仿真技術(shù)在電網(wǎng)高低壓器件中的應(yīng)用

設(shè)備仿真技術(shù)在電網(wǎng)中的應(yīng)用案例分享一、設(shè)備仿真背景設(shè)備運(yùn)行現(xiàn)狀：變壓器、斷路器、GIS等主設(shè)備故障率較高；分析手段主要依賴專家經(jīng)驗(yàn)和高壓試驗(yàn)；分析時(shí)間長(zhǎng)，代價(jià)高，耗時(shí)耗力；缺乏有效的量化分析和重現(xiàn)手段。仿真計(jì)算優(yōu)勢(shì)：通過對(duì)設(shè)備工況的假設(shè)、窮舉和反推，可以迅速實(shí)現(xiàn)設(shè)備技術(shù)問題的精確定位和量化分析，大幅節(jié)約時(shí)間和成本，滿足設(shè)備問題分析時(shí)效性的要求。軟件使用現(xiàn)狀：商業(yè)軟件琳瑯滿目，使用門檻高、上手困難、功能與需求不符，擴(kuò)展性和互通性欠佳。仿真應(yīng)用現(xiàn)狀：水平參差不齊、工程經(jīng)驗(yàn)欠缺、有需求無能力、分析周期長(zhǎng)、難以滿足實(shí)時(shí)性要求。設(shè)備仿真發(fā)展趨勢(shì)：通用性，集成性，易用性，專有性，可擴(kuò)展性。1、直流極線分壓器擊穿故障分析2、GIS隔離開關(guān)絕緣拉桿故障分析3、換流站閥廳及直流場(chǎng)電場(chǎng)設(shè)計(jì)優(yōu)化4、線路絕緣子電場(chǎng)分布計(jì)算及均壓環(huán)優(yōu)化二、設(shè)備仿真案例清單極

I

解體情況直流分壓器內(nèi)部阻容分壓?jiǎn)卧獰龘p嚴(yán)重。部分單元隔板內(nèi)部的電容器元件融化毀壞。因阻容分壓?jiǎn)卧婺咳?，已難以找到故障引發(fā)點(diǎn)。環(huán)氧筒內(nèi)壁存在鼓包和放電通道。極

I

分壓器內(nèi)部發(fā)生絕緣擊穿和沿面爬電，絕緣破壞嚴(yán)重，已不可恢復(fù)1、直流極線分壓器擊穿故障分析極

II

解體情況每節(jié)阻容分壓?jiǎn)卧路ㄌm和環(huán)氧板間都有不同程度的放電和炭黑痕跡。分壓器高壓端放電痕跡更明顯，且各節(jié)法蘭位置用于固定分壓器的環(huán)氧板表面有明顯的爬電痕跡。極

II

分壓器內(nèi)部法蘭盤位置發(fā)生局部放電和沿面爬電，若放電繼續(xù)發(fā)展，可能將導(dǎo)致與極Ⅰ分壓器類似的嚴(yán)重絕緣故障1、直流極線分壓器擊穿故障分析絕緣結(jié)構(gòu)分析分壓器高壓臂由9節(jié)相同的阻容分壓?jiǎn)卧M成。由內(nèi)到外依次是阻容分壓?jiǎn)卧?、環(huán)氧樹脂玻璃鋼筒、硅橡膠復(fù)合傘裙。通過法蘭盤中間的環(huán)氧板實(shí)現(xiàn)與筒內(nèi)壁的相對(duì)固定，以防止其徑向擺動(dòng)。內(nèi)部充SF6氣體作為內(nèi)絕緣，外絕緣為硅橡膠傘裙的復(fù)合絕緣。1、直流極線分壓器擊穿故障分析計(jì)算模型管母直徑300

