基于电场分析的特高压直流输电换流阀故障诊断方法技术

本发明专利技术涉及基于电场分析的特高压直流输电换流阀故障诊断方法，先根据换流阀的实际模型提取结构参数；根据提取的结构参数建立换流阀电场计算模型；选择要加在换流阀电池计算模型上的电场类型，并设置相应的激励和边界条件；对换流阀电场计算模型进行电场分析，判断是否有绝缘故障发生及定位故障发生位置；本发明专利技术从电场的性质出发，可以准确建立能反应换流阀绝缘特性的电场计算模型，同时又能保证计算机资源的合理利用；并根据不同工况下的实际情况分析出绝缘结构中的绝缘特性和判断出容易发生局部放电的位置，准确定位故障发生位置。

【技术实现步骤摘要】
基于电场分析的特高压直流输电换流阀故障诊断方法
本专利技术属于电力电子
，涉及一种基于电场分析的特高压直流输电换流阀故障诊断方法。
技术介绍
高压直流输电(HighVoltageDCtransmission,HVDC)具有适合长距离、大功率、跨区域输电的优点，半个多世纪以来高压直流输电技术得到了快速的发展。在我国将±800kV定义特高压直流电压的电压等级，我国规划建设的直流输电工程多达40条以上，其中特高压直流输电(UltraHighVoltageDCtransmission,UHVDC)工程超过15条。换流阀作为特高压直流输电系统的核心设备，是实现交直流电能转换的主要器件，同时也是特高压直流输电系统中最昂贵的设备，具有技术难度高、集成度大、稳定性要求高、跨学科等特点，包含了电力电子技术、高电压技术、冷却技术、电气绝缘技术、均压技术、控制技术等多个学科。目前国内在特高压直流输电研究领域中，关于控制算法和直流输电系统的研究比较多，但是关于换流阀设备的研究却是不多的。特高压换流阀中高压绝缘问题是最突出的，目前的绝缘结构设计或者屏蔽设计大部分都是按照原有的标准进行估算或者通过大量的试验去选择合理的屏蔽设计或者绝缘结构。这样可能会导致设计结果要么不能满足工程需要，要么冗余过大，同时大量的试验也会增加成本。而且电晕等局部放电现象不能在试验前进行预测和判断。从本质上来讲，绝缘强度就是绝缘结构承担电场强度的大小，绝缘故障的本质原因都是因为其绝缘结构中所承担电场强度超过了其击穿场强而导致的；同时电场或者磁场改善的情况也是屏蔽系统性能的衡量标准，因此高压直流输电换流阀的电场分析具有非常重要的意义。而目前关于换流阀电场的研究中，有的在进行换流阀电场分析时建立的分析模型不够完善，不能反应出换流阀完整的电场问题；有的在进行电场计算时采用原机械模型进行分析，这样既浪费计算机资源，又使计算结果很难收敛。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种简单的基于电场分析的特高压直流输电换流阀故障诊断方法，以实现对换流阀绝缘故障的快速、准确诊断为实现上述目的，本专利技术的基于电场分析的特高压直流输电换流阀故障诊断方法包括的步骤如下：(1)根据换流阀的实际模型提取结构参数；(2)根据步骤(1)提取的结构参数建立换流阀电场计算模型；(3)选择要加在换流阀电池计算模型上的电场类型，并设置相应的激励和边界条件；(4)对换流阀电场计算模型进行电场分析，判断是否有绝缘故障发生及定位故障发生位置。(5)根据步骤(4)中的电场分析，进行屏蔽结构的设计和阀塔内部器件的设计，或者进行绝缘结构的设计和优化。所述步骤(1)中换流阀结构参数包括换流阀中金属部件的尺寸、形状、在阀塔中的位置参数和阀塔中水管、固体绝缘介质、空气间隙以及换流阀中所有部件的材料属性。步骤(2)中对提取的结构参数进行简化等效，然后建立换流阀电池计算模型。对提取的结构参数进行简化等效是指，对换流阀中的带有圆孔或内部有拓扑结构的金属导体的内部结构等效为实心，以进行简化。步骤(2)中建立换流阀电场计算模型之后进行校验。所述步骤(3)中电场的类型包括静态电场分析和瞬态电场分析。静态电场分析采用换流阀稳态或者长期运行的激励和边界条件；瞬态电场分析采用换流阀极端工况条件下或者绝缘型式试验条件下的瞬态激励和边界条件。所述步骤(5)中对换流阀电场计算模型进行电场分析是指，空气间隙电场强度大小和电场分布均匀程度；固体绝缘材料中电场强度和表面的电场大小以及方向；最大电场强度和位置。本专利技术的基于电场分析的特高压直流输电换流阀故障诊断方法从电场的性质出发，可以准确建立能反应换流阀绝缘特性的电场计算模型，同时又能保证计算机资源的合理利用；并根据不同工况下的实际情况分析出绝缘结构中的绝缘特性和判断出容易发生局部放电的位置，准确定位故障发生位置。附图说明图1是金属部件电场模型的简化等效过程示意图；图2是金属部件电场模型建立过程需要注意的形状示意图；图3是建立的特高压换流阀组件电场计算模型图；图4是建立的特高压换流阀屏蔽系统电场计算模型图；图5是固体绝缘介质和空气分界面上电场关系图；图6是特高压换流阀电场分析方法的流程图；图7是实施例的有限元计算模型图；图8是阀塔求解域示意图；图9是计算出来的电场计算分布图；图10是图9中电场集中的位置示意图。具体实施方式如图6所示，基于电场分析的特高压直流输电换流阀故障诊断方法包括以下步骤：A、在初步设计的换流阀模型中提取结构参数：包括换流阀中所有金属部件的尺寸、形状、在阀塔中的位置等参数；阀塔中水管、固体绝缘介质、空气间隙等参数；换流阀中所有部件的材料属性，在电场分析中重点是介电常数和电导率。B、对提取的阀塔结构参数进行简化和等效分析，建立适合于电场计算的换流阀模型。C、判断建立的电场计算模型是否正确：通过和实际模型的对比进行分析，判断建立的计算模型能否正确反映出换流阀的电场特性。如果存在误差或者差异，那么返回B步骤，重新进行模型的将分析和建立。D、选择要分析的电场类型：包括静态电场分析和瞬态电场计算；E、根据选择要分析的电场的类型来确定电场计算的激励和边界条件：静态电场主要分析的是换流阀长期或者稳定运行情况下的电场分布，因此要结合换流阀的运行和阀厅中的实际情况来确定激励和边界条件；瞬态电场主要分析换流阀处于极端的情况下阀塔的绝缘结构能否正常运行，因此首先要准确的求出计算试验条件下换流阀的瞬态极端电压分布作为激励，实际的试验或者运行环境作为边界。F、电场分析，计算完成后对换流阀的电场进行分析：空气间隙电场强度大小和电场分布均匀程度；固体绝缘材料中电场强度和表面的电场大小以及方向；最大电场强度和位置；通过绝缘结构或者绝缘材料中承担的电场的大小和方向可以从理论上判断其绝缘特性或者是否发生放电等情况；还可以根据电场的大小变化来分析或者判断换流阀屏蔽结构的性能。G、根据电场计算结果指导或者优化设计：通过静电场的分析，可以得到换流阀长期或者稳态运行中的电场分布，根据该结果来进行屏蔽结构的设计和阀塔内部器件的设计，同时为分析换流阀长期运行特性提供依据；通过瞬态电场分析，可以分析和判断换流阀的绝缘结构是否满足要求，并依据结果来进行绝缘结构的设计和优化。如图1所示是特高压直流输电换流阀金属部件电场计算模型等效和简化模型方式示意图。金属部件在阀塔中是带电体，在电场计算中金属部件自身为一等电位体，在导体内部电场处处为零，因此导体内部的形状对导体外电场基本没有影响，因此可以按照图1所示对实际的金属模型进行简化等效。对于换流阀中的一些带有圆孔或者内部有拓扑结构的金属导体例如散热器、TCE、金属管母、屏蔽罩等内部结构都可以按照图1所示的方式去简化，即将内部结构设为实心结构。如图2所示是特高压直流输电换流阀金属部件电场计算模型建立过程中的原则。电场计算中重点考虑的金属外部绝缘结构中的电场强度，因此金属部件的外部形状和尺寸却决定着电场强度和电场的分布。因此在模型的建立和等效过程中，金属部件的外部形状和尺寸是绝对不能变的，必须和实际中的保持一致。尤其是金属部件的尖角或者圆角、圆倒角等位置，如图2所示的位置是不能进行改变的。对于换流阀的带点金属部件如电流排、金属水管、金属横梁、屏蔽罩等外侧的尺寸和形状都有要按照图2本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于电场分析的特高压直流输电换流阀故障诊断方法，其特征在于，该方法包括的步骤如下：（1）根据换流阀的实际模型提取结构参数；（2）根据步骤（1）提取的结构参数建立换流阀电场计算模型；（3）选择要加在换流阀电池计算模型上的电场类型，并设置相应的激励和边界条件；（4）对换流阀电场计算模型进行电场分析，判断是否有绝缘故障发生及定位故障发生位置。

