CN108334982A - 换流阀内冷系统均压电极均压能力的评估方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种换流阀内冷系统均压电极均压能力的评估方法及系统。针对目前换流阀均压电极均压不均匀引起的内冷系统漏水、击穿和堵塞问题，本发明的评估方法利用换流阀阀层内冷系统的物理模型，结合内冷水水质参数、水循环回路几何参数建立换流阀内冷系统等效电路模型，计算均压电极未结垢时的泄露电流值；通过阀冷系统电场‑流场分布特性计算出散热器腐蚀与均压电极结垢规律，分析换流阀不同运行时间后均压电极的结垢厚度与结垢形状，根据结垢材质特性参数、结垢形状几何参数计算不同运行时间后均压电极的泄露电流值。本发明具有有效评估均压电极均压能力，预测均压电极失效时间，保证换流阀阀冷系统稳定运行的优点。
Description
技术领域
本发明涉及直流输电系统均压电极均压能力评估技术，尤其是一种换流阀内冷系统均压电极均压能力的评估方法及系统。
背景技术
近年中国直流输电工程技术发展迅速，截止2017年，已经建成27个直流输电工程，预计到2020年左右，我国直流输电工程将达到30个，超过50个换流站，输送容量超过90000MW。
换流阀是直流输电系统的关键设备，然而运行经验表明换流站阀冷系统中腐蚀和结垢现象严重，已经导致多起元件损毁和停运事故，例如国内500kV换流站多次发生阀冷系统故障，因阀冷系统设备故障导致直流系统停运有3次，占到所有停运次数的50％。因此，阀冷系统是换流阀的薄弱点，超过25％的换流阀故障是由阀冷系统造成。此外，超过66％的阀冷系统故障与阀冷系统腐蚀和结垢相关。
工程上普遍采用冷却水路方式对其中高发热元件进行散热降温。为了保证阀塔中水路电位变化与晶闸管电位变化一致，防止水路中的金属器件发生电解腐蚀，在内冷水系统的管路中安装铂制均压电极。均压电极结垢在直流输电工程中是普遍存在的现象，且在实际运行中已出现多次由于电极结垢导致阀塔元器件损坏，造成直流系统闭锁。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种换流阀内冷系统均压电极均压能力的评估方法，其通过对均压电极均压能力的评估，实现及时更换均压电极，保证换流阀安全、可靠的运行，进而避免因均压电极均压不均匀引起的漏水、堵塞、结垢脱落而造成的换流站停运。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：换流阀内冷系统均压电极均压能力的评估方法，包括以下步骤：
1)针对某电压等级的换流站，建立其低压端换流阀的阀层内冷系统物理模型；
2)将阀层内冷系统物理模型转化为阀冷系统等效电路模型，并计算各均压电极未结垢、且以内冷水电导率为0.5μS/cm时计算出的泄露电流值为阈值；
3)通过电场-流场计算方法计算散热器腐蚀与均压电极结垢，分析换流阀不同运行时间后均压电极的结垢厚度与结垢形状；
4)利用结垢垢质的材料参数及垢质的几何形状参数更改阀冷系统等效电路模型的参数，并计算出不同运行时间后均压电极处的泄露电流值；
5)将更改参数后的阀冷系统等效电路模型所计算出的泄露电流值与阈值对比，评估不同运行时间后均压电极的均压能力。
本发明根据结垢材质特性参数、结垢形状几何参数计算不同运行时间后均压电极的泄露电流值，构建阀冷系统结垢数据表，并判断其与结垢阈值关系，确定均压电极的均压能力是否失效。
本发明通过建立阀层内冷系统物理模型以及等效电路模型、计算均压电极泄露电流阈值及不同运行时间后的泄露电流值、评定均压电极均压能力，能有效保证在均压电极失效前对其进行更换，从而确保换流阀的安全、可靠运行。
