[发明专利]基于电场分析的特高压直流输电换流阀故障诊断方法

说明书

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，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。

背景技术

高压直流输电(High Voltage DC transmission,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（Ultra High Voltage DC transmission,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。

发明内容

本发明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，本发明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。

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。

本发明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。