混合式直流断路器中串联多断口机械开关的均压仿真方法与流程

本发明属于直流电网设备保护
技术领域：
，尤其涉及混合式直流断路器中串联多断口机械开关的均压仿真方法。
背景技术：
：柔性直流电网技术具有控制灵活、可靠性高、独立功率调节、换流站数量少等特点，为新能源并网与消纳、孤岛供电、跨区输电提供了安全高效的解决方案，是未来电网的发展方向之一。建立高压直流电网是解决跨区输电、大规模可再生能源并网等问题的有效手段。而柔性直流电网的建设，依赖于直流电网保护技术的研究。高压直流断路器则是直流电网保护的关键设备，是直流电网安全、稳定运行的必需设备。根据直流断路器中关键开断器件的不同，可以将直流断路器分为3类：机械式直流断路器、全固态式直流断路器和混合式直流断路器。混合式高压直流断路器具有通态损耗小、关断速度高、开断能力强、无弧开断的优点，是当前高压直流断路器的研究热点。在混合式高压直流断路器中，高速机械开关与全桥固态开关模块串联构成主支路，全桥固态开关实现大电流的开断，机械开关实现关合通流及无弧开断后承担电压，高速机械开关由隔离断口及操动机构组成。直流断路器电压等级越高，机械开关关断后承担电压越高，要求隔离断口开距越大；然而，过大的开距会增加机械开关的动作时间，使混合式高压直流断路器达到额定开距的时间增加。500kV柔性直流电网，则对直流断路器的开断能力、开断速动性提出了更严苛的要求，由于直流故障发展迅速、危害巨大，要求直流断路器的开断时间为毫秒级。因此，550kV高压快速机械开关采用六个110kV开距较小的断口串联的形式，从而减小机械开关的分合闸时间，保证电网对直流断路器的速动性要求。但是，不同断口导体组成多导体系统，存在对地杂散电容，导致采用多个断口串联的高压直流快速机械开关各断口的电压分配极不均匀。承受较高电压的断口在开断过程中将被击穿，可能导致开断失败。机械开关承担电压包含稳态直流电压和开断过程中的动态电压，稳态直流电压分布由各断口直流电阻决定，动态电压受到阻容分布的影响。因此，必须对多断口高压直流快速机械开关进行均压设计，选择合适的均压电阻使机械开关各断口满足稳态均压要求，选择合适的均压阻容使机械开关满足暂态均压要求，最终使机械开关各隔离断口静动态电压分配均匀性满足均压系数≥90％甚至更高的要求。现有技术大多通过试验方法选取直流断路器中串联多断口机械开关的均压组件参数，申请公布号为CN108919109A，名称为“一种多断口高压直流快速机械开关动态均压模拟试验方法”的专利，首先根据最大行程差值条件下的串联多断口机械开关仿真计算分布电容参数建立等效阻容网络，计算各断口均压阻容参数，再根据该参数选购实际元件进行现场试验，最终根据试验结果确定最佳均压阻容。该方法存在以下缺陷：①限定了仿真计算采用的软件，通用性较低；②没有明确给出仿真的实施细节及仿真计算均压阻容参数的具体选取依据，实际可实施性不强；③最终需要通过多次高压试验来确定选取的参数，试验设备成本较高，经济性较差。寻找一种更有效、更经济、可实施性更强的串联多断口机械开关均压方法，是需要进一步解决的问题。技术实现要素：本发明的目的是提供一种混合式直流断路器中串联多断口机械开关的均压仿真方法。为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：混合式直流断路器中串联多断口机械开关的均压仿真方法，包括以下步骤：步骤1、建立三维模型；根据混合式直流断路器中串联多断口机械开关的实际结构尺寸和设计方案来构建三维模型；步骤2、进行有限元电场仿真；将步骤1中三维模型导入有限元软件，剖分网格形成有限元模型，加载电压进行电场及电位分布计算，求解各断口的电压分配特性，同时提取三维仿真模型的分布电容参数，建立简化分布电容模型；步骤3、进行电路仿真；根据步骤2建立的简化分布电容模型，添加各断口绝缘电阻，构建串联多断口机械开关的电路模型，加载开断过程中机械开关承担的电压波形进行仿真；步骤4、均压仿真；以步骤3电路模型为基础，在各个断口并联均压组件，基于控制变量法，先设为一定值，分别改变均压电阻、均压电容及限流电阻参数进行仿真，求解参数均压系数、元件通流、耐压、电阻功率，根据所求参数对比应用场景的需求及元件限值逐步选定均压组件的取值；步骤5、均压效果及完全性校验；对步骤4选定的均压组件进行仿真，验证其是否满足均压系数达标同时元件安全性在允许范围内的要求；若不满足，则相应微调均压组件参数，并重新进行步骤5，直至达到要求。