CN108647396A - 一种用于提升换流阀可靠性的关键设备故障风险评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于提升换流阀可靠性的关键设备故障风险评估方法，本方法以提升高压直流输电换流阀可靠性为目的，该方法中对换流阀的关键设备同时从系统运行特性和运行环境参量两个方面进行评估，通过系统的电磁暂态分析得到设备的运行电气参数，并通过有限元仿真分析得出具体的运行参量对应的设备运行环境。本方法通过稳态工况下设备的运行参数和环境参量评估其长期运行的故障风险；通过暂态运行工况下设备的运行参数和环境参量评估其极端工况下的暂态故障风险，并在此基础上指导换流阀的维护和优化升级，降低换流阀故障率和停运风险，从而实现对换流阀可靠性的提升，具有较好的实用性和经济性。
Description
技术领域
本发明涉及电力工程技术领域，具体涉及一种用于提升换流阀可靠性的关键设备故障风险评估方法。
背景技术
基于晶闸管的高压直流输电系统以其技术成熟、损耗低以及成本低等特点，在长距离大容量送电及电网互联方面有着明显的优势。由于我国能源分布不均衡、经济发展水平差异大的特点，高压直流输电技术在我国“西电东送，全国联网”战略中发挥着重要作用。近几年，在我国已经有多条高压直流输电线路并网投入运行，而且伴随着经济发展与能源结构转型的趋势，未来直流输电线路会日益增多。
由于晶闸管换流器的特点，在运行过程中高压直流输电系统采用了电网换相技术。依靠换流阀的工作将交流电能转化为直流电能进行传输，受端换流站又依靠换流阀的工作将直流电能转化为交流电能传送至当地电网。在晶闸管换流器中每个单阀在运行过程中同时处于导通或者关断状态，因此构成换流阀的所有关键设备和部件发生故障都会引起换流阀可靠性的降低。目前业界内主要针对换流阀故障发生原因的研究比较多，也有部分针对故障发展特性的研究。对于换流阀中关键部件故障研究并没有结合系统的暂态特性。目前，业界内也没有针对如何避免故障发生的角度去研究换流阀的关键部件。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种用于提升换流阀可靠性的关键设备故障风险评估方法，以提升高压直流输电换流阀的可靠性。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种用于提升换流阀可靠性的关键设备故障风险评估方法，包括：
按照实际的高压直流输电系统建立包括一次设备和控制保护系统的高压直流输电系统电磁暂态模型；
按照换流阀实际结构建立包含关键设备的换流阀有限元仿真模型；
分别从稳定运行工况和暂态运行工况两个方面对换流阀的关键设备故障风险进行评估；
稳定运行工况分析时：
首先将稳态运行工况以及运行条件输入到高压直流输电系统电磁暂态模型中，经过仿真计算得到换流阀的稳态运行参数，将稳态运行参数输出并保存；
将稳态运行参数作为换流阀有限元仿真静态场计算的输入条件，换流阀有限元仿真模型根据输入的电气量进行激励的设置，经过换流阀有限元仿真模型的多物理场仿真分析，得到换流阀中关键设备长期的运行环境参数，以对换流阀的关键设备进行故障风险的判断；
暂态运行工况分析时：
首先将暂态运行工况输入到高压直流输电系统电磁暂态模型中，经过仿真计算得到换流阀的关键设备的计算暂态参数，将暂态参数输出并保存；
将暂态参数作为换流阀有限元仿真瞬态场分析计算的输入条件，换流阀有限元仿真模型根据输入的电气量进行激励的设置，经过换流阀有限元仿真模型的多物理场仿真分析，得到换流阀中关键设备极端工况下的运行环境参数，以对换流阀的关键设备进行故障风险的判断。
所述高压直流输电系统电磁暂态模型的建模流程为：
根据高压直流输电系统一次设备参数建立一次系统模型，其中包括换流器模型、换流变压器模型、平波电抗器、交流滤波器组模型以及绝缘配合方案，按照实际工程的接线图进行主设备的电磁暂态模型搭建；
一次系统建模完成，根据高压直流输电系统控制保护系统进行二次系统建模，分别建立整流站和逆变站换流器的基本控制回路，整流站和逆变站控制器均包括了定电流控制、定电压和定触发角控制。