mm，管母對(duì)地高度17120

mm；分壓器本體高度11370

mm（含均壓環(huán)），支架高度6000

mm，分壓器上端部均壓環(huán)管徑400

mm，外徑1390

mm。高壓側(cè)法蘭、均壓環(huán)及管母加載800kV直流電壓，支架、地面及遠(yuǎn)場(chǎng)邊界加載0kV電壓，選用恒定電場(chǎng)求解器。1、直流極線分壓器擊穿故障分析電位計(jì)算結(jié)果隨著外絕緣運(yùn)行狀況的惡化，分壓器軸向電位的不均勻分布顯著加強(qiáng)。環(huán)氧筒外套的絕緣電阻從高壓端到低壓端逐漸不均勻降低，且高壓端和低壓端的下降幅度比中部更大。高電位被逐漸下引，低電位被逐漸上引，電位分布在絕緣電阻更大的分壓器中部出現(xiàn)集中。1、直流極線分壓器擊穿故障分析電場(chǎng)計(jì)算結(jié)果隨著分壓器外絕緣運(yùn)行狀況的惡化，高場(chǎng)強(qiáng)區(qū)出現(xiàn)了轉(zhuǎn)移和增強(qiáng)。在正常和輕度污雨工況下，高場(chǎng)強(qiáng)區(qū)出現(xiàn)在分壓器高壓側(cè)均壓環(huán)及管母附近，且最高場(chǎng)強(qiáng)較小，為1029V/mm。在極端污雨工況下，高場(chǎng)強(qiáng)區(qū)從分壓器的高壓端轉(zhuǎn)移到中部，該處最高場(chǎng)強(qiáng)達(dá)到4842V/mm，約升高到正常工況下的4.7倍。1、直流極線分壓器擊穿故障分析環(huán)氧筒內(nèi)壁軸向電位分布隨著分壓器外絕緣運(yùn)行狀況的惡化，分壓器高壓側(cè)和低壓側(cè)承擔(dān)的電壓逐漸變小，大部分電壓降由中間幾節(jié)環(huán)氧筒承擔(dān)。在極端污雨工況下，分壓器高壓側(cè)和低壓側(cè)各3000mm長(zhǎng)度的環(huán)氧筒外套幾乎不承擔(dān)電壓，絕大部分的電壓均由中部的環(huán)氧筒承擔(dān)。1、直流極線分壓器擊穿故障分析環(huán)氧筒內(nèi)壁軸向爬電的分析在極端污雨工況下，第5節(jié)環(huán)氧筒承擔(dān)電壓為575kV，占分壓器全部運(yùn)行電壓的71.9%，是單節(jié)阻容單元理論分壓值的6.47倍。會(huì)引起環(huán)氧筒內(nèi)壁局部放電，使SF6氣體及環(huán)氧筒內(nèi)壁界面受到污染，導(dǎo)致該體系的絕緣性能下降，進(jìn)一步將發(fā)展為軸向沿面爬電。外絕緣運(yùn)行狀態(tài)惡化導(dǎo)致的軸向分壓嚴(yán)重不均勻是環(huán)氧筒內(nèi)壁爬電的主要原因1、直流極線分壓器擊穿故障分析分壓器內(nèi)部徑向放電的分析分壓器內(nèi)部不同位置均存在徑向電位差。正常工況下最大徑向電位差約為40kV；極端污雨工況下最大徑向電位差約為275kV，出現(xiàn)在第5節(jié)環(huán)氧筒。阻容分壓?jiǎn)卧c環(huán)氧筒內(nèi)壁較小的SF6氣體間隙因承受這一較大的徑向電位差而產(chǎn)生高場(chǎng)強(qiáng)，引發(fā)局部放電和爬電。軸向分壓嚴(yán)重不均勻?qū)е路謮浩鲀?nèi)部和外部徑向電位差，是內(nèi)部徑向放電的主要原因1、直流極線分壓器擊穿故障分析結(jié) 論±800

kV直流分壓器的絕緣結(jié)構(gòu)決定了其內(nèi)絕緣受外絕緣條件的影響不可避免，這一點(diǎn)必須在設(shè)計(jì)和運(yùn)行時(shí)引起重視并給予充分考慮。在正常運(yùn)行工況下，±800

