电场分析着手, 运用Ansoft Maxwell软件中的静电场分析功能, 对真空灭弧室内部元件, 在不同形状和结构时的静电场进行分析比较, 根据分析结果进行调整, 使其内部电场分布满足设计要求, 进而得出绝缘性能良好的真空灭弧室优化设计[2]。

1 真空灭弧室组成及其工作原理

真空灭弧室也叫真空泡或真空开关管, 是真空断路器的核心器件之一。真空灭弧室内密封了一对的电极和其它一些零件, 利用真空中优良的熄弧能力和绝缘性能, 实现电路的合分。在电源被切断后, 真空灭弧室内的电弧能快速熄灭, 电流被抑止, 其主要的组成部分如图1所示。

如图1所示, 真空灭弧室的主要构成部分包括绝缘外壳、屏蔽罩、波纹管和触头等[3]。其中外壳和绝缘筒保证了优良的绝缘强度与气密性;而波纹管既保证了灭弧室内部的全密封, 又是灭弧室外部操动触头运动不可或缺的部分;屏蔽罩采用中封式的结构将有利于改善灭弧室内部的磁场分布, 从而提高其绝缘强度;触头作为灭弧室中最重要的构件之一, 决定着真空灭弧室的电气寿命与开关能力。

真空断路器的工作原理和其他型式的断路器不同, 是指触头在高真空中关合、开端电路的开关设备[4]。真空断路器所采用的绝缘介质和灭弧介质是高真空[5]。当动触头在操动机构作用下合闸时, 动、静触头闭合, 电源与负载接通, 电流流过负载, 真空电弧依靠触头上蒸发出来的金属蒸汽维持。当工频电流过零时, 金属蒸汽将停止蒸发, 同时由于真空电弧的等离子体快速向四周扩散, 电弧就被熄灭, 触头间隙很快速地变为绝缘体, 于是电流被分断[6]。

2 影响电场分布的因素分析

设计的真空灭弧室的结构模型如图2所示, 满开距为9±1 mm。

真空灭弧室内的各部分材料的相对介电常数如表1所示。

在计算模型中, 屏蔽罩是由金属导体制成, 可以看作是等位体。同时由于真空灭弧室内部结构的对称性, 在利用有限元法进行分析时只需要对灭弧室内部场域的1/2部分进行计算, 所以灭弧室内部的电场计算原理和边界条件是[7]:

(1) 灭弧室内部电位满足

(2) 外界空气与绝缘外壳交界面上的电位满足

(3) 悬浮屏蔽罩上的电位

(4) 动静触头与各个连接部件上电位

式中, φ1和φ2是相邻的两种介质中的电位值;ε1和ε2是相邻的两种介质的介电常数;Qi为第i个悬浮导体上的电位值;Si为第i个悬浮导体的表面积;Ui为求解的电位值。静电场情况下, 悬浮屏蔽罩的正负感应电荷量相等, 即Q=0。

3 仿真模型及结果

本文利用有限元分析软件Ansoft Maxwell进行静态的二维电磁场仿真。在断路器实际额定工作状况下, 分别计算有无悬浮屏蔽罩与触头距离不同情况下灭弧室内部的电场与电位分布。

Ansoft Maxwell中建立的真空灭弧室仿真模型如图3所示。

图3中上部触头为动触头, 材料为铜, 设置电位为48 k V;下部触头为静触头, 材料为铜, 设置电位为0 V, 两触头间距离为9 mm;屏蔽罩材料为铜, 设置电位为缺省值, 真空灭弧室内部材料设置为真空。

图4和图5分别给出了悬浮屏蔽罩对真空灭弧室内部电位和电场分布影响的仿真结果。

通过图4中电位分布图的比较可以看出, 没有屏蔽罩的情况下, 电位线主要集中在动静触头之间的空隙内, 容易引起放电, 添加了屏蔽罩后, 电位线沿着灭弧室轴向扩展, 大幅提高了灭弧室内部空间的利用率, 并且瓷壳沿面上的电位梯度变化比较均匀, 有利于降低瓷壳沿面的击穿率[8]。

