基于电场分析的特高压直流输电换流阀故障诊断方法

摘要

本发明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。

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。

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所示的方式进行模型的建立。

如图3所示是建立起来的等效和简化的特高压直流输电换流阀组 件的有限元模型。

提取了实际组件模型的参数之后，进行简化和等效，组件的金属 横梁、晶闸管两端的散热器、TCE外壳等金属部件必须保持原有的尺 寸和形状；晶闸管也按照原来的形状进行设置，但是要根开通或者关 断两种状态给晶闸管设置不同的材料属性。

如图4所示是建立起来的等效和简化的特高压直流输电换流阀屏 蔽系统的模型。

换流阀的电场计算模型中，屏蔽系统也是比较关键的，对屏蔽罩 进行简化等效，保持了屏蔽罩的尺寸和外部形状，将内部的空心结构 等效为实心结构；阀塔两侧的电流排保留其外侧的形状和尺寸，将导 体内部的形状进行了简化等效；进线端的均压环也进行了等效简化。

如图5所示是固体绝缘介质表面的电场关系图。根据电场在分界 面上的衔接关系可以得到：

$\left(\begin{array}{c}{E}_{1t}=E_{2t}\\ {ϵ}_1{E}_{1n}={ϵ}_2{E}_{2n}\end{array}\right)$①

$\frac{E_{1n}}{E_{2n}}=\frac{{ϵ}_2}{{ϵ}_1}={ϵ}_{2\gamma }$②

式中，E_1t和E_2t分别表示空气中和固体绝缘材料中电场切向分量即 和分界面平行的分量；E_1n和E_2n分别表示空气中和固体绝缘材料中电 场法向分量即和分界面垂直的分量；ε₁和ε₂分别为空气和固体绝缘材 料中的介电常数，ε_2γ为固体绝缘材料中的相对介电常数。如果电场中 E_n比较大，在介质分别面上是强垂直分量，那么在两侧电场的差距是 非常大的；如果电场中E_t比较大，在介质分别面上是弱垂直分量，那 么在两侧电场的差距是比较小的；两种情况下，介质表面的滑闪电压 是不同的，因此计算和分析介质表面电场分量对于设计绝缘结构很重 要。

如图7所示是建立起来的完整的换流阀电场计算模型。

在图3和图4中所示的是建立起换流阀阀组件和屏蔽结构系统的 有限元模型。在这两步的基础上，根据实际的尺寸，将组件、屏蔽系 统、饱和电抗器、电流排等组成完整的阀塔的有限元模型。阀塔的求 解与按照实际阀厅尺寸进行设置，例如阀厅结构为80m*40m*30m，如 图8中所示建立的求解域尺寸就为80m*40m*30m，其中阀塔顶部和求 解域底部之间的距离就是阀塔距离地面的高度。对于图8中所示的求 解域的六个面全部按照第一类边界条件进行设置，按照接地进行处 理，六个面全部为零电位面。

根据本方法建立的换流阀有限元模型，包括了屏蔽罩、均压环、 主水管，金属管母、组件等对决定电场分布的部件，保证了电场计算 模型的完整与可靠性，能完整和准确的反映出换流阀的电场特性，在 换流阀的有限元模型中包括了所有的金属部件，所有的空气绝缘结构 和固体绝缘结构都能准确的保留其实际的尺寸。同事经过简化和等 效，建立起来的换流阀有限元电场计算模型有具备实际中运算的操作 性。

如图9、10所示是进行电场分析的一个例子。

按照本方法中的前几个步骤，在完成整体计算后，就要进行电场 的详细分析。图7中阀塔层间的空气间隙距离为800mm，而层间的电 压差200kV。经过计算，最大电场在组件顶部的金属顶点处，最大电 场为1.3kV/mm。通过图7可以分析出在层间空气中电场分布比较均匀。

为了研究是否会发生局部放电等现象，在最大电场位置处附近的 点作为研究对象。图8点的电场电场强度分别为：1.30kV/mm、1.29 kV/mm、1.31kV/mm、1.26kV/mm、1.31kV/mm。因此可以判断在 金属顶点处附近电场没有突变的情况，不存在极不均匀电场的情况。 因此可以判断在该结构的阀塔层间空气间隙的绝缘强度满足要求，而 且不会出现绝缘故障。按照本发明所述的电场分析方法，可以准确和 完整评估换流阀设计中绝缘结构的特性和电磁屏蔽效能，为换流阀的 设计和改善提供方法。

基于电场分析的特高压直流输电换流阀故障诊断方法具体优点 如下：

1.换流阀电场计算模型建立过程简洁准确，利用电场的特性对换 流阀组件和其他结构进行等效简化，同时保留对电场影响比较关键的 模型参数；

2.换流阀电场计算模型中包括了屏蔽罩、均压环、主水管，金属 管母、组件等对决定电场分布的部件，保证了电场计算模型的完整与 可靠性；

3.换流阀电场计算模型建立过程中，所有的绝缘结构和部件的参 数都是可以控制的，对后期的换流阀绝缘结构和屏蔽结构的改进和优 化设计非常方便和使用；

4.可以对各种工况下阀塔最大电场强度位置、电场分布均匀程 度、关注位置上电场矢量等进行详细的计算，分析出换流阀的绝缘特 性和判断出容易发生局部放电的位置。