高海拔换流阀放电击穿电压仿真计算方法技术

本发明专利技术公开了一种高海拔换流阀放电击穿电压仿真计算方法，并公开了具有高海拔换流阀放电击穿电压仿真计算方法的系统，其中高海拔换流阀放电击穿电压仿真计算方法基于换流阀内部典型间隙的结构尺寸与间隙距离计算击穿判据，建立三维简化几何模型并进行有限元仿真计算，结合换流阀工作环境的海拔

【技术实现步骤摘要】
高海拔换流阀放电击穿电压仿真计算方法、系统、终端及介质


[0001]本专利技术涉及高电压与绝缘
，特别涉及一种高海拔换流阀放电击穿电压仿真计算方法
、
系统
、
终端及介质
。

技术介绍

[0002]我国能源分布和经济发展极不平衡的现状导致我国需要发展超特高压输电工程，将西部蕴藏的电力资源输送到经济发达的东部地区
。
超特高压输电工程具有输电容量大
、
输电线路长
、
电压等级高等特点，这为超特高压输电工程的绝缘配置带来重大挑战
。
在特高压直流输电工程一系列关键技术研究中，特高压直流换流站阀厅金具不但影响着换流站中各个系统运行的可靠性和稳定性，也直接决定整个阀厅的净空尺寸，其操作冲击放电特性是一个关键的技术难题
。
[0003]随着西南水电，尤其是金沙江上游水电的开发，换流站所处地区的海拔高度将超过
2000m
，在金沙江上游甚至会超过
4000m
，未来跨国互联的很多特高压工程也要经过高海拔地区，且阀厅屏蔽球金具一般尺寸较大，其和周围接地体组成的空气间隙更加接近稍不均匀电场，高海拔换流阀内部典型复杂间隙结构的放电特性和棒
‑
板
、
棒
‑
棒以及输电线路塔头间隙差别很大
。
科学地选择绝缘水平，合理地确定间隙距离是优化换流阀外绝缘设计的关键问题
。
目前国内外换流阀典型间隙放电电压主要通过试验方法获得，而试验成本高
、
周期长，且多是针对平原地区典型间隙，对高海拔复杂间隙结构的试验研究相对较少，针对性的数值模拟和计算研究也十分有限
。
因此有必要提出一种可靠且易于操作的换流阀内部复杂间隙结构在不同海拔条件下直流放电电压的计算方法，为实际高海拔超特高压换流站阀厅中的外绝缘配置提供指导
。
[0004]对高海拔换流阀内部复杂空气间隙结构放电电压的研究有助于指导超特高压输变电工程的间隙距离配置，进而提升其经济性和安全性，而通过真型试验得到复杂间隙的放电电压耗费成本高，时间周期长，结果不易推广，且难以穷尽所有复杂间隙
。

