混合式直流断路器中串联多断口机械开关的均压仿真方法技术

本发明专利技术涉及直流电网设备保护技术，具体涉及混合式直流断路器中串联多断口机械开关的均压仿真方法，通过有限元场仿真准确计算装设均压组件后串联多断口机械开关的电压分配及分布电容参数，基于场仿真结果提取阻容电路模型，仿真获取均压组件的参数取值范围，并详细说明了各均压元件参数的确定依据，可解决目前直流串联多断口机械开关均压中仿真确定均压元件参数缺乏具体依据的问题。该方法可用于混合式高压直流断路器用串联多断口机械开关均压设计，通过路仿真进行均压设计，仿真结果可靠性强、准确性高。能显著提高各断口电压分配均压程度。成本低廉；对所使用的软件没有限制，通用程度更高。

Voltage-sharing simulation method of series multi-break mechanical switch in hybrid DC circuit breaker

【技术实现步骤摘要】
混合式直流断路器中串联多断口机械开关的均压仿真方法
本专利技术属于直流电网设备保护
，尤其涉及混合式直流断路器中串联多断口机械开关的均压仿真方法。
技术介绍
柔性直流电网技术具有控制灵活、可靠性高、独立功率调节、换流站数量少等特点，为新能源并网与消纳、孤岛供电、跨区输电提供了安全高效的解决方案，是未来电网的发展方向之一。建立高压直流电网是解决跨区输电、大规模可再生能源并网等问题的有效手段。而柔性直流电网的建设，依赖于直流电网保护技术的研究。高压直流断路器则是直流电网保护的关键设备，是直流电网安全、稳定运行的必需设备。根据直流断路器中关键开断器件的不同，可以将直流断路器分为3类：机械式直流断路器、全固态式直流断路器和混合式直流断路器。混合式高压直流断路器具有通态损耗小、关断速度高、开断能力强、无弧开断的优点，是当前高压直流断路器的研究热点。在混合式高压直流断路器中，高速机械开关与全桥固态开关模块串联构成主支路，全桥固态开关实现大电流的开断，机械开关实现关合通流及无弧开断后承担电压，高速机械开关由隔离断口及操动机构组成。直流断路器电压等级越高，机械开关关断后承担电压越高，要求隔离断口开距越大；然而，过大的开距会增加机械开关的动作时间，使混合式高压直流断路器达到额定开距的时间增加。500kV柔性直流电网，则对直流断路器的开断能力、开断速动性提出了更严苛的要求，由于直流故障发展迅速、危害巨大，要求直流断路器的开断时间为毫秒级。因此，550kV高压快速机械开关采用六个110kV开距较小的断口串联的形式，从而减小机械开关的分合闸时间，保证电网对直流断路器的速动性要求。但是，不同断口导体组成多导体系统，存在对地杂散电容，导致采用多个断口串联的高压直流快速机械开关各断口的电压分配极不均匀。承受较高电压的断口在开断过程中将被击穿，可能导致开断失败。机械开关承担电压包含稳态直流电压和开断过程中的动态电压，稳态直流电压分布由各断口直流电阻决定，动态电压受到阻容分布的影响。因此，必须对多断口高压直流快速机械开关进行均压设计，选择合适的均压电阻使机械开关各断口满足稳态均压要求，选择合适的均压阻容使机械开关满足暂态均压要求，最终使机械开关各隔离断口静动态电压分配均匀性满足均压系数≥90％甚至更高的要求。现有技术大多通过试验方法选取直流断路器中串联多断口机械开关的均压组件参数，申请公布号为CN108919109A，名称为“一种多断口高压直流快速机械开关动态均压模拟试验方法”的专利，首先根据最大行程差值条件下的串联多断口机械开关仿真计算分布电容参数建立等效阻容网络，计算各断口均压阻容参数，再根据该参数选购实际元件进行现场试验，最终根据试验结果确定最佳均压阻容。