kV直流分壓器軸向電位分布較均勻，分壓器內(nèi)部徑向電位差較小，內(nèi)絕緣受外絕緣的影響較小。在污雨等惡劣外絕緣運(yùn)行工況下，分壓器環(huán)氧筒外套絕緣電阻發(fā)生非線性下降，與阻容分壓?jiǎn)卧S向電阻不匹配，引起分壓器軸向電位差，進(jìn)而導(dǎo)致環(huán)氧筒局放、沿面爬電，阻容分壓?jiǎn)卧ㄌm盤徑的向局放、爬電，以及SF6氣體間隙的擊穿。建 議提高分壓器內(nèi)部擊穿閾值：改進(jìn)分壓電阻及電容器安裝工藝；提高運(yùn)行氣壓；增大筒徑或在氣體間隙中增加隔板；改善環(huán)氧筒內(nèi)壁工藝與界面；改善分壓器外絕緣電位分布：優(yōu)化傘形；定期清掃以減少積污；加裝大直徑防雨傘；針對(duì)性的運(yùn)行維護(hù)：雷雨天氣下降壓運(yùn)行；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)分壓器電壓；加強(qiáng)SF6氣體壓力監(jiān)測(cè)；電壓波動(dòng)后及時(shí)檢查氣體組分。實(shí)際工作中在保證設(shè)備機(jī)械受力的前提下，適當(dāng)提高運(yùn)行氣壓是簡(jiǎn)便有效的手段1、直流極線分壓器擊穿故障分析小結(jié)建模思路：依據(jù)分壓器實(shí)際絕緣材料和結(jié)構(gòu)，結(jié)合故障現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行工況、解體情況和積累的工程仿真經(jīng)驗(yàn)，數(shù)字化真實(shí)再現(xiàn)故障發(fā)展過程。意義：通過仿真計(jì)算量化了分壓器絕緣性能下降的趨勢(shì)和數(shù)值，分析了可能的放電和擊穿路徑，為事故原因分析提供了有力證據(jù)，做到了“戰(zhàn)之能勝，勝之在理”。仿真難點(diǎn)：時(shí)效性和快速響應(yīng)，依托絕緣結(jié)構(gòu)專業(yè)背景和仿真計(jì)算工程經(jīng)驗(yàn)，短時(shí)間內(nèi)制定方案，提供計(jì)算結(jié)果，支撐事故分析。1、直流極線分壓器擊穿故障分析2、GIS隔離開關(guān)絕緣拉桿故障分析GIS隔離開關(guān)故障解體現(xiàn)場(chǎng)計(jì)算模型根據(jù)廠家提供的圖紙，對(duì)隔離開關(guān)模塊進(jìn)行了三維建模和不同工況（正常、雷電操作、異物）下的電場(chǎng)仿真分析。雷電操作下電場(chǎng)計(jì)算結(jié)果（+1675kV，-450kV）25426

V/mm整體電位整體電場(chǎng)靜屏蔽罩電場(chǎng)動(dòng)屏蔽罩電場(chǎng)絕緣桿電場(chǎng)絕緣拉桿電場(chǎng)曲線30508

V/mm10023

V/mm2、GIS隔離開關(guān)絕緣拉桿故障分析50000

V/mm正常工況屏蔽罩上存在金屬異物金屬絲距離中心導(dǎo)桿水平距離137mm，距離屏蔽罩上端豎直距離71mm。半徑0.2mm，長(zhǎng)2.5mm，與屏蔽罩切線方向夾角大約40度。正常工況拉桿上存在金屬異物：距離屏蔽罩98mm，距離拉桿上沿11mm30000

V/mm2、GIS隔離開關(guān)絕緣拉桿故障分析絕緣拉桿解剖切片檢查：對(duì)燒損拉桿存疑點(diǎn)進(jìn)行了解剖和切片，發(fā)現(xiàn)切下的約1mm厚的薄片試樣截面存在3處異常，極可能為分層或裂隙（深入拉桿內(nèi)部）。2、GIS隔離開關(guān)絕緣拉桿故障分析絕緣拉桿解剖切片檢查：在10倍放大鏡下可見位置2異常處極可能為裂隙，其深度在徑向圓周方向上不一致。2、GIS隔離開關(guān)絕緣拉桿故障分析氣隙的電場(chǎng)仿真：設(shè)定氣隙形狀為長(zhǎng)15mm，寬1mm，高0.5mm

