CN114169207A - 一种基于数字孪生技术的隔离开关现场安装调试方法 - Google Patents

一种基于数字孪生技术的隔离开关现场安装调试方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于数字孪生技术的隔离开关现场安装调试方法。首先根据现场隔离开关设备型号构建数字仿真模型，根据该模型简化建立三个子模型：刚柔耦合模型、电场仿真模型和流体温度场仿真模型。针对刚柔耦合模型，基于多体动力学理论，实现机械特性校验；针对电场仿真模型，基于电磁场理论，实现电气绝缘特性校验；针对流体温度场仿真模型，基于流体力学和热力学理论，实现热特性校验。最后，根据不同物理场仿真结果，获取隔离开关调试配置参数对各物理场的影响规律，综合得到设备最佳配置方案，结合交接验收试验，完成设备调试。本发明在设备安装阶段即可实现对设备带电运行性能的提前校验，避免设备运行后因安装不当所引发的停电检修。

Description

一种基于数字孪生技术的隔离开关现场安装调试方法
技术领域
本发明涉及隔离开关安装调试及状态检测技术领域，具体涉及一种基于数字孪生技术的隔离开关现场安装调试方法。
背景技术
高压隔离开关是电网中的重要开关设备，由于使用量庞大且工作可靠性要求较高，其状态评估与故障诊断技术已经引起电力运维单位的重视。根据多年运行经验，隔离开关机械故障的主要原因包括：一方面是大多数隔离开关长期工作于户外，受环境和气候条件影响最为直接和严重，随着运行年限的增长，缺陷和故障概率逐步上升；另一方面在于现有状态评估及故障诊断技术主要针对拒动、分合闸不到位等较为明显的机械故障和过热缺陷，对于传动机构卡涩、触指夹紧力不足等隐性、细微缺陷难以准确识别，甚至在设备安装调试阶段可能已存在某些细微缺陷，运行过程中易发展成为严重故障。
现有隔离开关安装调试方法以交接验收试验为准，试验合格即认为设备安装符合要求，可投入运行。该方法主要存在如下两个问题：一是交接验收试验以考核隔离开关的电气性能为主，且设备不带电，无法涵盖隔离开关投运后的各项性能，即难以全面反映隔离开关投运后的状态；二是现有已提出的调试方法大多仅考虑机械性能，但机械性能仅仅是隔离开关性能的一部分，其重要性甚至弱于电气性能和温度性能，且不同性能之间或其与现场交接验收试验结果可能存在一定的影响关系，但现有调试方法对此考虑并不充分。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于数字孪生技术的隔离开关现场安装调试方法，利用数字孪生模型模拟隔离开关投运后的各项性能及其关联关系，该模型能够考虑不同性能之间的影响关系，提前发现设备投运后可能发生的缺陷或故障。
为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案，包括如下步骤：
S1：根据变电站现场所安装的隔离开关型号、结构等信息，按照1:1比例建立相应数字仿真模型，并将其作为该隔离开关的数字孪生模型。该数字孪生模型包含了隔离开关的所有组部件(包括安装支架、底座、操动机构、支柱绝缘子、导电臂、触头、触指等结构)，可完整反映隔离开关的结构信息，同时可模拟隔离开关的运行状态(开断和关合状态)。
S2：根据不同物理场特性，在上述数字孪生模型的基础之上，对模型不同组部件或结构进行进一步精简及等效，建立隔离开关刚柔耦合模型、电场仿真模型和流体温度场仿真模型三个子模型。其中，刚柔耦合模型用于模拟隔离开关的开断和关合状态的变换过程，电场仿真模型用于模拟隔离开关带电运行后的绝缘性能，流体温度场仿真模型用于模拟隔离开关关合状态下触头温度是否满足标准限值要求。
S3：基于上述三个子模型，分别校核隔离开关的动力学特性、绝缘特性和热特性。其中，采用多体动力学理论求解刚柔耦合模型，模拟隔离开关开断和关合过程中的导电臂转动、触指啮合等过程，反映其动作过程是否存在分合闸不到位、触指夹紧力不足等机械缺陷；采用电磁场理论求解电场仿真模型，模拟隔离开关带电运行后的电场分布，反映其运行状态下是否会发生局部放电、绝缘击穿等绝缘缺陷；采用流体力学及热力学理论求解流体温度场仿真模型，模拟隔离开关带电运行后的温度分布，反映其运行状态下是否会发生局部过热缺陷。
S4：在三个子模型的仿真结果均表明隔离开关投运后不会发生缺陷的情况下，确定隔离开关结构配置及安装方案。若现场交接验收试验结果符合标准要求，则可将该方案作为隔离开关的最终调试方案。
进一步地，S1中数字孪生模型，与现场所安装的隔离开关结构及安装状态一致，同时满足后续三个子模型仿真的要求，即包含了隔离开关的全部信息，三个子模型可在此模型基础上简化得到
进一步地，S3中任一物理场的模型仿真结果显示其运行后可能存在缺陷，则根据相应物理场的特征修改隔离开关结构配置，然后重新开展三个物理场的仿真，直至三个物理场的仿真结果均满足要求。
本发明的有益效果：
本发明提供的一种基于数字孪生技术的隔离开关现场安装调试方法，可达到安装调试阶段提前掌握设备投运后的机械性能、电气性能和热性能的目的，让运维单位及设备厂家提前了解设备可能存在的缺陷，能够克服传统安装调试方法大多依赖安装人员经验和安装调试方法难以全面反映设备投运后运行状态的问题。
附图说明
附图1是本发明中所述基于数字孪生技术的隔离开关现场安装调试方法的流程图；
附图2是本发明实施例中隔离开关数字孪生模型；
附图3是本发明实施例中隔离开关刚柔耦合模型；
