(19)国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202210574904.X (22)申请日 2022.05.25 (71)申请人 国网浙江省电力有限公司舟山供电 公司 地址 316021 浙江省舟山市定海区临城街 道定沈路669号 (72)发明人 刘黎　俞恩科　胡俊华　乔敏　 甘纯　张引贤　张建平　鲍美军　 詹志雄　李剑波　 (74)专利代理机构 浙江翔隆专利事务所(普通 合伙) 33206 专利代理师 王晓燕 (51)Int.Cl. G01D 21/02(2006.01) G06F 30/28(2020.01)G06F 113/08(2020.01) G06F 119/08(2020.01) (54)发明名称 基于传热模型的柔直换流阀热状态在线监 测装置及方法 (57)摘要 本发明公开了基于传热模型的柔直换流阀 热状态在线监测装置及方法，涉及电力设备监测 领域；目前，柔直换流阀监测成本高，不能在线实 时监测；本发明包括水冷散热器、测温传感器、流 量传感器、信号传输装置和上位机，测温传感器 包括设于水冷散热器进水口的第一测温传感器 Tin，设于水冷散热器出水口的第二测温传感器 Tout，用于检测外部环境温度的第三测温传感器 Tair，设于IGBT器件底部基板四周的第四测温传 感器Ts1、第五测温传感器Ts2、第六测温传感器 Ts3、第七测温传感器Ts4，设于水冷散热器侧面 的第八测温传感器Tsink。本技术方案不需要绝 热箱，直接通过采集温度、流量信息，在线进行换 流阀的热状态的实时监测，及时发现问题，提高 了柔直换流阀的工作可靠性。 权利要求书3页 说明书8页 附图4页 CN 114964368 A 2022.08.30 CN 114964368 A 1.一种基于传热模型的柔直换流阀热状态在线监测装置，其特征在于：包括水冷散热 器(1)、测温传感器(2)、流量传感器(3)、信号传输装置(4)和上位机(5)，被测柔直换流阀 IGBT模块(6)设于水冷散热器(1)中，所述的水冷散热器(1)设有多个测温传感器，所述的流 量传感器(3)包括设于水冷散热器(1)进水口的流量传感器Vin，所述的测温传感器、流量传 感器(3)通过信号传输装置(4)和上位机(5)相连；所述的测温传感器包括设于水冷散热器 (1)进水口的第一测温传感器Tin，设于水冷散热器(1)出水口的第二测温传感器Tout，用于 检测外部环境温度的第三测温传感器Tair，设于IGBT器件底部基板四周的第四测温传感器 Ts1、第五测温传感器Ts2、第六测温传感器Ts3、第七测温传感器Ts4，设于水冷散热器侧面 的第八测温传感器Tsink。 2.根据权利要求1所述的一种基于传热模型的柔直换流阀热状态在线监测装置，其特 征在于：第四测温传感器Ts1、第五测温传感器Ts2、第六测温传感器Ts3、第七测温传感器 Ts4与IGBT器件底部基板的距离为1.5mm。 3.根据权利要求1所述的一种基于传热模型的柔直换流阀热状态在线监测装置，其特 征在于：第一测温传感器Tin为光纤测温传感器，其测量端通过固定胶带紧贴在水冷散热器 (1)进水口的外管壁上，固定胶带外侧通过电工绝缘胶带二次固定。 4.根据权利要求3所述的一种基于传热模型的柔直换流阀热状态在线监测装置，其特 征在于：第四测温传感器Ts1、第五测温传感器Ts2、第六测温传感器Ts3、第七测温传感器 Ts4分别通过带粘性散热硅固定于对应的柔直换流阀散热器的表面。 5.根据权利要求4所述的一种基于传热模型的柔直换流阀热状态在线监测装置，其特 征在于：所述的第三测温传感器Tair、第四测温传感器Ts1、第五测温传感器Ts2、第六测温 传感器Ts3、第七测温传感器Ts4、第八测温传感器Tsink均为光纤传感器，单根长度为3米； 信号传输装置(4)就近固定于直流储能电容(7)壳体上表面的等电势点，信号传输装置(4) 固定后，用不低于25mm2的BVR软铜排与等电势点可靠连接。 6.