一种基于场路耦合的获取开关柜温度-电动力分布的方法技术

本发明专利技术涉及一种基于场路耦合的获取开关柜温度

【技术实现步骤摘要】
一种基于场路耦合的获取开关柜温度
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电动力分布的方法


[0001]本专利技术属于输配电网络的关键设备电气性能研究领域，涉及一种基于场路耦合的获取开关柜温度
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电动力分布的方法。

技术介绍

[0002]随着我国经济社会的不断发展，对电力系统提出了更高的要求。电力开关柜作为电力系统的关键设备，广泛应用于输电配电网络，其运行可靠性直接影响着电力系统供电质量及安全性能。
[0003]由于开关柜内部结构紧凑、元件种类复杂、环境相对封闭且通常在大电流和高压的情况下运行，承担着大量的电能输配工作，其在运行过程中可能会温升过高或者是电动力过大导致母线变形，影响开关柜的正常运行和配电网的电能质量。
[0004]因此，对开关柜温度和电动力情况进行研究，确定不同负载情况下温度和电动力的分布特性，对开关柜的结构设计具有指导作用，对开关柜的实时监测系统的开发提供帮助。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种基于场路耦合的获取开关柜温度
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电动力分布的方法，立足于开关柜的实际结构和运行条件，采用有限元法建立了基于电磁
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电路
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传热耦合的三维开关柜仿真模型，实现不同负载情况下开关柜的温度和电动力分布的仿真方法。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案，该方法的步骤如下：
[0007]S1：建立35kV的中压开关柜三维简化的物理模型；
[0008]S2：开关柜涉及的电磁场、温度场和电路的理论分析；
[0009]S3：添加物理场，进行电磁
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电路
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传热的耦合分析研究；
[0010]S4：基于开关柜实际运行状态设置对应合适的物理参数以及各类边界条件；对开关柜各电气隔室进行网格剖分，设置仿真时间，进行求解器的设置；
[0011]S5：设置电路和物理场模型的耦合，通过仿真得到在设置不同的负载情况下，开关柜内部导电各部位电动力和到温度的分布情况。
[0012]进一步，步骤S1具体为，在有限元软件中建立35kV的开关柜三维物理模型，根据分析问题的类型对某些特征进行忽略。重点考虑系统热源、开关柜导电的关键部件，而忽略不影响分析精度的结构，将开关柜进行合理简化，减少工作量，提高效率。
[0013]步骤S2具体为，开关柜电磁场、温度传导和电路的理论分析：电磁场的理论主要涉及麦克斯韦电磁理论，可以计算涡流损耗，将该损耗作为热源带入传热接口中进行温度分布计算；根据电磁场产生的洛伦兹力来描述开关柜母排的电动力。
[0014](一)电磁场
[0015]当交流电流过导体时，时变电流产生时变磁场，时变磁场产生时变电场，反过来又产生涡流。麦克斯韦方程组可以准确地描述这一现象。麦克斯韦方程组由安培环路定理、法
拉第电磁感应定律、高斯电通量定律和高斯磁通量定律四个方程组成:
[0016][0017]式中：D为电位移；H为磁场强度；B为磁通密度；E为电场强度；ρ为电荷密度；J为电流密度。
[0018]对于准静态电磁场，忽略电位移矢量。微分方程如下:
[0019][0020][0021][0022]辅助方程为:
[0023][0024][0025]μ是导磁系数(H/m)和σ是电导率(1/m)。
[0026]在计算中引入磁矢势
[0027][0028]则控制方程为
[0029][0030]其中为源电流密度矢量，为涡流密度矢量。
[0031](二)传热
[0032]开关柜内部的热量来源主要是涡流损耗，这些热量通过柜体的热传导、对流换热和热辐射三种方式发散到周围环境。母排的焦耳损耗来源于电流的电阻发热损耗和感应发热，母排的电阻包括载流导体电阻及接触电阻。
[0033]将涡流场计算得到的焦耳损耗作为热源导入，并设定相应的辐射边界条件，和对流散热边界条件，计算开关柜的温度场。温度场的控制方程为：
[0034][0035]式中，ρ是材料密度，λ和C分别为材料的导热系数和比热，为内热源强度。
[0036]母排的外表面应该满足对流和辐射边界条件：
[0037][0038]式中，q是热流密度矢量，T