附图4是本发明实施例中隔离开关机械特性仿真、绝缘特性仿真和热特性仿真的流程图；
附图5是本发明实施例中隔离开关机械特性仿真得到的开关关合动作过程；
附图6是本发明实施例中隔离开关机械特性仿真得到的隔离开关触指接触力及操动杆力矩曲线。
图示说明：1、安装支架；2、底座；3、操动杆；4、轴承；5、支柱绝缘子；6、导电臂座；7、导电臂；8、触头座；9、触头；10、相间连杆；11、触指座；12、触指；13、弹簧片；14、操动机构。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的描述，有必要在此指出的是以下实施例只是用于对本发明进行进一步的说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术熟练人员根据上述发明内容所做出的一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。
以下以某变电站安装的GW5-126型高压隔离开关现场调试为例，结合数字孪生模型对隔离开关安装调试效果进行验证及校核，确定隔离开关调试方案，其流程图如图1所示。包括以下步骤：
S1：根据现场安装的GW5-126型隔离开关结构及安装位置，建立其1:1数字孪生模型，如图2所示。该数字孪生模型包含了隔离开关的所有组部件及安装底座等，完整反映隔离开关的结构信息及操作过程(开断或关合过程)。其中，组部件包括：安装支架1，底座2，操动杆3，轴承4，支柱绝缘子5，导电臂座6，导电臂7，触头座8，触头9，相间连杆10，触指座11，触指12，弹簧片13，操动机构14。
S2：对于高压隔离开关，运行及安装调试过程中需要考虑的主要特性包括机械特性、电气特性和热特性。在上述数字孪生模型的基础之上，结合不同物理场的需求，对模型不同组部件或结构进行进一步精简及等效，建立隔离开关刚柔耦合模型、电场仿真模型和流体温度场仿真模型三个子模型。其中，刚柔耦合模型用于模拟隔离开关的开断和关合状态的变换过程，电场仿真模型用于模拟隔离开关带电运行后的绝缘性能，流体温度场仿真模型用于模拟隔离开关关合状态下触头温度是否满足标准限值要求。
以模拟机械动力学特性的隔离开关子模型为例，可在数字孪生模型的基础上忽略操动机构，得到如图3所示的刚柔耦合模型。该模型删减了操动机构，其主要原因在于：操动机构主要作为支柱绝缘子或导电臂转动的驱动机构，其动力学特性可通过现场调试测试，因此，刚柔耦合子模型可重点关注支柱绝缘子或导电臂在该驱动力矩下的转动过程及其机械配合关系。
类似的，电场仿真子模型重点关注隔离开关带电后，导电臂承受运行电压状态下的绝缘状态。流体温度场子模型重点关注隔离开关带电后，导电臂及触指承受运行电流状态下的热特性。在实施过程中，可根据仿真条件及仿真精度需求对模型进行不同程度的简化，但应保留上述子模型中重点关注的部位或组部件。
S3：基于上述三个子模型，分别校核隔离开关的动力学特性、绝缘特性和热特性。其中，采用多体动力学理论求解刚柔耦合模型，模拟隔离开关开断和关合过程中的导电臂转动、触指啮合等过程，反映其动作过程是否存在分合闸不到位、触指夹紧力不足等机械缺陷；采用电磁场理论求解电场仿真模型，模拟隔离开关带电运行后的电场分布，反映其运行状态下是否会发生局部放电、绝缘击穿等绝缘缺陷；采用流体力学及热力学理论求解流体温度场仿真模型，模拟隔离开关带电运行后的温度分布，反映其运行状态下是否会发生局部过热缺陷。各物理场的仿真流程图如图4所示。
以采用多体动力学理论求解刚柔耦合模型为例，材料参数设置主要包括密度、泊松比、杨氏模量等，边界条件设置主要包括运动副、运动约束及摩擦系数设置等，激励设置主要包括运动时间、运动角度等。在完成上述设置后，基于多体动力学理论，采用有限元法、有限差分法等方法即可求得得到设备运动过程及设备机械部件间的配合情况，最终得到设备运行过程中的机械特性。仿真流程见图4，仿真结果见图5和图6。图5反映了触头与触指间的接触状态，表明两者间啮合良好，触指两端受力均匀；图6反映了操动杆力矩及内外触指接触力均处于正常范围；上述结果表明，该结构配置情况下，隔离开关的机械动力学特性符合要求。
其他两个物理场的仿真过程与此类似，在此不再赘述。需要注意的是，三个子模型间并非完全独立，可能存在相关关联。如刚柔耦合子模型中仿真得到的触指啮合情况，可反映触指间是否完全接触。而触指的接触状态则会对流体温度场的设备损耗这一激励条件产生影响，如不完全接触将会造成设备损耗增大，影响流体温度场的仿真结果，即热特性。在此过程中，可根据仿真难易程度或物理场间影响关系，按照刚柔耦合子模型、流体温度场子模型和电场仿真子模型的顺序依此求解各物理场。若某一物理场不满足要求，可通过修改隔离开关组部件配合关系或结构参数等，重新开始仿真流程，直至所有物理场仿真结果均符合现场运行要求。
S4：在三个子模型的仿真结果均表明隔离开关投运后不会发生缺陷的情况下，确定隔离开关结构配置及安装方案。若现场交接验收试验结果符合标准要求，则可将该方案作为隔离开关的最终调试方案。若现场交接验收试验结果不符合标准要求，则可修改参数配置，重复上述过程，直至验收试验结果合格。
本实施例在CPU为Intel Core i5-9500H、主频3.00GHz、内存32G的配置下开展数字孪生子模型的求解。根据实施例的结果，可见采用数字孪生技术能有效反映设备运行状态，特定是在设备安装调试阶段、设备不带电的情况下，该方法的优势更加明显。