通过图5中有无屏蔽罩情况下电场分布图的比较, 可以看出屏蔽罩对灭弧室内部电场分布起到了一定的改善作用, 使得真空灭弧室内部的电场分布更加均匀, 同时场强最大值的所在位置从导电杆上转移到触头表面附近, 这有利于真空灭弧室的绝缘[9]。

图6给出了有屏蔽罩情况下增加触头距离到19 mm后真空灭弧室内部电位和电场强度分布的仿真结果。

通过图6和上面未增加触头距离时灭弧室内部电场电位图比较可以看出, 最大电位依旧处在触头表面附近, 场强分布仍然比较均匀, 故触头距离增大后对灭弧室内部的电场电位影响不大。在实际情况中, 触头的开距主要取决于真空断路器的额定电压和耐压要求, 一般额定电压低时触头开距选得较小。但开距过小会影响分断能力和耐压水平[10]。开距过大, 虽然可以提高耐压水平, 但会使真空灭弧室的波纹管寿命下降。设计时一般在满足运行的耐压要求下尽量将开距选得小一些。

4 结束语

在真空灭弧室中设置屏蔽罩能够有效减少真空灭弧室绝缘外壳处的场强, 同时使得内部的电位分布更加均匀。触头开距对于真空灭弧室内部电场分布影响不大, 开距的大小应当根据实际情况选择合适的距离。Ansoft Maxwell仿真软件的应用, 为设计者提供了依据, 缩短了设计周期, 经过Ansoft Maxwell仿真软件优化过的真空灭弧室, 内部绝缘水平得到了大幅提高, 进一步满足了市场的需要。

摘要:真空灭弧室对于真空断路器的性能有具重要作用, 为了了解真空灭弧室内部的电场分布情况, 文中采用Ansoft Maxwell仿真软件搭建了真空灭弧室的电场数学模型, 并利用有限元分析法进行分析, 通过Ansoft Maxwell仿真软件得出的结果表明, 有无屏蔽罩对真空灭弧室电场分布有着较大影响。

关键词:真空灭弧室,电场分布,屏蔽罩,Ansoft Maxwell仿真

参考文献

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[6]张德明.真空分接开关技术的论述[J].变压器, 2011 (9) :12-16.

[7]冯亚清, 马志瀛, 刘韬, 等.真空断路器灭弧室外表面绝缘及其电场计算[J].高电压技术, 2003, 29 (3) :18-20.

[8]华争祥.高压断路器三维电场数值仿真[D].沈阳:沈阳工业大学, 2000.

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内部电场 篇2

对海上风电的研究和开发始于20世纪90年代, 经过10多年的发展, 海上风电技术正日趋成熟, 并开始进入大规模开发阶段。目前全世界海上风电总装机容量已达900 MW, 其中丹麦、英国、爱尔兰、瑞典和荷兰等国家发展较快[1,2]。海上风电场的优点是不占用土地资源, 不受地形影响, 风能资源更为丰富, 风速更平稳, 风电机组单机容量更大, 年利用小时数更高。但是由于海上风电机组支撑结构要求苛刻, 电能需要铺设昂贵的海底电缆输送, 且建设和维护工作需要使用专业船只和设备, 所以海上风电的建设成本一般是陆上风电的2倍至3倍[1,2,3]。

海上风电场内部电气系统包括风电场内部所有设备的连接, 如中压 (一般30 kV左右) 海底电缆、开关设备、风机端变压器等[2], 内部电气系统将每台风力发电机发出的电能按照一定的方式集中到风电场出口的中压汇流母线上, 其成本约为海上风电场建设总成本的5%[1,2]。本文对内部电气系统布局的经济性进行了对比研究。由于在电缆单一故障的情况下, 所有的环形布局都能够依靠冗余电缆来保证供电的可靠性, 即故障机会成本为0。在多重故障的情况下, 环形布置中不同位置的故障的确能引起不同的故障机会成本。本文考虑多重故障同时发生的概率很小, 因此没有涉及。