a
是环境温度；k
e
表示母排表面的对流换热系数；ε表示母排表面的热发生率；σ表示史蒂芬－玻尔兹曼常数。
[0039](三)电路
[0040]开关柜的内部的母线导体的电动力由通过导体的时变电流决定，然而对于在电网中运行的开关设备来说，通过的电流受电网电压和电力系统线路参数的影响。因此在稳态电磁场计算中，需要考虑电路和物理场的相互耦合。
[0041]如图3所示，根据回路电压的基尔霍夫电压定律(KVL)，单相回路的电压方程表述为：
[0042][0043]式中：R为外电路的线路电阻；L为外电路的线路电感；U为外电路的独立电压源，对于工频对称三相电源，三相电压分别表示为：
[0044][0045]步骤S3具体为，添加相关物理场，并进行电磁
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电路
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传热多物理场耦合。基于前述理论分析，选择各控制方程对应的物理场，即麦克斯韦方程组对应电磁场，开关柜温度的对流、传导和辐射对应传热物理场，在外部电路的设置对应电路场。电磁场和温度场基于温度和电磁热效应耦合；电磁场和电路基于电路的外部接口进行耦合，进而实现多物理场直接耦合；
[0046]步骤S4具体为，基于开关柜实际运行状态设置对应参数以及边界条件：参数包括开关柜各个部分的电导率、磁导率、导热系数、电源电压、线路参数等电磁、温度及电路相关参数；边界条件包括场路耦合的耦合端口、线圈设置、温度边界等条件。对开关柜进行网格剖分，设置求解器的类型。
[0047]步骤S5具体为，通过改变电路接口中负载的参数，使模型处在不同的负载情况下，仿真得到开关柜内部导电各部位电动力及温度的分布情况。
[0048]本专利技术的有益效果在于：采用本专利技术方法可以模拟仿真在电力系统的运行中，处于输电网络中的开关柜在不同线路参数影响下温度分布和电动力分布的特点，能够为开关柜的产品设计以及开关柜传感器的优化布置提供可靠的理论依据。
附图说明
[0049]图1为本专利技术的开关柜温度
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电动力分布的仿真流程图；
[0050]图2为本专利技术的开关柜整体三维物理模型图；
[0051]图3为本专利技术的开关柜的场路耦合的示意图；
[0052]图4为本专利技术实施例的开关柜各部位最高温度的分布图；
[0053]图5为本专利技术实施例的开关柜各部位电动力的分布图；
具体实施方式：
[0054]下面将结合附图，对本专利技术进行详细说明。
[0055]本专利技术为一种基于场路耦合的获取开关柜温度
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电动力分布的方法，具体流程如图1所示，立足于开关柜的实物结构尺寸，采用有限元法建立本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于场路耦合的获取开关柜温度
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电动力分布的方法，其特征包括：S1：建立35kV的中压开关柜三维简化的物理模型；S2：开关柜涉及的电磁场、温度场和电路的理论分析；S3：添加物理场，进行电磁
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电路
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传热的耦合分析研究；S4：基于开关柜实际运行状态设置对应合适的物理参数以及各类边界条件；对开关柜各个电气隔室进行网格剖分，设置仿真时间，进行求解器的设置；S5：通过仿真得到在设置不同的负载情况下，开关柜内部导电各部分电动力的分布情况。以及温度的变化情况。2.根据权利要求1所述的一种基于场路耦合的获取开关柜温度
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电动力分布的方法，其特征在于：S1所述的建立35kV的中压开关柜三维简化的物理模型，重点考虑断路器、导电母排、梅花触头等关键部件，对研究的温度和电动力影响较小的部件进行忽略，将开关柜进行合理简化。3.根据权利要求1所述的一种基于场路耦合的获取开关柜温度
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电动力分布的方法，其特征在于：步骤S2具体为，开关柜电磁场、温度传导和电路的理论分析：根据开关柜运行的麦克斯韦电磁理论、温度传递理论、电路理论分析，选取仿...

【专利技术属性】
技术研发人员：李鹏，贾廷波，张钟昱，郑楠，张健，何建好，朱江，吕红德，李同林，刘伟，朱传强，孙浩，
申请(专利权)人：国家电网有限公司，
类型：发明
国别省市：