该方法存在以下缺陷：①限定了仿真计算采用的软件，通用性较低；②没有明确给出仿真的实施细节及仿真计算均压阻容参数的具体选取依据，实际可实施性不强；③最终需要通过多次高压试验来确定选取的参数，试验设备成本较高，经济性较差。寻找一种更有效、更经济、可实施性更强的串联多断口机械开关均压方法，是需要进一步解决的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种混合式直流断路器中串联多断口机械开关的均压仿真方法。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：混合式直流断路器中串联多断口机械开关的均压仿真方法，包括以下步骤：步骤1、建立三维模型；根据混合式直流断路器中串联多断口机械开关的实际结构尺寸和设计方案来构建三维模型；步骤2、进行有限元电场仿真；将步骤1中三维模型导入有限元软件，剖分网格形成有限元模型，加载电压进行电场及电位分布计算，求解各断口的电压分配特性，同时提取三维仿真模型的分布电容参数，建立简化分布电容模型；步骤3、进行电路仿真；根据步骤2建立的简化分布电容模型，添加各断口绝缘电阻，构建串联多断口机械开关的电路模型，加载开断过程中机械开关承担的电压波形进行仿真；步骤4、均压仿真；以步骤3电路模型为基础，在各个断口并联均压组件，基于控制变量法，先设为一定值，分别改变均压电阻、均压电容及限流电阻参数进行仿真，求解参数均压系数、元件通流、耐压、电阻功率，根据所求参数对比应用场景的需求及元件限值逐步选定均压组件的取值；步骤5、均压效果及完全性校验；对步骤4选定的均压组件进行仿真，验证其是否满足均压系数达标同时元件安全性在允许范围内的要求；若不满足，则相应微调均压组件参数，并重新进行步骤5，直至达到要求。在上述的混合式直流断路器中串联多断口机械开关的均压仿真方法中，步骤2的实现包括：步骤2.1、将步骤1构建的三维模型导入有限元软件，根据其实际结构对各部件赋予相应的材料属性和单元，并进行体网格剖分，形成多断口机械开关有限元模型；步骤2.2、完成有限元电场仿真的参数设置；将步骤2.1建立的多断口机械开关有限元模型施加边界条件和电压，其中边界条件包括接地导体电位为0，及相连的金属导体等电位，电压施加于高压端断口的静触头；步骤2.3、采用有限元软件仿真计算多断口机械开关电场，提取各断口电压分布比例以及分布电容参数，忽略分布电容参数中远小于其它值的分布参数，从而建立简化分布电容模型。在上述的混合式直流断路器中串联多断口机械开关的均压仿真方法中，步骤4的实现包括：步骤4.1、在各个断口的断口电容和绝缘电阻上并联均压组件；步骤4.2、保持其他均压组件参数不变，改变均压电阻参数进行仿真计算，根据关断并达到稳态后均压电阻的发热功率确定均压电阻的功率限值；根据断口电压峰值除以均压系数确定均压电阻承受电压限值；均压系数大于等于90％；步骤4.3、保持已经确定的均压电阻和未确定的限流电阻不变，改变均压电容参数进行仿真，根据均压系数参数大于等于需求的均压系数确定均压电容的额定电容值，仿真中均压系数按各断口的平均最大电压除以单个断口电压的最大值计算，同时根据断口电压峰值确定实际元件选取时的耐压能力；步骤4.4、保持已经确定的均压电阻和均压电容参数不变，改变限流电阻参数仿真，使均压电容电流峰值降至均压电容可承受通流能力以内，限流电阻的额定电阻值即为满足该条件的仿真参数值，同时根据耐受暂态电流大于等于均压电容电流峰值仿真值、吸能容量大于限流电阻暂态吸能仿真值确定实际限流电阻的参数选取。本专利技术的有益效果是：1、本专利技术利用场路耦合仿真方法，通过有限元场仿真，准确得到串联多断口机械开关的电压分配及分布电容参数，再形成电路模型，通过路仿真进行均压设计，仿真结果可靠性强、准确性高。2、将本专利技术应用于混合式高压直流断路器中的串联多断口高速机械开关均压设计，可有效解决仿真计算均压组件参数时缺乏明确选取依据的问题。