在上述的混合式直流断路器中串联多断口机械开关的均压仿真方法中，步骤2的实现包括：步骤2.1、将步骤1构建的三维模型导入有限元软件，根据其实际结构对各部件赋予相应的材料属性和单元，并进行体网格剖分，形成多断口机械开关有限元模型；步骤2.2、完成有限元电场仿真的参数设置；将步骤2.1建立的多断口机械开关有限元模型施加边界条件和电压，其中边界条件包括接地导体电位为0，及相连的金属导体等电位，电压施加于高压端断口的静触头；步骤2.3、采用有限元软件仿真计算多断口机械开关电场，提取各断口电压分布比例以及分布电容参数，忽略分布电容参数中远小于其它值的分布参数，从而建立简化分布电容模型。在上述的混合式直流断路器中串联多断口机械开关的均压仿真方法中，步骤4的实现包括：步骤4.1、在各个断口的断口电容和绝缘电阻上并联均压组件；步骤4.2、保持其他均压组件参数不变，改变均压电阻参数进行仿真计算，根据关断并达到稳态后均压电阻的发热功率确定均压电阻的功率限值；根据断口电压峰值除以均压系数确定均压电阻承受电压限值；均压系数大于等于90％；步骤4.3、保持已经确定的均压电阻和未确定的限流电阻不变，改变均压电容参数进行仿真，根据均压系数参数大于等于需求的均压系数确定均压电容的额定电容值，仿真中均压系数按各断口的平均最大电压除以单个断口电压的最大值计算，同时根据断口电压峰值确定实际元件选取时的耐压能力；步骤4.4、保持已经确定的均压电阻和均压电容参数不变，改变限流电阻参数仿真，使均压电容电流峰值降至均压电容可承受通流能力以内，限流电阻的额定电阻值即为满足该条件的仿真参数值，同时根据耐受暂态电流大于等于均压电容电流峰值仿真值、吸能容量大于限流电阻暂态吸能仿真值确定实际限流电阻的参数选取。本发明的有益效果是：1、本发明利用场路耦合仿真方法，通过有限元场仿真，准确得到串联多断口机械开关的电压分配及分布电容参数，再形成电路模型，通过路仿真进行均压设计，仿真结果可靠性强、准确性高。2、将本发明应用于混合式高压直流断路器中的串联多断口高速机械开关均压设计，可有效解决仿真计算均压组件参数时缺乏明确选取依据的问题。3、本发明适用于强迫换流型混合式高压直流断路器中的串联多断口机械开关，使用该方法可使整机均压系数达到90％以上甚至更高。4、本发明仅需进行仿真计算，成本低廉；对所使用的软件没有限制，通用程度更高。附图说明图1为本发明一个实施例的流程图；图2为本发明一个实施例均压组件电路；图3为本发明一个实施例中的单个机械开关单元结构示意图；图4为本发明一个实施例中通过步骤1建立的单个模块机械开关1/2三维模型图；图5为本发明一个实施例中串联多断口机械开关电极编号及竖直布置示意图；图6为本发明一个实施例中通过步骤2建立的混合式直流断路器用串联多断口机械开关的分布电容简化模型；图7为本发明一个实施例中通过步骤3建立的串联多断口机械开关的阻容电路模型。图8为本发明一个实施例中通过步骤4建立的装设均压组件的串联多断口机械开关的阻容电路模型。具体实施方式下面结合附图对本发明的实施方式进行详细描述。本实施例提出了一种混合式直流断路器中串联多断口机械开关均压仿真方法，该方法通过有限元场仿真准确计算装设均压组件后串联多断口机械开关的电压分配及分布电容参数，基于场仿真结果提取阻容电路模型，仿真获取均压组件的参数取值范围，并详细说明了各均压元件参数的确定依据，可解决目前直流串联多断口机械开关均压中仿真确定均压元件参数缺乏具体依据的问题。该方法可用于混合式高压直流断路器用串联多断口机械开关均压设计，能显著提高各断口电压分配均压程度。本实施例是通过以下技术方案来实现的，如图1所示，混合式直流断路器中串联多断口机械开关的均压仿真方法，包括以下步骤：S1，根据混合式直流断路器中串联多断口机械开关实际结构尺寸或设计方案构建三维模型；S2，有限元电场仿真，即对S1中三维模型导入有限元软件，剖分网格形成有限元模型，加载电压进行电场及电位分布计算，求解各断口的电压分配特性，同时提取三维仿真模型的分布电容参数。