根据权利要求1所述的一种基于传热模型的柔直换流阀热状态在线监测装置，其特 征在于：流量传感器(3)为超声流量传感器(3)，超声流量传感器(3)采用非断管方式安装， 并附着于换流阀分管外壁，采用绝缘性软抱箍固定在换流阀的输出端口或输入端口；流量 传感器(3)传输导线内屏蔽层与信号传输装置(4)外壳可靠连接。 7.采用权利要求1‑6任一权利要求所述的一种基于传热模型的柔直换流阀热状态在线 监测装置的柔直换流阀热状态在线监测方法，其特征在于包括以下步骤： 1)第一测温传感器Tin、第二测温传感器Tout、第三测温传感器Tair、第四测温传感器 Ts1、第五测温传感器Ts2、第六测温传感器Ts3、第七测温传感器Ts4、第八测温传感器Tsink 实时采集温度信息；流量传感器Vin实时采集流量信息；并将采集得到温度信息、流量信息 通过信号传输装置发送给上位机； 2)上位机获取水管的尺寸数据及采集得到的温度、流量信息；基于管道传热模型，计算 冷却水进出口平均温度，并根据冷却水进出口平均温度和管道流速计算冷却介质所带走的 冷却水散热量； 3)上位机获取散热器的尺寸信息及采集得到的温度信息，基于对流换热系数关联式， 计算空气自然对流换热系数；并根据空气自然对流换热系数和水冷散热器散热面积计算水 冷散热器向空气散发的空气散热量；权　利　要　求　书 1/3页 2 CN 114964368 A 24)上位机根据冷却水散热量和空气散热量计算柔直换流阀IGBT模块损耗，展示时间和 散热量的关系曲线，对换流阀进行热状态的在线监测；其中，柔直换流阀IGBT模块损耗为被 冷却水带走的冷却水散热量以及被周围空气带走的空气散热量之和； 5)上位机根据水冷散热器温度数据、冷却水的温度及流速数据和换流阀模块损耗，判 断当前运行状态是否正常；如不正常，将发出警示。 8.根据权利要求7所述的柔直换流阀热状态在线监测方法，其特征在于：换流阀IGBT模 块的损耗Q计算方法为： A)根据传热学原理，换流阀IGBT模块的损耗Q等于被冷却水带走的热量Q1以及水冷散热 器向周围空气的散热量Q2之和，即 Q＝Q1+Q2 (1) B)冷却水的散热量计算公式如下： Q1＝ρw·vin·Ain·cpw·(Tout‑Tin) (2) 式中，Q1表示由水带走的热量，单位为W；ρw表示冷却水的密度，kg/m3；vin表示进水流速， 单位为m/s,由超声波流量传感器测量得到；Ain表示水管进口的截面积，单位为m2；cpw表示水 的比热容，单位为J/(kg·K)；Tin表示进口水温，单位为K；Tout表示出口水温，单位为K；冷却 水的密度与比热容均考虑温度的影响，以提高计算准确度，将公式(2)中ρw的替换为计算得 到的ρw(T)；将公式(2)中cpw的替换为计算得到的cpw(T)； ρw(T)＝838.466135+1.40050603T‑0.003011237T2+3.71822313×10‑7T3 cpw(T)＝12010.1471‑80.4072879T+0.309866854T2‑5.38186884×10‑4T3+3.62536437 ×10‑7T4 式中T为冷却水进出口温度的平均值； 当光纤测温传感器探头测量的为进、出水管的管壁温度时，由于不能直接得到管内水 流的平均温度，为提高水冷散热器进出口温度Tin和Tout的测量精度，根据建立的管道传热模 型进行求解，实现管内水流平均温度的监测； 管道传热模型中，ri、ro分别表示管的内壁半径和外壁半径；rm表面管壁中点半径；Tf表 示管内水流平均温度，Ta表示管外空气温度，Ti、Tm和To分别表示管内壁节点、中心处节点以 及管外壁节点的温度；管壁的密度ρt、比热容ct、导热系数kt均为常数，hi、ho分别为管内和管 外对流换热系数； 定义Δr＝(ro‑ri)/4，则rm＝ri+2Δr，ro＝ri+4Δr，利用傅里叶导热定律以及能量守恒 原理，对内壁节点Ti建立热平衡方程 相应的，管壁中部节点Tm 外壁节点To 由于实时监测得到的只有外壁温度To，及其随时间的变化率dT/dt，因此通过对上述热权　利　要　求　书 2/3页 3 CN 114964368 A 3