技术实现思路

[0005]本专利技术旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一
。
为此，本专利技术提出一种高海拔换流阀仿真计算方法，能够基于换流阀内部间隙几何尺寸与间隙距离，通过有限元仿真计算即可预测该间隙结构在不同海拔条件下的直流放电击穿电压，无需开展复杂的真型试验，大大节省试验与人工成本
。
[0006]本专利技术还提出一种具有上述高海拔换流阀仿真计算方法的系统
。
[0007]根据本专利技术的第一方面实施例的高海拔换流阀放电击穿电压仿真计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0008]根据工程设备的布置，建立几何模型；
[0009]选择确定典型间隙几何结构及其温度与海拔参数，建立有限元仿真模型，设置电压
U
为边界条件输入到所述几何模型中，仿真计算电场分布；
[0010]对粒子轨迹进行等暂态仿真，记录各电场线上不同时刻粒子所在位置的电场强度，以此计算各电场线上不同位置的汤森系数，进而得到不同电场线上的积分汤森系数
α
D
；
[0011]判断所选电极间隙的最短距离是否超过间隙阈值
d
c
，以此确定使用汤森击穿准则还是流注击穿准则；
[0012]对比不同电场线路径上的积分汤森系数值与击穿阈值，如果所有电场线都不满足条件则升高电压重复上述步骤直到在某一电压条件下出现电场线满足汤森系数大于等于击穿阈值；
[0013]通过更改不同的典型间隙几何结构或不同的海拔参数并重复上述仿真计算过程，能够分别计算对应海拔下的直流放电击穿电压
。
[0014]根据本专利技术实施例的高海拔换流阀放电击穿电压仿真计算方法，至少具有如下有益效果：
[0015]基于换流阀内部间隙几何尺寸与间隙距离，通过有限元仿真计算即可预测该间隙结构在不同海拔条件下的直流放电击穿电压，无需开展复杂的真型试验，大大节省试验与人工成本，简单便捷；该仿真计算方法能够实现各流程的自动求解计算，人工操作步骤较少，有利于降低劳动强度；该仿真与计算方法可以应用于不同海拔条件下换流阀内部多种不同的复杂间隙，具有较好的可扩展性
。
[0016]根据本专利技术的一些实施例，所述根据工程设备的布置，建立几何模型的步骤，包括：
[0017]根据工程设备的布置，分析换流阀内部高电位金具间
、
高电位金具与周围接地体等间隙结构，建立还原实际的典型间隙三维几何模型；
[0018]对细节尺寸进行简化处理，从网格剖分质量与简化后间隙关心区域电场强度变化两个角度评价仿真结果，在保证计算结果准确性的基础上优化计算速度，最终得到能够用于有限元仿真的几何模型
。
[0019]根据本专利技术的一些实施例，所述对粒子轨迹进行等暂态仿真，记录各电场线上不同时刻粒子所在位置的电场强度，以此计算各电场线上不同位置的汤森系数，进而得到不同电场线上的积分汤森系数
α
D
的步骤，包括：
[0020]选择一定范围的阴极表面场强畸变严重位置作为粒子
(
电场线
)
起始位置，对粒子轨迹进行等时间步长的暂态仿真；
[0021]粒子沿电场线运动，由阴极出发到达阳极，记录各电场线上不同时刻粒子所在位置的电场强度；
[0022]以此计算各电场线上不同位置的汤森系数，进而沿电场线路径对汤森系数积分，计算得到不同电场线上的积分汤森系数
α
D
。
[0023]根据本专利技术的一些实施例，所述判断所选电极间隙的最短距离是否超过阈值，以此确定使用汤森击穿准则还是流注击穿准则的步骤中，汤森击穿准则根据阴极电极材料计算击穿阈值
F
；流注击穿准则根据不同电场线在阴极表面的起始位置到阳极的最短直线距离，计算不同电场线路径对应的击穿阈值
F。
[0024]根据本专利技术的一些实施例，所述对比不同电场线路径上的积分汤森系数值与击穿阈值，如果所有电场线都不满足条件则升高电压重复上述步骤直到在某一电压条件下出现电场线满足汤森系数大于等于击穿阈值的步骤，包括：
[0025]对比不同电场线路径上的积分汤森系数值与击穿阈值，当存在电场线满足击穿条件
α
D
≥F
时，记录此时施加电压
U
，作为阻尼电容间隙结构在该海拔参数下的击穿电压，该电场线在阴极表面的起始位置是最有可能发生击穿的位置；当所有电场线都不满足击穿条件，即
α
D
＜
F
时，以
Δ
U
为单位步长升高电压
U
并重新本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种高海拔换流阀放电击穿电压仿真计算方法，其特征在于，包括以下步骤：根据工程设备的布置，建立几何模型；选择确定典型间隙几何结构及其温度与海拔参数，建立有限元仿真模型，设置电压
U
为边界条件输入到所述几何模型中，仿真计算电场分布；对粒子轨迹进行等暂态仿真，记录各电场线上不同时刻粒子所在位置的电场强度，以此计算各电场线上不同位置的汤森系数，进而得到不同电场线上的积分汤森系数
α
D
；判断所选电极间隙的最短距离是否超过击穿阈值
F
，以此确定使用汤森击穿准则还是流注击穿准则；对比不同电场线路径上的积分汤森系数值与击穿阈值，如果所有电场线都不满足条件则升高电压重复上述步骤直到在某一电压条件下出现电场线满足汤森系数大于等于击穿阈值；通过更改不同的典型间隙几何结构或不同的海拔参数并重复上述仿真计算过程，能够分别计算对应海拔下的直流放电击穿电压
。2.
根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据工程设备的布置，建立几何模型的步骤，包括：根据工程设备的布置，分析换流阀内部高电位金具间
、
高电位金具与周围接地体等间隙结构，建立还原实际的典型间隙三维几何模型；对细节尺寸进行简化处理，从网格剖分质量与简化后间隙关心区域电场强度变化两个角度评价仿真结果，在保证计算结果准确性的基础上优化计算速度，最终得到能够用于有限元仿真的几何模型
。3.
根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对粒子轨迹进行等暂态仿真，记录各电场线上不同时刻粒子所在位置的电场强度，以此计算各电场线上不同位置的汤森系数，进而得到不同电场线上的积分汤森系数
α
D
的步骤，包括：选择一定范围的阴极表面场强畸变严重位置作为粒子
(
电场线
)
起始位置，对粒子轨迹进行等时间步长的暂态仿真；粒子沿电场线运动，由阴极出发到达阳极，记录各电场线上不同时刻粒子所在位置的电场强度；以此计算各电场线上不同位置的汤森系数，进而沿电场线路径对汤森系数积分，计算得到不同电场线上的积分汤森系数
α
D
。4.
根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述判断所选电极间隙的最短距离是否超过阈值，以此确定使用汤森击穿准则还是流注击穿准则的步骤中，汤森击穿准则根据阴极电极材料计算击穿阈值
F
；流注击穿准则根据不同电场线在阴极表面的起始位置到阳极的最短直线距离，计算不同电场线路径对应的击穿阈值
F。5.
根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对比不同电场线路径上的积分汤森系数值与击穿阈值，如果所有电场线都不满足条件则升高电压重复上述步骤直到在某一电压条件下出现电场线满足汤森系数大于等于击穿阈值的步骤，包括：对比不同电场线路径上的积分汤森系数值与击穿阈值，当存在电场线满足击穿条件
α
D
≥F
时，记录此时施加电压
U
，作为阻尼电容间隙结构在该海拔参数下的击穿电压，该电场线在阴极表面的起始位置是最有可能发生击穿的位置；当所有电场线都不满足击穿条件，即
α
D
＜
F
时，以
Δ
U
为单位步长升高电压
U
并重新设置模型边界条件，重复上述步骤，直到在某一电压条件下出现电场线满足汤森系数大于等于击穿阈值
。6.
一种高海拔换流阀放电击穿电压仿真计算系统，其特征在于，包括：模型构建模块，...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘冀邱，仲崇山，丁玉剑，张进，刘杰，苏宇，姚修远，韩泽阳，杨冰雪，耿江海，王生富，张成磊，梁红胜，
申请(专利权)人：中国农业大学国网青海省电力公司电力科学研究院国家电网有限公司华北电力大学，
类型：发明
国别省市：