作为上述技术方案的补充，步骤1)中，所述低压端换流阀的阀层内冷系统物理模型包括阀层中的铝制散热器、均压电极、主水路管、支路水管和水接头，所述的支路水管连接主水路管和铝制散热器。
作为上述技术方案的补充，步骤2)中，将阀层内冷系统物理模型转化为阀冷系统等效电路模型的方法是：把均压电极与邻近水接头、主水路管上相邻两个水接头以及支路水管内的水看做一段段小电阻。
作为上述技术方案的补充，步骤2)中，计算泄露电流值时，确定阀冷系统等效电路模型参数的方法如下：
①计算各段水路的电阻，水路中各段电阻的计算如下：
σ为电导率，μS/cm；L为水段长度，cm；S为水回路的截面积，cm2；
②计算该换流站双重阀塔阀层内各晶闸管承受的电压幅值，进而计算整个阀层所承受的电压幅值。
作为上述技术方案的补充，换流阀安全运行时水回路的电导率为0.06-0.07μS/cm，考虑较严酷的水环境，取电导率为0.07μS/cm；
作为上述技术方案的补充，所述步骤3)中，所述电场-流场的计算方法如下：
①电场计算
换流阀电压为50Hz的工频电压，因此由磁场变化产生的感应电场可以忽略不计。可得到准静态电场的泛定方程的相量形式为：
式中：ω为角频率；ε为介电常数；γ为电导率；E为电场；jωεE为位移电流密度；γE为传导电流密度；·表示求散度。若媒质中的位移电流密度远大于传导电流密度，则可以忽略传导电流的影响，应基于静电场原理进行分析求解；反之则可以忽略位移电流的影响，应基于电流场原理进行分析求解。由于水路内部传导电流密度远大于位移电流密度，因此应基于电流场原理进行分析计算。
②流场计算
在流体场中非恒定运动的固体颗粒所受到的各种作用力，按照作用方式的不同可以分为三类：(a)与流体和颗粒间的相对运动无关的力，包括惯性力、压力梯度力FP、重力Fg等；(b)依赖于流体和颗粒间的相对运动，且与相对运动速度方向相同的力，这类力有曳力FD、附加质量力FVM、Basset力FB等，这类力可统称为广义阻力；(c)依赖于流体和颗粒间的相对运动，但与相对运动速度方向垂直的力，如Saffman力FLS、Magnus力FLM等，这类力可统称为广义升力。
Lagrangian坐标下的颗粒运动微分方程形式为：
式中：up为颗粒速度，m/s；ρp为颗粒密度，kg/m3；ρf为流体密度，kg/m3；dp为颗粒直径，m；μf为流体粘性；uf为流体速度，m/s；Cd为曳力系数；Cm为附加质量力系数；CB为Basset力系数；CLM为Magnus升力系数；CLS为Saffman升力系数；t，τ为微分变量；dτ表示对时间求积分；ω为颗粒振动频率；表示求梯度。
作为上述技术方案的补充，所述结垢垢质的材料参数包括元素分析、导热率和电导率。
作为上述技术方案的补充，所述垢垢质的几何形状参数包括厚度和曲率半径。
本发明还提供一种换流阀内冷系统均压电极均压能力的评估系统，其包括：
物理模型构建单元：针对某电压等级的换流站，建立其低压端换流阀的阀层内冷系统物理模型；
转化单元：将阀层内冷系统物理模型转化为阀冷系统等效电路模型；
第一泄露电流值计算单元：计算各均压电极未结垢、且以内冷水电导率为0.5μS/cm时计算出的泄露电流值为阈值；
分析单元：通过电场-流场计算方法计算散热器腐蚀与均压电极结垢，分析换流阀不同运行时间后均压电极的结垢厚度与结垢形状；
参数更改单元：利用结垢垢质的材料参数及垢质的几何形状参数更改阀冷系统等效电路模型的参数；