【技术特征摘要】
1.基于电场分析的特高压直流输电换流阀故障诊断方法，其特征在于，该方法包括的步骤如下：(1)根据换流阀的实际模型提取结构参数；(2)根据步骤(1)提取的结构参数建立换流阀电场计算模型；(3)选择要加在换流阀电场计算模型上的电场类型，并设置相应的激励和边界条件；(4)对换流阀电场计算模型进行电场分析，判断是否有绝缘故障发生及定位故障发生位置；(5)根据步骤(4)中的电场分析，进行屏蔽结构的设计和阀塔内部器件的设计，或者进行绝缘结构的设计和优化；换流阀电场计算模型中包括的决定电场分布的部件有：屏蔽罩、均压环、主水管、金属管母和组件。2.根据权利要求1所述的基于电场分析的特高压直流输电换流阀故障诊断方法，其特征在于：所述步骤(1)中换流阀结构参数包括换流阀中金属部件的尺寸、形状、在阀塔中的位置参数和阀塔中水管、固体绝缘介质、空气间隙以及换流阀中所有部件的材料属性。3.根据权利要求1所述的基于电场分析的特高压直流输电换流阀故障诊断方法，其特征在于：步骤(2)中对提取的结构参数进行简化等效，然后建立换流阀电场计算模型。4.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚为正，张军，马俊民，何青连，张海龙，秦伟伟，李旭升，李生林，
申请(专利权)人：许继电气股份有限公司，
类型：发明
国别省市：