S2具体包括：S2.1、将S1构建的串联多断口机械开关的三维模型导入有限元软件，根据其实际结构对各部件赋予相应的材料属性和单元，并进行体网格剖分，形成多断口机械开关有限元模型；S2.2、完成有限元电场仿真的全部参数设置，即将S2.1建立的多断口机械开关有限元模型施加边界条件和电压，其中边界条件具体包括接地导体电位为0，及相连的金属导体等电位，电压施加于高压端断口的静触头；S2.3、采用有限元软件仿真计算多断口机械开关电场，提取各断口电压分布比例(分压比)以及分布电容参数，对分布电容参数中远小于其它值的分布参数可以忽略，从而建立简化分布电容模型。S3，电路仿真，即根据S2建立的简化分布电容模型，添加各断口绝缘电阻，构建串联多断口机械开关的电路模型，加载开断过程中机械开关承担的电压波形进行仿真，该步骤计算结果可与S2.3电压分布比例相验证，证明两种模型的等效性；S4，均压设计仿真，在S3的电路模型基础上，在各个断口并联均压组件，基于控制变量法，先设为一定值，然后分别改变均压电阻、均压电容及限流电阻参数仿真，求解均压系数、元件通流、耐压、电阻功率等参数，根据这些参数对比应用场景的需求及元件限值逐步选定均压组件适宜取值。S4及均压组件参数选取依据具体包括：S4.1、在各个断口(即各个断口的断口电容和绝缘电阻)并联均压组件的电路模型；如图2所示；S4.2、首先，保持其他均压组件参数不变，改变均压电阻参数进行仿真计算，根据关断并达到稳态后均压电阻的发热功率确定均压电阻的功率限值，根据断口电压峰值除以均压系数(90％或更高要求)确定均压电阻的承受电压限值，需保证两项限值均大于等于计算的两项参数；S4.3、然后，保持已经确定的均压电阻和未确定的限流电阻不变，改变均压电容参数进行仿真，根据均压系数参数大于等于需求的均压系数确定均压电容的额定电容值，仿真中均压系数按各断口的平均最大电压除以单个断口电压的最大值计算，同时根据断口电压峰值确定实际元件选取时的耐压能力；S4.4、最后，保持已经确定的均压电阻和均压电容参数不变，改变限流电阻参数仿真，使均压电容电流峰值降至均压电容可承受通流能力以内，限流电阻的额定电阻值即为满足该条件的仿真参数值，同时根据耐受暂态电流大于等于均压电容电流峰值仿真值、吸能容量大于限流电阻暂态吸能仿真值确定实际限流电阻的参数选取。S5、均压效果及安全性校验，即对S4获得的均压组件进行仿真，验证其符合均压系数达标同时元件安全性在允许范围内；若不满足，则相应微调均压元件参数，并重新进行S5，直至达到要求。下面对本实施例进行解释。1)S1中所述的三维模型按照与实物1：1的尺寸比例构建。构建时可以进行部分简化，包括：①由于机械开关单元的柜体采用金属外壳，具有等电位特点和静电屏蔽作用，可以忽略其内部结构，将其等效为一整个金属块；②柜体表面的柜门活页、钥匙孔等细微结构对整体电场分布和分布电容参数影响很小，也可忽略；③对于结构具有对称性的设计方案，可以选择构建1/2模型，从而降低模型复杂程度。但是机械开关单元的断口部分需要按照实际形状尺寸建模，动静触头间的距离取设计的最大值。步骤S1三维建模可以采用目前工程设计主流的各种三维建模功能的软件，例如Solidworks、AutoCad、ProE等。2)S2中：①S2.1所述的导入，由于目前主流的有限元软件和主流三维建模软件均自带接口和导入功能，因此都可以采用，例如ANSYS、Comsol等；②S2.1中所述的材料属性对于电场仿真指的是机械开关中每种材料的相对介电常数，金属为计算场域边界，不用设置，所述的单元可以在各软件的帮助文件中查找，应选择适合电场计算的三维单元；③S2.3中通常每个断口的一对动、静触头间的断口电容，及每个电极对地杂散电容不能忽略，其余分布电容一般均远小于这两种分布电容，忽略对结果的影响很小；④S2计算中除导入的机械开关三维模型外，还要建立包覆机械开关的空气的大范围三维模型。3)S3中：①所述的加载电压波形可以通过仿真及试验获得，也可利用已有文献中的电压波形，一般采用开断短路电流的电压波形；②S3的仿真结果可与S2仿真结果相互验证。