一种多断口并联发电机出口断路器均流仿真方法与流程

本发明属于发电机附属设备，具体涉及一种多断口发电机出口断路器均流仿真方法。

背景技术：

1、抽水蓄能电站是一种重要的电力储能系统，用于平衡电力系统的供需，增强电力网络的稳定性和可靠性，同时促进可再生能源的集成和能源效率的提高。在抽水蓄能电站运行中，发电机出口断路器频繁开合，需要承担12ka以上的额定电流，100ka以上的短路开断电流，因此必须满足开断寿命长、开断电流大、开断容量高的要求。

2、目前行业中，所用的大容量发电机出口断路器大多采用的是sf6断路器，但sf6气体会造成极强的温室效应。真空断路器相比于sf6断路器，更适合频繁开断的工况，并且不存在灭弧介质，开断过程没有副产物，对环境更加友好。然而，目前真空断路器存在开断容量不足的问题。多断口并联真空断路器设计是一种解决真空灭弧室额定电流不足的有效途径。多断口发电机出口断路器在正常运行时，多个真空灭弧室并联可以分担较大的额定电流，有效地提高真空开关的容量。当发生短路故障时，多个灭弧室同时分断，切断短路电流，最终完成开断大容量电流的目的。

3、但是，采用多断口并联结构，趋肤效应和各支路之间的互感，会引起断路器电流不均问题，进一步会导致灭弧室寿命衰减，甚至使断路器开断失败。因此，必须对多断口并联真空断路器进行均流设计。无论是采用均流电阻的方式来使断路器各断口满足稳态均流的要求，还是说在断路器整体设计上达到动、静态均流的要求，都需要通过一种有效、经济、可实施性强的多断口并联发电机出口断路器均流方法。

技术实现思路

1、为解决上述存在的技术问题，本发明提供了一种有效、经济、可实施性强的多断口并联发电机出口断路器均流方法。

2、本发明采用的技术方案如下。

3、提供了一种多断口并联发电机出口断路器均流仿真方法，包括以下步骤：

4、步骤1，采集多断口并联发电机出口断路器实际结构尺寸参数或者设计方案参数，构建多断口并联发电机出口断路器三维模型；

5、步骤2，基于步骤1建立的三维模型，构建有限元电磁耦合仿真模型，并计算、校核接触电阻；

6、步骤3，基于步骤2中完成校核的接触电阻，设置有限元电磁耦合仿真模型参数，进行静态均流仿真分析；

7、步骤4，基于步骤3静态均流仿真分析结果，计算均流器件参数范围，并添加到有限元电磁耦合仿真模型中；

8、步骤5，基于步骤4中选取的均流器件参数范围，验证有限元电磁耦合仿真模型静态均流特性，得到满足静态均流特性的均流器件参数范围；

9、步骤6，基于步骤5中满足静态均流特性的均流器件参数范围，建立断路器阻容电路模型进行动态仿真分析，得到满足动态均流特性的均流器件参数范围；

10、步骤7，基于步骤6中得到的均流器件参数范围，选择最优实际均流器件，完成动态均流设计。

11、在一种可能的实现方式中，步骤2具体包括：

12、步骤2.1，基于步骤1中建立的三维模型，构建划分网格的有限元电磁耦合仿真模型；

13、步骤2.2，对步骤2.1中构建的有限元电磁耦合仿真模型通入设定值的电流，选取要测量的接触电阻面、模型各支路和整个断路器，分别采集模型各接触电阻面、模型各支路和整个断路器观察其模型电势值，计算模型各接触电阻阻值以及模型单支路电阻阻值和整个断路器整体电阻阻值，与实际测量电阻阻值对比，完成接触电阻校核。