3、本专利技术适用于强迫换流型混合式高压直流断路器中的串联多断口机械开关，使用该方法可使整机均压系数达到90％以上甚至更高。4、本专利技术仅需进行仿真计算，成本低廉；对所使用的软件没有限制，通用程度更高。附图说明图1为本专利技术一个实施例的流程图；图2为本专利技术一个实施例均压组件电路；图3为本专利技术一个实施例中的单个机械开关单元结构示意图；图4为本专利技术一个实施例中通过步骤1建立的单个模块机械开关1/2三维模型图；图5为本专利技术一个实施例中串联多断口机械开关电极编号及竖直布置示意图；图6为本专利技术一个实施例中通过步骤2建立的混合式直流断路器用串联本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.混合式直流断路器中串联多断口机械开关的均压仿真方法，其特征是，包括以下步骤：步骤1、建立三维模型；根据混合式直流断路器中串联多断口机械开关的实际结构尺寸和设计方案来构建三维模型；步骤2、进行有限元电场仿真；将步骤1中三维模型导入有限元软件，剖分网格形成有限元模型，加载电压进行电场及电位分布计算，求解各断口的电压分配特性，同时提取三维仿真模型的分布电容参数，建立简化分布电容模型；步骤3、进行电路仿真；根据步骤2建立的简化分布电容模型，添加各断口绝缘电阻，构建串联多断口机械开关的电路模型，加载开断过程中机械开关承担的电压波形进行仿真；步骤4、均压仿真；以步骤3电路模型为基础，在各个断口并联均压组件，基于控制变量法，先设为一定值，分别改变均压电阻、均压电容及限流电阻参数进行仿真，求解参数均压系数、元件通流、耐压、电阻功率，根据所求参数对比应用场景的需求及元件限值逐步选定均压组件的取值；步骤5、均压效果及完全性校验；对步骤4选定的均压组件进行仿真，验证其是否满足均压系数达标同时元件安全性在允许范围内的要求；若不满足，则相应微调均压组件参数，并重新进行步骤5，直至达到要求。

【技术特征摘要】
1.混合式直流断路器中串联多断口机械开关的均压仿真方法，其特征是，包括以下步骤：步骤1、建立三维模型；根据混合式直流断路器中串联多断口机械开关的实际结构尺寸和设计方案来构建三维模型；步骤2、进行有限元电场仿真；将步骤1中三维模型导入有限元软件，剖分网格形成有限元模型，加载电压进行电场及电位分布计算，求解各断口的电压分配特性，同时提取三维仿真模型的分布电容参数，建立简化分布电容模型；步骤3、进行电路仿真；根据步骤2建立的简化分布电容模型，添加各断口绝缘电阻，构建串联多断口机械开关的电路模型，加载开断过程中机械开关承担的电压波形进行仿真；步骤4、均压仿真；以步骤3电路模型为基础，在各个断口并联均压组件，基于控制变量法，先设为一定值，分别改变均压电阻、均压电容及限流电阻参数进行仿真，求解参数均压系数、元件通流、耐压、电阻功率，根据所求参数对比应用场景的需求及元件限值逐步选定均压组件的取值；步骤5、均压效果及完全性校验；对步骤4选定的均压组件进行仿真，验证其是否满足均压系数达标同时元件安全性在允许范围内的要求；若不满足，则相应微调均压组件参数，并重新进行步骤5，直至达到要求。2.如权利要求1所述的混合式直流断路器中串联多断口机械开关的均压仿真方法，其特征是，步骤2的实现包括：步骤2.1、将步骤1构建的三维模型导入有限元软件，根据其实际结构对各部件赋予相应的材料属性和单元，并进行体网格剖分，形成多断口机械开关有限元模型；步骤2.2、完成有限元...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄道春，全万霖，王学宗，李冠南，杨秋玉，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42