CN112270071B - 换流阀阀塔电气设备故障火灾仿真方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种换流阀阀塔电气设备故障火灾仿真方法，该方法包括：1)根据换流阀阀塔的组成材料和工作机理确定火灾危险源；2)根据阀厅CAD图形建立所述换流阀阀塔物理仿真模型，进行近似处理及简化，得到阀塔简化模型；3)对阀塔简化模型涉及的各类材料进行常规参数设置，对火灾危险源的火源参数HRR进行设置，得到初始火源模型；4)设定危险源起火点，得到危险源起火点对应的火源模型；5)根据火源模型进行数值计算，获得阀塔中可燃物损害范围、阀塔各个电子元器件温度的变化情况及火灾危险源爆燃时间节点。本发明方法通过对特高压阀厅阀塔进行物理建模，并建立了阀塔初始火源模型，进行火灾仿真，实现对阀厅阀塔火灾的危险性评估。
Description
技术领域
本发明涉及火灾仿真与危险评估应用技术，尤其涉及一种换流阀阀塔电气设备故障火灾仿真方法。
背景技术
换流站阀厅是直流设备核心区域，是组构换流站的重要建筑，阀厅内安装了换流阀、直流穿墙套管、换流变阀侧套管等装置，其单台设备经济价值高，故障后恢复周期长。由于换流站阀厅工作环境相对封闭，其工作特性特殊，在运转时不允许巡检人员进入巡检，即便监测到有火情苗头也无法第一时间进入处理火灾危险。而换流阀阀塔作为换流站阀厅的核心组成部分，其运行工况极为复杂，一旦发生火情，将造成电力设备和基础设施的严重损坏，迫使直流输电系统长时间失去送电能力，经济损失难以估量，并为公司带来较大的社会舆论压力。
2018年至今，国网公司系统内换流站发生了四次火灾事故，依据历次火情数据分析，阀厅封堵、阀塔等设备存在重大火灾安全隐患。因此，采取智能化阀厅火灾风险防范及灭火方案，可以有效降低阀厅火灾风险。然而，目前缺乏阀厅对火情发展趋势、密闭环境有害气体含量等重要问题的研究，未开展阀厅火灾风险的评估，未形成科学有效的应急处理方案。分析评估阀厅火灾风险，进行阀厅火灾风险仿真，分析阀厅火灾蔓延趋势，给出智能化阀厅火灾风险管理方案，降低换流站阀厅火灾风险，减少阀厅火灾造成的经济损失和社会影响，是当前电力行业的迫切需求。
目前对阀厅安全的研究大多集中于理论分析，以及利用实验和数值模拟的方法进行耐火材料研究、阀厅抗震分析和电场模拟分析。现有技术的火灾仿真研究方法大多为解决隧道火灾、地铁逃生火灾和人员疏散。其中大多根据火灾故障点进行物理模型简化、场景简单与真实环境存在差距，并且没有考虑火灾蔓延至爆燃的时间节点无法为封闭环境下智能灭火方案提供可行性分析。而换流站阀塔的结构复杂组件细小，且表面材料大多是不可燃性的，往往是由于局部温度过高导致的火灾。对换流阀阀塔进行火灾仿真需要考虑其火灾危险源、如何对阀塔模型进行简化才能有效仿真减少误差以及阀厅内增加智能化灭火设备的可行性。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种换流阀阀塔电气设备故障火灾仿真方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种换流阀阀塔电气设备故障火灾仿真方法，包括以下步骤：
步骤1：根据换流阀阀塔的组成材料和工作机理确定火灾危险源；
步骤2：根据阀厅CAD图形，在Pyrosim软件中建立所述换流阀阀塔物理仿真模型，并根据阀塔的结构组件对换流阀阀塔物理仿真模型进行近似处理及简化，得到阀塔简化模型；
步骤3：对阀塔简化模型所涉及的各类材料进行常规参数设置，采用t2火源反应模型对火灾危险源的火源参数HRR(热释放速率)进行设置，得到初始火源模型；
步骤4：根据换流阀阀塔的结构和工作特性以及火灾危险源，设定危险源起火点，得到危险源起火点对应的火源模型；
步骤5：根据火源模型进行数值计算，计算危险源起火点火灾蔓延趋势，获得阀塔中可燃物损害范围、阀塔各个电子元器件温度的变化情况及火灾危险源爆燃时间节点，实现对阀厅阀塔火灾的危险性评估，为阀厅智能化灭火设备提供可行性分析。
按上述方案，所述步骤1中火灾危险源包括电气元器件、电气设备与导线连接处、电气设备绝缘部位、水冷模块；所述电气元器件包括电抗器、电阻、光纤槽、TE板、晶闸管和阻尼电容。
按上述方案，所述步骤2中根据阀塔的结构组件对换流阀阀塔物理仿真模型进行简化，是将阀塔模型简化为四个部分：屏蔽模块、阀层模块、避雷器及支撑结构，其中阀层模块中包含晶闸管组块和电抗器模块。