4)S4中：①均压组件电路由均压电阻、均压电容及限流电阻组成，如图6所示；②均压系数定义是断口总电压峰值的各断口平均值与断口电压峰值的最大值之比，范围为0～1之间；③S4得到的各均压组件参数建议取值可以为一个范围，但需要注意的是各均压组件的参数范围是相互配合的。S4中的定值建议参考值如下：均压电阻设为100MΩ，均压电容设为1nF，限流电阻设为100Ω。5)S5所述的微调即根据各元件的影响特性进行调整，若均压系数偏低则稍微调大均压电容，若均压电容电流峰值偏高则调大限流电阻。以一种竖直布置的串联六断口机械开关为例，单个机械开关模块单元的正视图如图3所示，通过将六个机械开关单元串联，可以在更高电压等级的直流电网中应用。1)首先，按照S1建立三维模型，如图4所示，由于斥力机构箱和电源柜用金属外壳封闭，这里为简化计算，采用了S1中的部分简化方法，对电源柜和机构箱等柜体简化为整块的金属长方体，而断口则保留了原有的结构，最终建立了1:1三维1/2模型。2)接下来，按照S2进行场仿真。场仿真中串联六断口机械开关的示意图及电极编号如图5所示，其中，每层机械开关单元在相邻层上方3m。由于实际机械开关的相邻两层中，上层机械开关的动触头、操动机构、操动机构箱、电源柜、底座及平台均通过金属直接相连，并与下层机械开关的静触头端盖、静触头等导体通过金属导线相连，因此等电位，对这些导体做耦合电位处理，形成一个整体导体。通过这样的步骤，高压端到接地端一共有6+1＝7个电极，电极编号图5中已经标注。形成的模型中，在电极1即S2.2所述的高压端静触头施加电压，以及接地导体电位设为0。然后按S2.3仿真电场分布，提取每个电极电位，再按照百分比计算出各个断口分压比，计算可按如下公式：根据该公式计算得到案例串联六断口机械开关的各断口电压分布比例如表1所示：表1分压比计算结果断口编号123456各断口分压比/％80.011.05.02.01.10.9由表1可以看出，没有采取均压措施时各断口电压分布严重不均匀，一旦加载实际直流电网电压很可能导致机械开关击穿，进而导致直流电网故障开断失败。目前主流有限元仿真软件均包含计算分布电容的模块，直接应用该模块即可获取各电极之间的分布电容，由于有多个电极，每个电极间均存在分布电容，故十分复杂，根据相对大小，可以忽略值很小的电容，保留主要部分。本实施例中，保留的电容取值范围为21～141pF，而其它分布电容均不超过1pF，因此可以被忽略，最终形成简化分布电容模型如图6所示。一般需要保留的电容包括每个断口的一对动、静触头间的断口电容，图6中的C12、C23、C34、C45、C56、C67，以及每个电极的对地杂散电容，即C17、C27、C37、C47、C57、C67，(其中，由于电极7同时包含大地和接地端断口的动触头，C67既包含断口电容，也包含电极6的对地杂散电容，为两者之和)。3)再进行S3所述的路仿真。在图6所示分布电容简化模型的基础上，各个断口并联绝缘电阻(一般为100GΩ及以上数量级)，构成如图7所示的阻容网络模型，并在断口1上端加载电压波形电源进行仿真。若部分电路仿真软件不允许电源直接通过电容连接到地电位，则在电源处串联一个阻值很小的电阻(一般可设为0.001Ω)进行仿真。仿真结果可提取峰值点各断口电压，从而计算分压比，可与场仿真结果对比，验证模型可行。4)再进行步骤4所述的均压设计。在上一步获得的阻容网络模型基础上，在各断口并联装设均压组件，形成如图8所示的均压设计电路。在进行均压设计时，首先根据关断承压时稳态发热功率满足长期正常工作的要求确定均压电阻的取值范围，由于关断达到稳态时电压为系统电压UN，即可简单按照电阻功率公式计算各断口电阻功率PR1：显然有均压电阻越大，各均压电阻稳态时发热功率越小，对于本案例应用场景500kV直流电网，当均压电阻R1大于100MΩ时，电阻稳态发热功率小于100W，对定制的均压电阻可以满足长期稳定运行的要求。