14、在一种可能的实现方式中，步骤3具体包括：

15、步骤3.1，基于步骤2完成校核后的接触电阻阻值，设置各断口接触电阻阻值，对有限元电磁耦合仿真模型施加边界条件和断路器额定开断电流，求解电流密度；

16、步骤3.2，基于步骤3.1求解的电流密度，计算电流值，并分析有限元电磁耦合仿真模型静态均流特性。

17、在一种可能的实现方式中，步骤3.1具体包括：

18、步骤3.1.1，基于步骤2中完成校核的接触电阻阻值，添加各接触面接触电阻；

19、步骤3.1.2，设置有限元电磁耦合仿真模型边界条件，其中，边界条件包括设置电位参考点和额定电流；

20、步骤3.1.3，设置各区域材料属性，其中，材料属性包括材料电导率和电阻率；

21、步骤3.1.4，设置电场和磁场方程及边界条件来描述电流分布物理过程；

22、步骤3.1.5，对有限元电磁耦合仿真模型进行合适的网格划分；

23、步骤3.1.6，基于步骤3.1.5网格划分后的有限元电磁耦合仿真模型求解电流密度。

24、在一种可能的实现方式中，步骤3.2具体包括：

25、步骤3.2.1，基于步骤3.1求解的电流密度，选取多个平面作为截面，采集同一平面下的各支路截面的电流密度分布，分析电流趋肤效应；

26、步骤3.2.2，使用微元法对步骤3.2.1中选取的每个截面采集多个数据点，各数据点的平均值表示该截面的电流密度分布，该截面的电流密度分布乘以其截面面积得出该截面的电流值；

27、步骤3.2.3，基于步骤3.2.2计算的截面电流值，计算支路电流值，采用同一支路的所有截面电流大小的平均值来反映该支路的电流值，对比各支路的电流值得出有限元电磁耦合仿真模型本身静态均流特性。

28、在一种可能的实现方式中，步骤4具体包括：

29、步骤4.1，根据步骤3得出的静态均流特性分析结果，计算各支路阻抗值；

30、步骤4.2，基于步骤4.1得到的各支路阻抗值，选取支路阻抗最大值和最小值作为均流器件参数范围端点值；

31、步骤4.3，选取步骤4.2均流器件参数范围内的均流器件参数最大值和最小值，并将其等效阻抗参数添加到有限元电磁耦合仿真模型中。

32、在一种可能的实现方式中，步骤5具体包括：

33、步骤5.1，对步骤4中选取的均流器件参数范围进行仿真，验证其是否满足均流系数要求；

34、步骤5.2，若不满足静态均流系数要求，则对所选的均流器件参数范围进行调整，重复步骤5；若满足，则转入下一步骤。

35、在一种可能的实现方式中，步骤6具体包括：

36、步骤6.1，根据步骤5中满足静态均流要求的均流器件参数范围，基于有限元电磁耦合仿真模型计算多断口并联发电机出口断路器电磁场，提取分布电容及杂散电感参数，并对其中与其他值相差2个数量级及以上的分布参数和杂散参数进行忽略，建立简化分布电路模型；

37、步骤6.2，对步骤6.1中建立的简化分布电路模型，设置各断口接触电阻，构建电路模型，加载开断过程中断路器所承受的电压波形，进行动态均流仿真分析，验证是否满足动态均流特性；

38、步骤6.3，若不满足动态均流特性，则返回步骤4对所选均流器件参数范围进行调整；若满足，则输出满足动态均流特性的均流器件参数范围，并转入下一步骤。

39、在一种可能的实现方式中，步骤7具体包括：

40、步骤7.1，根据步骤6所选出的均流器件参数范围，求解该均流器件参数范围内的最优解；

41、步骤7.2，基于步骤7.1中的均流器件参数最优解，与实际均流器件参数结合，选取可行的实际均流器件，完成最终的多断口发电机出口断路器的均流方案设计。

42、在一种可能的实现方式中，静态均流特性和动态均流特性主要判断依据为均流系数，均流系数的计算采用如下公式：

43、

44、其中，n为并联支路数，i0为通入的电流值，ix为支路电流值。

45、本发明的有益效果在于，与现有技术相比，

46、1、本发明利用电磁耦合仿真方法，通过有限元仿真准确的得到模型静态均流特性，并根据静态均流特性选择合适的均流器件。再通过对选择均流器件后的模型形成电路模型，通过电路模型进行动态均流设计，仿真结果可靠性强、准确度高。

47、2、本发明适用于多断口并联真空断路器均流设计，有效的解决了仿真计算均流器件参数缺乏选取依据的问题；使用该方法能够使整机均流系数达到95％以上甚至更高，显著提高各断口的均流程度。

48、3、本发明仅需仿真计算，成本低廉；且对于所使用的有限元仿真软件没有限制，通用性高。