按上述方案，所述步骤2中根据阀塔的结构组件对换流阀阀塔物理仿真模型进行近似处理包括对阀塔组件、阀塔自身热辐射以及爆燃现象进行近似处理。
按上述方案，所述对阀塔组件进行近似处理为在实际仿真过程中将各关键组件简化为由代表性材料所构成的长方体；其中关键组件为阀层模块中的晶闸管阀组件、电抗器组件、光纤组件、母线板组件及水冷系统组件；
所述对阀塔自身热辐射进行近似处理为将每个发热组块的上表面设置为热辐射表面，统一为向上辐射，在元器件正上方安装热电偶。其中，发热组块为关键组件中的火灾起火点以及与其邻近的电气元器件；
所述对爆燃现象进行近似处理为通过元器件温度变化确定安全时间阈值，得到火灾危险源发生爆燃的时间节点。
按上述方案，所述步骤3中常规参数包括：密度、比热容、热导率、辐射系数、燃烧热和质量比例。
按上述方案，所述步骤5中，根据火源模型进行数值计算为采用火源反应模型，利用Pyrosim软件进行数值计算。
本发明产生的有益效果是：
1、通过对特高压阀厅阀塔进行物理建模，由于阀塔结构复杂且Pysorim软件无法曲面建模，并在建模过程中对阀塔组件、阀塔自身热辐射以及爆燃现象进行近似处理；
2、通过对阀塔所涉及到的各类材料参数和火源参数进行设置，建立了阀塔初始火源模型；
3、利用Pyrosim软件进行数值计算，得到阀塔火灾蔓延趋势、阀塔内各个电子元器件温度的变化情况、可燃物损害范围，根据电子元器件温度变化推断火灾危险源爆燃时间节点。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例的方法流程图；
图2为本发明实施例中阀塔简化模型图；
图3为本发明实施例中光纤简化模型图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明实施例提供一种±1100kV换流阀阀塔电气设备故障火灾仿真方法，包括：根据±1100kV换流阀阀塔的组成材料和工作机理确定火灾危险源；建立±1100kV换流阀阀塔物理仿真模型，并根据阀塔的结构组件进行近似处理及简化；对阀塔简化模型所涉及的各类材料进行常规参数设置，利用t2火源模型进行火灾危险源的火源参数HRR(热释放速率)设置；通过Pyrosim软件进行数值模拟仿真，计算光纤火灾时阀塔各个电子元器件温度的变化情况及火灾蔓延情况。
根据特高压换流站阀厅的实际情况结合阀厅火灾实例，开展阀厅火灾危险源辨识和火灾机理分析。换流阀阀塔模块由构架，水回路和电气设备构成。根据对阀塔工作机理，以及阀厅的介绍进行整合分析，本发明的火灾危险包括特高压直流换流阀阀塔中的光纤局部漏电、电气元件过负荷而引起的过热以及换流变本体发生绝缘故障导致起火等。火灾危险源包括电气元器件、电气设备与导线连接处、电气设备绝缘部位、水冷模块；电气元器件包括电抗器、电阻、光纤槽、TE板、晶闸管和阻尼电容等。
根据得到的特高压阀厅CAD图纸，收集到的阀塔物理结构资料，在FDS可视化操作软件Pyrosim软件中建立所述±1100kV换流阀阀塔三维物理仿真模型，并根据阀塔的结构组件进行近似处理及简化，得到阀塔简化模型；设置多重网格进行并行计算，将阀塔模型简化为四个部分，屏蔽模块，阀层模块，避雷器及支撑结构，其中阀层模块中包含两个关键元器件，晶闸管组块及电抗器模块。由于软件建模性能所限无法进行详细模拟，在实际仿真过程中将各关键组件简化为由代表性材料所构成的长方体。例如，将光纤模块形状简化为由SiO2所组成的长条纤细柱状物体。各部位组块同此例进行简化。阀塔简化模型如图2所示。
如图3所示，为阀塔局部光纤简化模型，其中紫色细长长方体为光纤部分。光纤作为阀塔火灾的一大危险源，其光纤模块由光纤和光纤护套组成。光纤护套一般采用PP、PE、ETFE和PVC4种护套材料，光纤由石英玻璃SiO2组成，在构造光纤模块的时候，考虑光纤本身细长，材料SiO2为不可燃材料，而光纤模块中PVC为可燃材料，建模时近似处理为一细长障碍物，设置表面时进行分层处理，由PVC和其他不可燃材料SiO2组成进行火灾模拟。
进一步的，对阀塔自身热辐射进行近似处理。将每个发热组块的上表面设置为热辐射表面，统一为向上辐射，在元器件正上方安装热电偶，其中，发热组块为关键组件中的火灾起火点以及与其邻近的电气元器件。