所述的换流阀有限元仿真模型的建模过程为：
提取建模参数：根据换流阀实际参数提供换流阀有限元仿真模型建模参数，换流阀限元仿真模型中提取的结构参数包括换流阀中所有金属部件的尺寸、形状、在阀塔中的位置参数；阀塔中水管、固体绝缘介质、空气间隙参数；换流阀中所有关注部件的尺寸、形状、位置结构参数，还要提取器材料属性；
建模过程中需要不断对模型进行校核；
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多物理场特性，如果存在误差或者差异，那么返回参数提取步骤，重新进行模型的分析和建立求。
所述的换流阀的关键设备包括晶闸管、电阻、电容、驱动板和绝缘材料。
所述的换流阀中关键设备长期的运行环境参数包括耐压aV，通流bA，且长期处于电场为cV/mm、磁场为dA/mm以及温度场为f℃的环境。
所述的换流阀中关键设备极端工况下的运行环境参数包括耐压a1V，通流b1A，电压变化率为a11，电流变化率为b11；且环境参量中瞬态电场为c1V/mm、瞬态磁场为d1A/mm以及温度场为f1℃。
所述稳态运行参数包括电流、两端电压以及对地电压。
所述暂态参数包括电流、两端电压以及对地电压的峰值
本发明与现有技术相比，其有益效果在于：
1)对换流阀中关键设备的评估结合了具体的运行状态和环境参考量，评估方法更为合理和全面；
2)有限元模型中按照实际的阀塔进行建模，将关注和需要评估的设备部件放置于实际的空间中，并结合系统运行参数，风险评估的结果更加准确；
3)通过稳态分析，可以得出换流阀中关键设备长期的运行状态和运行环境，在此基础上对其进行故障风险评估，然后进行设备维护或者优化设计，提高换流阀可靠性；
4)通过暂态分析，可以准确的得出换流阀关键设备极端工况下的暂态运行参数和环境参量，在此基础上进行暂态极端故障风险评估，然后进行设备维护和检修，提高换流阀可靠性。
附图说明
图1为高压直流输电系统拓扑。
图2为用于高压直流输电系统电磁暂态模型建模流程。
图3为换流阀有限元仿真模型建模流程。
图4为换流阀中组件的有限元仿真模型。
图5为换流阀中阀塔的有限元仿真模型。
图6为高压直流输电换流阀设备故障在线评估的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。
实施例：
图1所示高压直流输电系统拓扑。在高压直流输电系统中，整流器和逆变器均采用半控型器件晶闸管作为换流单元。运行过程中整流器站将交流电能转换为直流电能，然后通过直流输电线路传输至受端。受端逆变站将直流侧电能转换为交流电能传送至当地交流与电网。
换流阀是高压直流输电系统的核心设备。换流阀的结构比较复杂，且价昂贵，换流阀中由若干晶闸管、电阻、电容、驱动板和绝缘材料等关键设备和器件构成。任何一个设备的故障和损坏可能都会导致整个换流阀设备的损坏或者停运，造成换流阀可靠性降低。具体器件的电气特性，如电阻、电容和绝缘特性等在不同的运行工况下可能会存在差异，另外设备在不同的运行环境中其电气特性也会产生较大差异，如不同和磁场、电场以及温度场中，设备的耐压水平或者阻抗会产生变化。
图2所示为用于高压直流输电系统电磁暂态模型建模流程。根据高压直流输电系统一次设备参数建立一次系统模型，其中包括换流器模型、换流变压器模型、平波电抗器、交流滤波器组模型以及绝缘配合方案等。按照实际工程的接线图进行主设备的电磁暂态模型搭建，其中对部分隔离、接地刀等对系统稳态和暂态仿真影响不大的非主要设备可以忽略。
一次系统建模完成，根据高压直流输电系统控制保护系统进行二次系统建模，分别建立整流站和逆变站换流器的基本控制回路，整流站和逆变站控制器均包括了定电流控制、定电压和定触发角控制。
电磁暂态模型应具备常用的故障保护功能，如在强制移相(GS)、故障闭锁停机和旁通对触发等常用保护功能。按照系统设计以及运行特性，对电磁暂态模型进行校核。高压直流输电系统电磁暂态模型建立完成后，可以对系统稳态、暂态运行工况进行仿真，并可以对换流阀的电压电特性进行分析。