的長(zhǎng)方體。距絕緣拉桿上表面1mm深度，距拉桿低壓端1/3拉桿總長(zhǎng)處（發(fā)現(xiàn)內(nèi)部黑斑位置）。端蓋側(cè)屏蔽罩側(cè)氣隙2882V/mm2775V/mm2、GIS隔離開關(guān)絕緣拉桿故障分析放電路徑故障發(fā)生在該隔離開關(guān)動(dòng)觸頭上屏蔽罩（3）與蓋板（8）之間，電弧路徑如圖所示，燒蝕最為嚴(yán)重的部分在上屏蔽罩（3）和蓋板（8）上，上屏蔽罩（3）上燒蝕為直徑約30mm的孔洞，蓋板（8）上四個(gè)內(nèi)部固定螺栓中一個(gè)的頭部已經(jīng)融化，蓋板內(nèi)孔側(cè)有兩處燒蝕融化點(diǎn)。故障原因由于57232

A相隔離開關(guān)模塊絕緣拉桿的局部存在分層或裂隙，導(dǎo)致個(gè)別位置局部放電，在長(zhǎng)期的運(yùn)行電壓下，局放點(diǎn)附近區(qū)域逐漸碳化，形成部分導(dǎo)電區(qū)域，引發(fā)絕緣拉桿的沿面閃絡(luò)，導(dǎo)致本次事件發(fā)生。2、GIS隔離開關(guān)絕緣拉桿故障分析小結(jié)建模思路：依據(jù)隔離開關(guān)模塊實(shí)際結(jié)構(gòu)尺寸，建立包括多個(gè)運(yùn)行工況下的計(jì)算模型，并在不同的計(jì)算模型下進(jìn)行差異化的后處理及分析。意義：計(jì)算了不同工況下（正常、操作、異物）隔離開關(guān)的電場(chǎng)，仿真了導(dǎo)電和非導(dǎo)電微粒對(duì)隔離開關(guān)絕緣性能的影響，論證了絕緣拉桿內(nèi)部存在裂隙是導(dǎo)致本次事故的直接原因。仿真難點(diǎn)：時(shí)效性和快速響應(yīng)，短時(shí)迅速仿真分析能力，不同工況的建模和差異化的后處理。2、GIS隔離開關(guān)絕緣拉桿故障分析計(jì)算場(chǎng)域

58m

x

43.3m

x

18.6m閥廳計(jì)算模型3、換流站閥廳及直流場(chǎng)電場(chǎng)設(shè)計(jì)優(yōu)化閥廳計(jì)算模型3、換流站閥廳及直流場(chǎng)電場(chǎng)設(shè)計(jì)優(yōu)化130613065743、換流站閥廳及直流場(chǎng)電場(chǎng)設(shè)計(jì)優(yōu)化閥避雷器閥避雷器橋避雷器極線OCTYY套管YD套管790.7790.7880553946.8527.93、換流站閥廳及直流場(chǎng)電場(chǎng)設(shè)計(jì)優(yōu)化85017581845.79961693.7631.8經(jīng)過計(jì)算校核，金中閥廳金具設(shè)計(jì)滿足工程需求。3、換流站閥廳及直流場(chǎng)電場(chǎng)設(shè)計(jì)優(yōu)化計(jì)算場(chǎng)域

91m

x

74m

x

24m直流場(chǎng)計(jì)算模型3、換流站閥廳及直流場(chǎng)電場(chǎng)設(shè)計(jì)優(yōu)化金具編號(hào)422金具編號(hào)427金具編號(hào)425金具編號(hào)420a金具編號(hào)414金具編號(hào)415直流場(chǎng)計(jì)算模型3、換流站閥廳及直流場(chǎng)電場(chǎng)設(shè)計(jì)優(yōu)化對(duì)極母線加載額定運(yùn)行電壓500kV