然后，对爆燃现象进行近似处理。本实施例通过元器件温度变化判断安全时间阈值，得到火灾危险源发生爆燃的时间节点。将晶闸管组块温度漏电现象设定为90℃以上20s～30s后可能发生，将电抗器组块漏电现象设定为温度155℃以上20s～30s后可能发生，以此为基准分析爆燃现象的安全时间阈值。
对阀塔简化模型所涉及的各类材料进行常规参数设置，如密度(kg/m3)、比热容(kJ/(kg·K))、热导率(w/(m·K))、辐射系数、燃烧热(kJ/kg)和质量比例。然后进行火灾危险源的火源参数HRR(热释放速率)设置。根据目前已有火灾视频推断，阀塔常见火灾为快速火，其火灾增长系数为0.044kw/s2，采用t2火源模型设置火源，其公式如下所示：
q＝HRR×火源面积 (1)
根据所述±1100kV换流阀阀塔的结构和工作特性，选择危险源起火点。
由于光纤护套和光纤接触面存在界面自由电荷分布，在光纤护套缺陷区域易形成局部高场强产生局部放电。而光纤不仅受到本身光纤护套和光纤接触面存在的电荷影响，同时受阀塔内元器件的辐射影响，因此光纤成为阀塔火灾的一大危险源。光纤因局部放电导致护套损坏而产生火灾，一般发生于光纤与阀塔底层的连接区域，本实施例中选择光纤与阀塔底层的连接区域作为起火点。
在Pyrosim软件中运行建好的阀塔仿真模型，进行仿真计算，观察阀塔各个电子元器件温度的变化情况，获得光纤火灾蔓延趋势、获得阀塔中可燃物损害范围及火灾危险源爆燃时间节点，实现对阀厅阀塔火灾的危险性评估，为阀厅智能化灭火设备提供可行性分析。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (7)
1.一种换流阀阀塔电气设备故障火灾仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：根据换流阀阀塔的组成材料和工作机理确定火灾危险源；
步骤2：根据阀厅CAD图形建立换流阀阀塔物理仿真模型，并根据阀塔的结构组件对换流阀阀塔物理仿真模型进行近似处理及简化，得到阀塔简化模型；
步骤3：对阀塔简化模型所涉及的各类材料进行常规参数设置，采用t2火源反应模型对火灾危险源的火源参数HRR进行设置，得到初始火源模型；
步骤4：根据换流阀阀塔的结构和工作特性以及火灾危险源，设定危险源起火点，得到危险源起火点对应的火源模型；
步骤5：根据火源模型进行数值计算，计算危险源起火点火灾蔓延趋势，获得阀塔中可燃物损害范围、阀塔各个电子元器件温度的变化情况及火灾危险源爆燃时间节点。
2.根据权利要求1所述的换流阀阀塔电气设备故障火灾仿真方法，其特征在于，所述步骤1中火灾危险源包括电气元器件、电气设备与导线连接处、电气设备绝缘部位和水冷模块；所述电气元器件包括电抗器、电阻、光纤槽、TE板、晶闸管和阻尼电容。
3.根据权利要求1所述的换流阀阀塔电气设备故障火灾仿真方法，其特征在于，所述步骤2中根据阀塔的结构组件对换流阀阀塔物理仿真模型进行简化，是将阀塔模型简化为四个部分：屏蔽模块、阀层模块、避雷器及支撑结构，其中阀层模块中包含晶闸管组块和电抗器模块。
4.根据权利要求1所述的换流阀阀塔电气设备故障火灾仿真方法，其特征在于，所述步骤2中根据阀塔的结构组件对换流阀阀塔物理仿真模型进行近似处理包括对阀塔组件、阀塔自身热辐射以及爆燃现象进行近似处理。
5.根据权利要求4所述的换流阀阀塔电气设备故障火灾仿真方法，其特征在于，所述对阀塔组件进行近似处理为在实际仿真过程中将各关键组件简化为由代表性材料所构成的长方体；其中关键组件为阀层模块中的晶闸管阀组件、电抗器组件、光纤组件、母线板组件及水冷系统组件；
其中，对阀塔自身热辐射进行近似处理为将每个发热组块的上表面设置为热辐射表面，统一为向上辐射，在元器件正上方安装热电偶；其中，发热组块为关键组件中的火灾起火点以及与其邻近的电气元器件；
对爆燃现象进行近似处理为通过元器件温度变化确定安全时间阈值，得到火灾危险源发生爆燃的时间节点。
6.根据权利要求1所述的换流阀阀塔电气设备故障火灾仿真方法，其特征在于，所述步骤3中常规参数包括：密度、比热容、热导率、辐射系数、燃烧热和质量比例。
7.根据权利要求1所述的换流阀阀塔电气设备故障火灾仿真方法，其特征在于，所述步骤5中，根据火源模型进行数值计算为采用火源反应模型，利用Pyrosim软件进行数值计算。
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