高压直流输电系统在运行过程中，一个单阀(一个桥臂)中的晶闸管是同时处于到通用或者关断状态。一个单阀中的设备同时处于同一种运行工况(大电流或者高电压)，但是由于阀塔的结构和布局不同，单阀中的不同设备可能处于不同的运行环境(电场、磁场和温度场)。
图3所示为换流阀有限元仿真模型的建模流程，根据换流阀实际参数提供换流阀有限元建模参数，换流阀模型中提取的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。
换流阀中所有关注部件的尺寸、形状、位置等结构参数，还要提取器材料属性，在有限元分析中重点是介电常数、电导率、磁导率以及散热条件等。建模过程中需要不断对模型进行校核。判断建立的多物理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，那么返回参数提取步骤，重新进行模型的分析和建立求。
图4所示为换流阀中组件的有限元仿真模型，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。
图5所示为换流阀中阀塔的有限元仿真模型，换流阀的有限元计算模型中，屏蔽系统也是比较关键的，根据本发明的设计方法，对屏蔽罩进行简化等效，保持了屏蔽罩的尺寸和外部形状，将内部的空心结构进行等效；阀塔两侧的母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。换流阀有限元模型建立后，根据阀厅中的实际情况来确定有限元计算的边界条件。
图6所示为高压直流输电换流阀设备故障在线评估的流程图：
稳态分析时，首先将稳态运行工况以及运行条件输入到高压直流输电系统电磁暂态模型中，经过仿真计算得到相关的换流阀的运行参数，如电流、两端电压、对地电压等。将稳态运行参数输出并保存。
系统仿真完成后将运行参数作为换流阀有限元仿真静态场计算的输入条件，有限元模型根据输入的电气量进行激励的设置。按照阀塔接线方式和结构特点，对所有的带电设备进行激励设置，并根据水冷系统参数设置散热条件。
经过有限元多物理场仿真分析，得到换流阀中关键设备长期的运行环境。如晶闸管或者均压电阻长期的电气特性为：耐压aV，通流bA，且长期处于电场为cV/mm、磁场为dA/mm以及温度场为f℃的环境。以上述五个量a、b、c、d、f并结合设备固有特性对其进行综合故障风险的判断。提前发现并建议对相关设备进行更换或者重新设计选型，以此来降低换流阀的故障停运次数和损坏率。
暂态分析时，首先将暂态运行工况输入到高压直流输电系统电磁暂态模型中，并结合实际的控制保护策略，经过仿真计算得到相关换流阀的计算暂态参数，如电流、两端电压、对地电压等参数的峰值，将暂态参数输出并保存。
将系统暂态参数作为换流阀有限元仿真瞬态场分析计算的输入条件，有限元模型根据输入的电气量进行激励的设置。经过有限元多物理场仿真分析，得到换流阀中关键设备极端工况下的运行环境。如故障时晶闸管或者均压电阻极端暂态电气特性为：耐压a1V，通流b1A，电压变化率为a11，电流变化率为b11；且环境参量中瞬态电场为c1V/mm、瞬态磁场为d1A/mm以及温度场为f1℃。根据上述七个量a1，b1，a11，b11，c1，d1，f1并结合设备固有暂态特性综合对其进行故障风险的评判。提前发现并建议对相关设备进行更换，以此来降低换流阀的故障停运次数和损坏率。
由此可知，本实施例提出的用于提升换流阀可靠性的关键设备故障风险评估方法，以提升高压直流输电系统可靠性为目的，对换流阀中关键设备和部件进行故障风险评估，提前发现并对其予以处理，以此来降低换流阀的故障率和停运风险。该方法中对换流阀的关键设备同时从系统运行特性和运行环境参量两个方面进行评估，通过系统的电磁暂态分析得到设备的运行电气参数，并通过有限元仿真分析得出具体的运行参量对应的设备运行环境。本方法通过稳态工况下设备的运行参数和环境参量评估其长期运行的故障风险；通过暂态运行工况下设备的运行参数和环境参量评估其极端工况下的暂态故障风险。采用该方法可以实现对换流阀关键设备故障风险的全面评估，将系统分析与具备设备的有限元相结合可以实现对设备故障风险的准确评估，并在此基础上指导换流阀的维护和优化升级，降低换流阀故障率和停运风险，从而实现对换流阀可靠性的提升，还具有较好的实用性和经济性。