1 海上风电场内部电气系统布局设计

目前, 海上风电场内部电气系统布局设计分为放射形、环形和星形3种形式, 其中能够引起人们重点关注的是放射形布局和环形布局[4,5]。放射形布局是已建风电场普遍采用的内部连接方法, 其特点是结构简单, 投资成本较低, 如图1 (a) 所示。环形布局比放射形需要较高的投资成本, 但能够实现一定程度的冗余, 可靠性较高。环形布局可具体分为单边环形、双边环形以及由二者结合衍生出的复合环形3种, 分别如图1 (b) 、 (c) 、 (d) 所示。另外, 本文提出一种基于复合环形的布局——多边环形, 如图1 (e) 所示。

1) 放射形布局

如图1 (a) 所示, 将若干风力发电机连接在同一条中压海底电缆上, 整个风电场的电能通过若干个中压海底电缆输送到中压汇流母线上, 海底电缆的额定功率须大于所连接风机的最大功率。该布局的优点是操作简单、投资成本较低;缺点是可靠性不高, 如果电缆的某处发生故障, 那么整条电缆都将被迫切除, 与其相连的所有风机都将停运。

2) 单边环形布局

如图1 (b) 所示, 在放射形布局的基础上, 通过一条冗余的电缆将电缆末端的风机连回到汇流母线上。如果电缆某处发生故障, 可以通过加装在电缆上的开关设备切除, 保证风机正常运行。该布局的优点是可提高内部电气系统的可靠性;缺点是操作比较复杂, 投资成本较高。

3) 双边环形布局

如图1 (c) 所示, 在放射形布局的基础上经一条冗余的电缆将两条相邻电缆末端的风机相连。因电缆连接的风机数量加倍, 故电缆额定功率也需要加倍。该布局的优缺点与单边环形布局基本相同。

4) 复合环形布局

如图1 (d) 所示, 将单边环形与双边环形进行结合, 将相邻几条电缆末端的风机互连, 然后经一条冗余的电缆将末端的风机连回到汇流母线上。该布局相比单边环形可以减少冗余电缆的数量, 相比双边环形可以降低电缆的额定容量。

5) 多边环形布局

由以上几种布局可以看到, 环形布局提高可靠性的途径有提供冗余和增加互连2个。本文根据这一原则提出多边环形布局, 如图1 (e) 所示。该布局将所有电缆末端的风机用电缆连在一起, 以增加风机互连。该布局要求电缆的额定容量比放射形布局中电缆的额定容量稍大, 以满足某一电缆故障处下游风机通过其余电缆输送电能。该布局与复合环形相比不需要冗余电缆, 但是所需电缆的额定容量稍大。

2 投资成本评估

根据丹麦海上风电场建设经验, 海上风电场的建设成本在120万欧元/MW~270万欧元/MW之间, 海上风电场成本构成如下[1]:风机占49%, 海上变电站和输电通道占16%, 中压海底电缆占5%, 海底基建占21%, 项目管理占6%, 环境分析等占3%。海底基建、中压海底电缆、海上变电站和输电通道是导致投资成本大大增加的主因, 对内部电气系统布局优化设计有其必要性。

不同布局的主要差异在于中压海底电缆长度、规格的不同以及中压开关设备数量的不同, 本文仅就这二者的投资成本进行评估[2]。成本分析如下:

CCS=CCB+CSW (1)

式中:CCS为总投资;CCB为电缆投资,

CCB= (CCA (θ) +CCL) ΝCAlCA (2)

CCA (θ) 为每千米海底电缆成本, 一般与电缆截面积θ成正比;CCL为海底电缆铺设成本;NCA为海底电缆数量;lCA为每根电缆长度;CSW为开关设备投资,

CSW=CSAΝSA (3)

CSA为每个开关设备成本;NSA为所用开关设备数量。

3 故障机会成本评估

几种海上风电场布局方案各有特点:放射形布局投资小, 可靠性低;环形布局投资大, 可靠性高。因此, 需要将投资和可靠性综合考虑, 方可对不同方案经济性的优劣进行比较。