基于控制变量法，保持均压电容、限流电阻不变，改变均压电阻，用电路仿真软件进行仿真，仿真结果如表2所示(均压电容和限流电阻取某定值)：表2均压电阻仿真结果均压电阻R1/MΩ1020501002003005001000均压系数/％90.290.290.290.290.290.290.290.2均压电阻电流峰值/mA15.07.502.991.500.750.500.300.15均压电阻稳态发热功率/W69434713969.434.723.113.96.94由表2可知，采用阻容均压组件时，均压电阻对均压效果无明显影响，故直接按照稳态发热功率下能长期稳定运行的要求进行选取，本例中定制均压电阻可长期承受100W以内发热功率，故选取均压电阻为≥100MΩ。再基于控制变量法，均压电阻定为100MΩ，限流电阻取某定值，仅改变均压电容，用电路仿真软件进行仿真，仿真结果如表3所示：表3均压电容仿真结果均压电容C/nF0.116781020100均压系数/％28.461.288.890.291.392.996.299.2均压电容电流峰值/A18942603103403905801954均压电阻电流峰值/mA4.762.211.521.501.481.451.401.36均压电阻稳态发热功率/W69.469.469.469.469.469.469.469.4由表3可知，均压电容越大，均压系数越高，即均压效果越好，在均压电容达到7nF时满足均压系数≥90％的均压要求，同时过大的均压电容会不利于均压电容的保护，因此选取均压电容为7～10nF。最后基于控制变量法，均压电阻定为100MΩ，均压电容定为7nF，仅改变限流电阻，用电路仿真软件进行仿真，仿真结果如表4所示：表4限流电阻仿真结果限流电阻R2/Ω1015501002003005001000均压系数/％90.2290.2190.1690.1189.9989.8789.6489.05均压电容电流峰值/A347.2280.5189.3149.0140.0129.1109.790.5均压电阻电流峰值/mA1.501.501.501.501.501.501.511.52均压电阻稳态发热功率/W69.469.469.469.469.469.469.469.4限流电阻暂态吸能/J130236358444784100012021J637由表4可知，限流电阻取100Ω，可使均压系数保持在90％以上的同时使均压电容电流峰值降至150A以下，满足本案例中定制的电容器要求。5)均压组件参数校核。由上述分析过程可知，对本具体案例，均压电阻取100MΩ，均压电阻7nF，限流电阻取100Ω，可以满足全部要求，现对另一组均压组件参数给出示例。若均压电阻取100MΩ，均压电容取10nF，限流电阻取100Ω，仿真结果如表5第一列所示，虽然均压系数满足要求，但是均压电容电流峰值过大，不满足本案例中定制电容器暂态电流峰值不超过150A的要求，因此先微调限流电阻，当限流电阻提高至150Ω时，均压系数及元件安全性均满足本案例中需求。故校核及微调后可取均压电阻100MΩ，均压电阻10nF，限流电阻取150Ω。表4校核及微调仿真结果限流电阻R2/Ω100110120130140150均压系数/％92.5892.5692.5492.5192.4992.47均压电容电流峰值/A187.4174.5163.9155.8151.7148.2均压电阻电流峰值/mA1.501.501.501.501.501.50均压电阻稳态发热功率/W69.469.469.469.469.469.4限流电阻暂态吸能/794845966105411281245通过上述步骤，即得到了根据串联多断口机械开关准确计算的均压组件参数取值，可有效保证均压系数达到90％以上甚至更高，若应用于500kV直流电网，当开断短路电流时峰值可达800kV，则单断口电压最大值从均压前的800×80.0％＝400kV降至800/6/90.11％＝147.97kV，有效改善了多断口电压分布均匀性。应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。虽然以上结合附图描述了本发明的具体实施方式，但是本领域普通技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对这些实施方式做出多种变形或修改，而不背离本发明的原理和实质。本发明的范围仅由所附权利要求书限定。当前第1页1 2 3