Claims (3)

1.一种基于数字孪生技术的隔离开关现场安装调试方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1：根据变电站现场所安装的隔离开关型号、结构信息，按照1:1比例建立相应数字仿真模型，并将其作为该隔离开关的数字孪生模型；该数字孪生模型包含了隔离开关的所有组部件，可完整反映隔离开关的结构信息，同时可模拟隔离开关的运行状态；
S2：根据不同物理场特性，在上述数字孪生模型的基础之上，对模型不同组部件或结构进行进一步精简及等效，建立隔离开关刚柔耦合模型、电场仿真模型和流体温度场仿真模型三个子模型；其中，刚柔耦合模型用于模拟隔离开关的开断和关合状态的变换过程，电场仿真模型用于模拟隔离开关带电运行后的绝缘性能，流体温度场仿真模型用于模拟隔离开关关合状态下触头温度是否满足标准限值要求；
S3：基于上述三个子模型，分别校核隔离开关的动力学特性、绝缘特性和热特性；其中，采用多体动力学理论求解刚柔耦合模型，模拟隔离开关开断和关合过程，反映其动作过程是否存在机械缺陷；采用电磁场理论求解电场仿真模型，模拟隔离开关带电运行后的电场分布，反映其运行状态下是否会发生绝缘缺陷；采用流体力学及热力学理论求解流体温度场仿真模型，模拟隔离开关带电运行后的温度分布，反映其运行状态下是否会发生局部过热缺陷；
S4：在三个子模型的仿真结果均表明隔离开关投运后不会发生缺陷的情况下，确定隔离开关结构配置及安装方案；若现场交接验收试验结果符合标准要求，则可将该方案作为隔离开关的最终调试方案。
2.如权利要求1所述的一种基于数字孪生技术的隔离开关现场安装调试方法，其特征在于：所述S1中数字孪生模型，与现场所安装的隔离开关结构及安装状态一致，同时满足后续三个子模型仿真的要求，即包含了隔离开关的全部信息，三个子模型可在此模型基础上简化得到。
3.如权利要求1所述的一种基于数字孪生技术的隔离开关现场安装调试方法，其特征在于：所述S3中任一物理场的模型仿真结果显示其运行后可能存在缺陷，则根据相应物理场的特征修改隔离开关结构配置，然后重新开展三个物理场的仿真，直至三个物理场的仿真结果均满足要求。
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