与投资成本不同, 可靠性对布局方案经济性的影响不是体现在成本的支出 (不考虑修复成本) , 而是体现在收入的减少。也就是说, 海底电缆发生故障造成一部分风机不能正常发电, 就相当于风电场在故障维修期间损失了相应的应得收入。这种现象符合经济学上的机会成本概念, 可以称为故障机会成本。放射形布局投资小, 故障机会成本大;环形布局投资大, 故障机会成本小。投资成本和故障机会成本相加得到的总成本才是用来比较不同布局经济性能的科学指标。

为了便于计算故障机会成本, 需假设:①电缆所有位置的故障发生概率相等;②由于平均恢复时间 (MTTR——mean time to repair) TMTTR较长, 故障期间风机停运损失的平均功率等于其全年正常发电时的平均功率, 即

Ρlost=ΡrateΤequal8760 (4)

式中:Plost为风机停运损失的平均功率;Prate为停运风机的额定功率;Tequal为风场年利用小时数。

由文献[6]可知:

Elost=λΤΜΤΤRΡlost (5)

式中:Elost为故障所损失的电量;λ为风电场生命周期内的故障次数。

将式 (4) 代入式 (5) , 得

Elost=λΤΜΤΤRΡrateΤequal8760 (6)

故障机会成本Clost为:

Clost=πElost (7)

式中:π为上网电价。

4 算例

某海上风电场装机240 MW, 单台风机容量为3 MW, 内部电气系统的电压等级为33 kV。风机安装按照8×10排列, 即每行8台风机, 共10行, 同一行相邻风机距离为700 m, 行间距为1 000 m。

4.1 各布局投资成本评估

由式 (1) ~式 (3) 可知, 投资成本与所用电缆的规格、长度、数量以及开关设备的数量相关。ABB海底电缆成本的典型值为5 000元/ (mm2·km) ;海底电缆铺设成本为50万元/km~200万元/km, 取典型值为100万元/km[4];ABB中压断路器价格约为10万元/台。各布局方案所需的设备如表1所示。

注:括号内数据为互连电缆的数据。

当海底电缆某处发生故障时, 多边环形布局中的海底电缆需要输送自身所连风机和故障点之后一部分风机发出的功率, 需要选用240 mm2规格, 而互连电缆只流过海底电缆故障点之后风机发出的功率, 选用185 mm2规格即可[7]。各布局方案的投资成本总结如表1所示。传统的放射形布局投资成本最低, 有明显的优势;复合环形和多边环形次之, 单边环形再次, 双边环形最差。

4.2 各布局故障机会成本评估

由式 (6) 、式 (7) 可知, 各布局故障机会成本与λ, TMTTR, Prate, Tequal, π相关。根据丹麦海上风电场运行经验:海上风电场寿命一般为20年, 在此期间海底电缆故障率一般为0.32次/ (100 km·年) [6], 经过填埋后的电缆典型故障率可以达到0.1次/ (100 km·年) ;TMTTR一般为1个月~6个月, 与施工条件、天气状况等相关, 取典型值为3个月[8];Tequal为2 500 h~4 500 h, 取典型值为3 500 h左右[3];π一般为0.7元左右[1]。将以上数据代入式 (6) 和式 (7) 可得:

Clost=604λΡrate=1.2lΡrate (8)

式中:l为电缆的总长度。

根据式 (8) 对各布局故障机会成本和总成本进行计算, 如表2所示。

在选取的典型情况下, 放射形布局虽然由于包含故障机会成本而使总成本增加, 但是综合考虑还是最经济的选择;复合环形、多边环形和单边环形布局的经济性稍差;双边环形经济性最差, 其总成本是放射形的2.5倍, 因此, 在下面的灵敏度分析中不再考虑该方案。

5 灵敏度分析

由于海上风电场起步较晚, 运行经验很少, 在各环节存在很大的不确定性。因此, 需要对影响各布局方案经济性的因素进行灵敏度分析。为便于分析, 对每个因素进行灵敏度分析时都假设其他因素不变, 则由式 (6) 可知总成本与该因素是线性关系。