上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种用于提升换流阀可靠性的关键设备故障风险评估方法，其特征在于，包括：
建立包括一次设备和控制保护系统的高压直流输电系统电磁暂态模型；
建立包含关键设备的换流阀有限元仿真模型；
分别从稳定运行工况和暂态运行工况两个方面对换流阀的关键设备故障风险进行评估；
稳定运行工况分析时：
首先将稳态运行工况以及运行条件输入到高压直流输电系统电磁暂态模型中，经过仿真计算得到换流阀的稳态运行参数，将稳态运行参数输出并保存；
将稳态运行参数作为换流阀有限元仿真静态场计算的输入条件，换流阀有限元仿真模型根据输入的电气量进行激励的设置，经过换流阀有限元仿真模型的多物理场仿真分析，得到换流阀中关键设备长期的运行环境参数，以对换流阀的关键设备进行故障风险的判断；
暂态运行工况分析时：
首先将暂态运行工况输入到高压直流输电系统电磁暂态模型中，经过仿真计算得到换流阀的关键设备的计算暂态参数，将暂态参数输出并保存；
将暂态参数作为换流阀有限元仿真瞬态场分析计算的输入条件，换流阀有限元仿真模型根据输入的电气量进行激励的设置，经过换流阀有限元仿真模型的多物理场仿真分析，得到换流阀中关键设备极端工况下的运行环境参数，以对换流阀的关键设备进行故障风险的判断。
2.如权利要求1所述的用于提升换流阀可靠性的关键设备故障风险评估方法，其特征在于，所述高压直流输电系统电磁暂态模型的建模流程为：
根据高压直流输电系统一次设备参数建立一次系统模型，其中包括换流器模型、换流变压器模型、平波电抗器、交流滤波器组模型以及绝缘配合方案，按照实际工程的接线图进行主设备的电磁暂态模型搭建；
一次系统建模完成，根据高压直流输电系统控制保护系统进行二次系统建模，分别建立整流站和逆变站换流器的基本控制回路，整流站和逆变站控制器均包括了定电流控制、定电压和定触发角控制。
3.如权利要求1或2所述的用于提升换流阀可靠性的关键设备故障风险评估方法，其特征在于，所述的换流阀有限元仿真模型的建模过程为：
提取建模参数：根据换流阀实际参数提供换流阀有限元仿真模型建模参数，换流阀限元仿真模型中提取的结构参数包括换流阀中所有金属部件的尺寸、形状、在阀塔中的位置参数；阀塔中水管、固体绝缘介质、空气间隙参数；换流阀中所有关注部件的尺寸、形状、位置结构参数，还要提取器材料属性；
建模过程中需要不断对模型进行校核；
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多物理场特性，如果存在误差或者差异，那么返回参数提取步骤，重新进行模型的分析和建立求。
4.如权利要求1所述的用于提升换流阀可靠性的关键设备故障风险评估方法，其特征在于，所述的换流阀的关键设备包括晶闸管、电阻、电容、驱动板和绝缘材料。
5.如权利要求1所述的用于提升换流阀可靠性的关键设备故障风险评估方法，其特征在于，所述的换流阀中关键设备长期的运行环境参数包括耐压aV，通流bA，且长期处于电场为cV/mm、磁场为dA/mm以及温度场为f℃的环境。
6.如权利要求1所述的用于提升换流阀可靠性的关键设备故障风险评估方法，其特征在于，所述的换流阀中关键设备极端工况下的运行环境参数包括耐压a1V，通流b1A，电压变化率为a11，电流变化率为b11；且环境参量中瞬态电场为c1V/mm、瞬态磁场为d1A/mm以及温度场为f1℃。
7.如权利要求1或5所述的用于提升换流阀可靠性的关键设备故障风险评估方法，其特征在于，所述稳态运行参数包括电流、两端电压以及对地电压。
8.如权利要求1或6所述的用于提升换流阀可靠性的关键设备故障风险评估方法，其特征在于，所述暂态参数包括电流、两端电压以及对地电压的峰值。
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