第二泄露电流值计算单元：计算出不同运行时间后均压电极处的泄露电流值；
评估单元：将更改参数后的阀冷系统等效电路模型所计算出的泄露电流值与阈值对比，评估不同运行时间后均压电极的均压能力。
本发明具有的有益效果如下：本发明具有有效评估均压电极均压能力，预测均压电极失效时间，保证换流阀阀冷系统稳定运行的优点。
附图说明
图1为本发明实施例1评估方法的流程图；
图2为本发明实施例1中换流阀阀层内冷系统结构图，其中L1-L4分别表示阀层4个电抗器，E3-E6、E7-E10表示阀层8个均压电极，V1-V26表示晶闸管，S表示阀层散热器，Z、A分别表示阀层进、出水管，R1-R26表示水冷电阻，L1Z、L1A分别表示流经电抗器的进、出水管；
图3为本发明实施例1中换流阀阀层内冷系统物理模型图，图中，1-铝制散热器，2-支路水管，3-主水路管，4-水接头，5-均压电极接口；
图4为本发明实施例1中换流阀阀冷系统等效电路模型图，其中R0-R30分别为水路等效电阻，V1-V17为等效电源。
具体实施方式
为使本发明的目的、特征、步骤、优点更加清晰易懂，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。首先需要说明的是，本发明并不限于下述具体实施方式，本领域的技术人员应该从下述实施方式所体现的精神来理解本发明，各技术术语可以基于本发明的精神实质来做最宽泛的理解。
实施例1
本实施例提供一种换流阀内冷系统均压电极均压能力的评估方法，如图1所示，包括以下步骤：
1)针对某电压等级的换流站，建立其低压端换流阀的阀层内冷系统物理模型；
2)将阀层内冷系统物理模型转化为阀冷系统等效电路模型，并计算各均压电极未结垢时且以内冷水电导率为0.5μS/cm时计算出的泄露电流值为阈值；
3)通过电场-流场计算方法计算散热器腐蚀与均压电极结垢，分析换流阀不同运行时间后均压电极的结垢厚度与结垢形状；
4)利用结垢垢质的材料参数及垢质的几何形状参数更改阀冷系统等效电路模型的参数，并计算出不同运行时间后均压电极处的泄露电流值；
5)将更改参数后的阀冷系统等效电路模型所计算出的泄露电流值与阈值对比，评估不同运行时间后均压电极的均压能力。
换流阀阀层内冷系统结构如图2所示，将其简化为阀层内冷系统物理模型，如图3所示，包括阀层中的铝制散热器1、均压电极接口5、主水路管3(即进/出水管)、支路水管2和水接头4，所述的支路水管连接主水路管和铝制散热器。
步骤2)中，将阀层内冷系统物理模型转化为阀冷系统等效电路模型(如图4所示)的方法是：把均压电极与邻近水接头、主水路管上相邻两个水接头以及支路水管内的水看做一段段小电阻。
步骤2)中，计算泄露电流值时，确定阀冷系统等效电路模型参数的方法如下：
①计算各段水路的电阻，水路中各段电阻的计算如下：
σ为电导率，μS/cm；L为水段长度，cm；S为水回路的截面积，cm2；
②计算某换流站双重阀塔阀层内各晶闸管承受的电压幅值，进而计算整个阀层所承受的电压幅值，以此幅值作为图2中均压电极E9的电位值，均压电极E7处的电位设置为0V。
换流阀安全运行时水回路的电导率为0.06-0.07μS/cm，考虑较严酷的水环境，取电导率为0.07μS/cm。
所述步骤3)中，所述电场-流场的计算方法如下：
①电场计算
换流阀电压为50Hz的工频电压，因此由磁场变化产生的感应电场可以忽略不计。可得到准静态电场的泛定方程的相量形式为：