5.1 投资成本变动

2003年来, 铜价在2 000美元/ (mm2·km) ~8 000美元/ (mm2·km) 范围内剧烈波动, 使电缆价格剧烈变化。未来电缆价格有很大的不确定性, 假定波动区间为2 000美元/ (mm2·km) ~10 000美元/ (mm2·km) , 算例中总成本变化如图2 (a) 所示。海上电缆的铺设成本也随施工环境和使用船只便利条件的不同而有很大的变化, 变化范围一般为50万元/km~200万元/km, 算例中总成本变化如图2 (b) 所示。此外, 在海上安装断路器, 对断路器本身提出较高要求, 因此断路器价格可能大大高于目前陆上的市场价格, 而未来随着海上风场的增多, 断路器生产标准化、规模化和国产化程度必将提高, 因此价格可能有所回落, 假定断路器价格为5万元~20万元, 算例中总成本变化如图2 (c) 所示。

由图2可知, 布局方案的选择与投资成本关系密切:在各投资成本要素的变动范围内, 放射形布局都比环形布局经济, 并且随着电缆成本、电缆铺设成本和开关设备成本的增加, 放射形布局投资成本低的优势更加明显。此外, 在环形布局中, 复合环形布局的经济性最好。

5.2 故障率和故障修复时间变动

国内海上风场刚刚起步, 缺乏运行经验, 在停机时间、海底电缆故障率估计等方面有很大的不确定性。假定海底电缆故障率为0.1次/ (100 km·年) ~0.3次/ (100 km·年) [6,9], 停机时间为1个月~6个月[8], 算例中总成本变化如图3所示。由图3可知, 当故障率小于0.27次/ (100 km·年) 时, 放射形布局比环形布局更经济, 而当故障率大于0.27次/ (100 km·年) 时, 复合环形布局比放射形布局经济;在故障修复时间变动范围内放射形布局比环形布局经济, 而随着故障修复时间的增加, 放射形布局的总成本与复合环形布局逐渐接近。

6 结论

1) 在典型参数下, 传统的放射形布局投资成本远低于环形布局, 有明显的成本优势;在环形布局中, 复合环形和多边环形成本较低, 双边环形成本远高于其他布局。

2) 在典型参数下, 放射形布局虽然由于包含故障机会成本而使总成本增加, 但是其总成本仍然低于环形布局。

3) 在各投资成本要素的变动范围内, 放射形布局都比环形布局经济, 并且随着电缆成本、电缆铺设成本和开关设备成本的增加, 放射形布局投资成本低的优势更加明显。

4) 当故障率小于0.27次/ (100 km·年) 时, 放射形布局的经济性好于环形布局;而当故障率大于0.27次/ (100 km·年) 时, 复合环形布局比放射形布局经济;在故障修复时间变动范围内放射形布局比环形布局经济, 但随着故障修复时间的增加, 放射形布局的总成本与复合环形布局逐渐接近。

参考文献

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[8]Offshore electrical systems.Garrad Hassan and PartnersReport, 2008.

内部电场 篇3

公路工程技术标准[1]对风电场场内道路的定义是风电机组间道路和风电机组与升压变电站之间道路。场外道路指主要利用已有国家、省、市、县、乡镇等级道路和市政道路, 不作为风电场设计范围。风电场道路工程中路基标准宜参照《公路工程技术标准》四级公路标准设计。

对于风电场内部道路结构层厚度的设计国内外均未有明确的设计方法和标准设计。本文根据国外某EPC风电场建设实践, 探讨了风电场内部道路、临时堆放平台和吊装平台的结构层厚度设计方法和并给出了标准设计, 部分标准设计通过了实践检验。

1 风电场场内道路的特性

风电场场内道路一般是在设备运输、风机安装时有较大的荷载, 一旦风机安装完毕进入运行和维护阶段, 则道路的交通量很小, 日后风机维护的交通荷载也不大。风电场场内的道路是前期荷载大而集中, 后期荷载小而均匀, 属于低交通量的道路。

按风电场道路设计标准:当风机设备安装采用普通履带吊时, 场内道路应按照两期设计, 一期即土建及设备安装施工期;二期即运行期路, 道路路基排水边沟设置在一期路基范围内。