，對(duì)中性母線、地面、閥廳墻壁、設(shè)備支架以及遠(yuǎn)場(chǎng)邊界等位置加載0V，場(chǎng)域內(nèi)其它導(dǎo)體為懸浮電位。直流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果3、換流站閥廳及直流場(chǎng)電場(chǎng)設(shè)計(jì)優(yōu)化金具編號(hào)422金具編號(hào)427金具編號(hào)425金具編號(hào)420a金具編號(hào)414金具編號(hào)415822135285617181289962經(jīng)過計(jì)算校核，金中直流場(chǎng)金具設(shè)計(jì)滿足工程需求。3、換流站閥廳及直流場(chǎng)電場(chǎng)設(shè)計(jì)優(yōu)化小結(jié)建模思路：依據(jù)設(shè)計(jì)院提供的平斷面圖、設(shè)備廠家提供的設(shè)備外形圖以及金具廠家提供的金具配合圖，完成閥廳及直流場(chǎng)的三維全場(chǎng)域建模及計(jì)算分析。意義：校核直流工程閥廳及直流場(chǎng)的金具設(shè)計(jì)，對(duì)不合理的設(shè)計(jì)提出改進(jìn)措施和優(yōu)化方案，保證金具的電暈性能與規(guī)范書要求一致，使其滿足工程需求。仿真難點(diǎn)：三維全場(chǎng)域計(jì)算模型，數(shù)千萬節(jié)點(diǎn)的時(shí)變場(chǎng)求解，對(duì)計(jì)算機(jī)硬件，以及建模、包空氣、布爾運(yùn)算、網(wǎng)格劃分、后處理技術(shù)要求極高。3、換流站閥廳及直流場(chǎng)電場(chǎng)設(shè)計(jì)優(yōu)化典型復(fù)合絕緣子串計(jì)算模型和仿真結(jié)果交流線路絕緣子4、線路絕緣子電場(chǎng)分布計(jì)算及均壓環(huán)優(yōu)化典型瓷絕緣子串計(jì)算模型和仿真結(jié)果交流線路絕緣子4、線路絕緣子電場(chǎng)分布計(jì)算及均壓環(huán)優(yōu)化典型瓷絕緣子串均壓特性酒杯塔邊相貓頭塔和酒杯塔中相交流線路絕緣子4、線路絕緣子電場(chǎng)分布計(jì)算及均壓環(huán)優(yōu)化1000kV一般線路耐張塔交流線路絕緣子4、線路絕緣子電場(chǎng)分布計(jì)算及均壓環(huán)優(yōu)化單柱組合耐張轉(zhuǎn)角塔交流線路絕緣子4、線路絕緣子電場(chǎng)分布計(jì)算及均壓環(huán)優(yōu)化部分仿真結(jié)果交流線路絕緣子4、線路絕緣子電場(chǎng)分布計(jì)算及均壓環(huán)優(yōu)化部分仿真結(jié)果交流線路絕緣子4、線路絕緣子電場(chǎng)分布計(jì)算及均壓環(huán)優(yōu)化計(jì)算模型：雙V懸垂復(fù)合串計(jì)算模型：雙V懸垂瓷串直流線路絕緣子4、線路絕緣子電場(chǎng)分布計(jì)算及均壓環(huán)優(yōu)化計(jì)算模型：雙聯(lián)耐張瓷串直流線路絕緣子4、線路絕緣子電場(chǎng)分布計(jì)算及均壓環(huán)優(yōu)化部分計(jì)算結(jié)果直流線路絕緣子4、線路絕緣子電場(chǎng)分布計(jì)算及均壓環(huán)優(yōu)化部分計(jì)算結(jié)果直流線路絕緣子4、線路絕緣子電場(chǎng)分布計(jì)算及均壓環(huán)優(yōu)化小結(jié)建模思路：依據(jù)設(shè)計(jì)院提供的桿塔圖、絕緣子串圖以及配套金具圖，完成線路絕緣子的三維全場(chǎng)域建模及計(jì)算分析。意義：校核線路絕緣子串電壓分布及電場(chǎng)分布，優(yōu)化均壓屏蔽環(huán)配置方案，保證絕緣子串的電氣指標(biāo)滿足工程需求。仿真難點(diǎn)：復(fù)雜的幾何模型，數(shù)百片絕緣子的建模處理，對(duì)計(jì)算機(jī)硬件，以及建模、包空氣、布爾運(yùn)算、網(wǎng)格劃分、后處理技術(shù)要求極高。4、線路絕緣子電場(chǎng)分布計(jì)算及均壓環(huán)優(yōu)化