式中：ω为角频率；ε为介电常数；γ为电导率；E为电场；jωεE为位移电流密度；γE为传导电流密度；·表示求散度。若媒质中的位移电流密度远大于传导电流密度，则可以忽略传导电流的影响，应基于静电场原理进行分析求解；反之则可以忽略位移电流的影响，应基于电流场原理进行分析求解。由于水路内部传导电流密度远大于位移电流密度，因此应基于电流场原理进行分析计算。
②流场计算
在流体场中非恒定运动的固体颗粒所受到的各种作用力，按照作用方式的不同可以分为三类：(a)与流体和颗粒间的相对运动无关的力，包括惯性力、压力梯度力FP、重力Fg等；(b)依赖于流体和颗粒间的相对运动，且与相对运动速度方向相同的力，这类力有曳力FD、附加质量力FVM、Basset力FB等，这类力可统称为广义阻力；(c)依赖于流体和颗粒间的相对运动，但与相对运动速度方向垂直的力，如Saffman力FLS、Magnus力FLM等，这类力可统称为广义升力。
Lagrangian坐标下的颗粒运动微分方程形式为：
式中：up为颗粒速度，m/s；ρp为颗粒密度，kg/m3；ρf为流体密度，kg/m3；dp为颗粒直径，m；μf为流体粘性；uf为流体速度，m/s；Cd为曳力系数；Cm为附加质量力系数；CB为Basset力系数；CLM为Magnus升力系数；CLS为Saffman升力系数；t，τ为微分变量；dτ表示对时间求积分；为颗粒振动频率；表示求梯度。
所述结垢垢质的材料参数包括元素分析、导热率和电导率。垢垢质的几何形状参数包括厚度和曲率半径。
实施例2
本实施例提供一种换流阀内冷系统均压电极均压能力的评估系统，其包括：
物理模型构建单元：针对某电压等级的换流站，建立其低压端换流阀的阀层内冷系统物理模型；
转化单元：将阀层内冷系统物理模型转化为阀冷系统等效电路模型；
第一泄露电流值计算单元：计算各均压电极未结垢时、且以内冷水电导率为0.5μS/cm计算出的泄露电流值为阈值；
分析单元：通过电场-流场计算方法计算散热器腐蚀与均压电极结垢，分析换流阀不同运行时间后均压电极的结垢厚度与结垢形状；
参数更改单元：利用结垢垢质的材料参数及垢质的几何形状参数更改阀冷系统等效电路模型的参数；
第二泄露电流值计算单元：计算出不同运行时间后均压电极处的泄露电流值；
评估单元：将更改参数后的阀冷系统等效电路模型所计算出的泄露电流值与阈值对比，评估不同运行时间后均压电极的均压能力。
所述低压端换流阀的阀层内冷系统物理模型包括阀层中的铝制散热器、均压电极、主水路管、支路水管和水接头，所述的支路水管连接主水路管和铝制散热器。
转化单元中，将阀层内冷系统物理模型转化为阀冷系统等效电路模型的方法是：把均压电极与邻近水接头、主水路管上相邻两个水接头以及支路水管内的水看做一段段小电阻。
Claims (10)
1.换流阀内冷系统均压电极均压能力的评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)针对某电压等级的换流站，建立其低压端换流阀的阀层内冷系统物理模型；
2)将阀层内冷系统物理模型转化为阀冷系统等效电路模型，并计算各均压电极未结垢、且以内冷水电导率为0.5μS/cm时计算出的泄露电流值为阈值；
3)通过电场-流场计算方法计算散热器腐蚀与均压电极结垢规律，分析换流阀不同运行时间后均压电极的结垢厚度与结垢形状；
4)利用结垢垢质的材料参数及垢质的几何形状参数更改阀冷系统等效电路模型的参数，并计算出不同运行时间后均压电极处的泄露电流值；
5)将更改参数后的阀冷系统等效电路模型所计算出的泄露电流值与阈值对比，评估不同运行时间后均压电极的均压能力。
2.根据权利要求1所述的换流阀内冷系统均压电极均压能力的评估方法，其特征在于，步骤1)中，所述低压端换流阀的阀层内冷系统物理模型包括阀层中的铝制散热器、均压电极、主水路管、支路水管和水接头，所述的支路水管连接主水路管和铝制散热器。