2 国外某风电场道路设计参数

2.1 工程基本情况

按设计共有12台2MW的风机, 风机高度95米, 风机由4节塔筒组成, 单机自重总共337吨, 共有12个吊装平台, 13条道路。工程所在地年降雨量在800mm左右。

2.2 荷载当量

技术标准要求1000标准轴次后平均竖向变形应少于30mm。

2.3 运输车辆数和轮胎压力

对于履带吊车/移动吊车运输, 有15个辆重型运输工具;每个风力机现场, 有12个重型运输工具;每个风力机现场, 使用搅拌机卡车 (6-9立方米/卡车) , 多达80次混凝土运输。运输风机各部件时轮胎的压力见表1。

2.4 风机吊装设备及其压力

主吊采用600吨的履带吊, 辅吊采用150吨的履带吊。若履带直接接触地面的话前者最大会产生5.2T/m2的压力, 后者最大会产生5.8T/m2的压力。实际吊装过程中, 在履带下面加了2公分厚2倍于履带宽的钢板。

2.5 地基承载力

合同技术要求的地基承载力, 对于吊车平台, 堆放平台和道路路面的地基承载分别是25T/m2、10T/m2和15T/m2。

3 道路结构层厚度设计

3.1 道路设计荷载

根据文献[5]1000标准轴重相当于交通设计荷载DTL=0.001<0.2, 其交通荷载等级为TLC=02。这属于低交通量的荷载等级。

3.2 道路结构层材料系数

道路结构层材料系数[5]见表3。

3.3 设计所需道路结构层系数

设计所需道路结构层[5]系数见表4.

3.4 道路结构层计算

道路结构层系数计算式为:

式中:

和tn为各结构层厚度;

和an为各结构层所对应的结构层系数, 见表3。

由上式可计算出不同设计厚度的结构数, 与表4比较, 可判定设计的结果是否满足要求。

3.5 道路结构层标准设计

参照上文, 表5给出了10种道路结构层标准设计结果。表5表明, 道路结构层的设计厚度取决与筑路材料的强度和路床CBR值的大小。

备注:G80是指材料的CBR值在80以上。G25以上的料可用做低等级道路的磨耗层料。

3.6 道路结构层设计比较

按当地设计师所做的设计:其天然粒料的变形模量取值在200Mpa以上, 而实测值是在50Mpa以下。其道路结构层需要450mm厚包括150mm厚的级配碎石层才能满足风机部件运输和吊装的要求。而实际上使用了两层G80料即采用1号标准结构层设计已完成运输和吊装施工工作。

工程中的5号吊装平台由于下部有岩石, 按2号标准结构层施工, 承载板试验满足要求, 并完成了吊装施工。

10号标准结构层设计是当地一家公司实施的方案, 及结果是满足要求的。

4 其它

上述道路结构层可作为前期风电部件运输和安装期间使用。风机安装完毕后即后期可加铺一层100-150mm的碎石基层作为磨耗层。其外观效果和工程形象面貌非常好。对筑路材料可进行3点CBR试验, 以确定满足强度要求所对应的合理的压实度。笔者按本文的方法编制了计算程序, 可快速进行不同材料、不同厚度的结构层设计。根据不同工程、不同的可利于的材料类型, 可方便的计算出其它风机内部道路结构层的标准设计。

5 结论

(1) 风电场场内的道路属于低交通量的道路工程;国内尚无风电场道路结构层设计方法和标准设计, 本文参照国外沥青混凝土道路的设计推荐了相应的设计方法, 该方法简单易行, 经济适用。

(2) 风电场道路结构层的设计厚度取决于筑路材料本身的强度、取决于路床材料CBR值的大小;取决于道路的施工质量。

(3) 给出了10种结构层类型和不同路床CBR值所对应的结构层标准设计, 成果与工程实际吻合的。

(4) 本文推荐的方法也可用于风电场内部道路工程设计、施工质量控制、现场设计调整等, 对EPC总承包商和道路设计人员提供有益的参考。

参考文献

[1]《公路工程技术标准》JTGB01-2014;

[2]《公路路线设计规范》JTG D20-2006

[3]《公路路面基层施工技术规范》JTJ 034-2000

[4]《公路路基设计规范》JTG D30-2004

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