3.根据权利要求2所述的换流阀内冷系统均压电极均压能力的评估方法，其特征在于，步骤2)中，将阀层内冷系统物理模型转化为阀冷系统等效电路模型的方法是：把均压电极与邻近水接头、主水路管上相邻两个水接头以及支路水管内的水看做一段段小电阻。
4.根据权利要求3所述的换流阀内冷系统均压电极均压能力的评估方法，其特征在于，步骤2)中，计算泄露电流值时，确定阀冷系统等效电路模型参数的方法如下：
①计算各段水路的电阻，水路中各段电阻的计算如下：
σ为电导率，μS/cm；L为水段长度，cm；S为水回路的截面积，cm2；
②计算换流站双重阀塔阀层内各晶闸管承受的电压幅值，进而计算整个阀层所承受的电压幅值。
5.根据权利要求4所述的换流阀内冷系统均压电极均压能力的评估方法，其特征在于，步骤2)中计算各段水路的电阻时，换流阀安全运行时水回路的电导率为0.06-0.07μS/cm。
6.根据权利要求1所述的换流阀内冷系统均压电极均压能力的评估方法，其特征在于，步骤3)中，所述的电场-流场计算方法如下：
①电场计算
换流阀电压为50Hz的工频电压，因此由磁场变化产生的感应电场忽略不计，得到准静态电场的泛定方程为：
式中：ω为角频率；ε为介电常数；γ为电导率；E为电场；jωεE为位移电流密度；γE为传导电流密度；表示求散度；然后基于电流场原理进行分析求解；
②流场计算
Lagrangian坐标下的颗粒运动微分方程形式为：
式中：up为颗粒速度，m/s；ρp为颗粒密度，kg/m3；ρf为流体密度，kg/m3；dp为颗粒直径，m；μf为流体粘性；uf为流体速度，m/s；Cd为曳力系数；Cm为附加质量力系数；CB为Basset力系数；CLM为Magnus升力系数；CLS为Saffman升力系数；t，τ为微分变量；dτ表示对时间求积分；ω为颗粒振动频率；表示求梯度。
7.根据权利要求1-6任一项所述的换流阀内冷系统均压电极均压能力的评估方法，其特征在于，所述的步骤4)中，结垢垢质的材料参数包括元素分析、导热率和电导率。
8.根据权利要求1-6任一项所述的换流阀内冷系统均压电极均压能力的评估方法，其特征在于，所述的步骤4)中，结垢垢质的几何形状参数包括厚度和曲率半径。
9.换流阀内冷系统均压电极均压能力的评估系统，其特征在于，包括：
物理模型构建单元：针对某电压等级的换流站，建立其低压端换流阀的阀层内冷系统物理模型；
转化单元：将阀层内冷系统物理模型转化为阀冷系统等效电路模型；
第一泄露电流值计算单元：计算各均压电极未结垢、且以内冷水电导率为0.5μS/cm时计算出的泄露电流值为阈值；
分析单元：通过电场-流场计算方法计算散热器腐蚀与均压电极结垢，分析换流阀不同运行时间后均压电极的结垢厚度与结垢形状；
参数更改单元：利用结垢垢质的材料参数及垢质的几何形状参数更改阀冷系统等效电路模型的参数；
第二泄露电流值计算单元：计算出不同运行时间后均压电极处的泄露电流值；
评估单元：将更改参数后的阀冷系统等效电路模型所计算出的泄露电流值与阈值对比，评估不同运行时间后均压电极的均压能力。
10.根据权利要求9所述的换流阀内冷系统均压电极均压能力的评估系统，其特征在于，转化单元中，将阀层内冷系统物理模型转化为阀冷系统等效电路模型的方法是：把均压电极与邻近水接头、主水路管上相邻两个水接头以及支路水管内的水看做一段段小电阻。
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