直流支撑电容器工况下温度场分布的计算方法及装置制造方法及图纸

一种直流支撑电容器工况下温度场分布的计算方法及装置，该计算方法包括：建立直流支撑电容器的几何模型；分别计算电容器芯子计算域、连接铜排计算域和汇流铜排计算域的发热功率；将电容器芯子计算域、连接铜排计算域和汇流铜排计算域的发热功率设置为固体传热物理场的热源发热功率，并在固体传热物理场中对电容器外壳计算域的六个外表面进行计算，得到并设置几何模型中表面对环境辐射的热功率；对设置后的几何模型进行网格划分；基于网格划分后的几何模型，求解得到不同时间下温度场分布情况。通过本发明专利技术实施例提供的方法及装置，可实现对密闭电容器内部温度分布的可视化仿真，解决了高压直流支撑电容器内部温度测量难、成本高耗时长的问题。高耗时长的问题。高耗时长的问题。

【技术实现步骤摘要】
直流支撑电容器工况下温度场分布的计算方法及装置


[0001]本专利技术涉及电力系统电力装备
，具体而言，涉及一种直流支撑电容器工况下温度场分布的计算方法及装置。

技术介绍

[0002]高压直流支撑电容器是柔性直流输电多电平换流器的核心组部件之一，作为储能元件，起到电压支撑、谐波滤波等作用，受防火等级、储能密度等条件限制，目前只能采用自愈式电容器才能满足要求。自愈式电容器具有体积小、重量轻、防火等级高、储能密度大等优点。但自愈式电容器的电介质膜在高温下的击穿场强会显著降低，其性能与寿命在高温下也会受到影响。因此，为合理评估高压直流支撑电容器的运行状况，需要对实际工况下内部温度分布情况进行研究。
[0003]然而，由于高压直流支撑电容器完全密封，其内部温度很难测量，通常需要制作特殊试品才能获取其内部温度分布情况，成本较高且费时费力。

技术实现思路

[0004]鉴于此，本专利技术提出了一种直流支撑电容器工况下温度场分布的计算方法及装置，旨在解决现有高压直流支撑电容器内部温度很难测量的问题。
[0005]第一方面，本专利技术实施例提供了一种直流支撑电容器工况下温度场分布的计算方法，所述计算方法包括：建立直流支撑电容器的几何模型；其中，所述几何模型的计算域包括电容器芯子计算域、连接铜排计算域、汇流铜排计算域、灌封树脂计算域、电容器外壳计算域和电容器端子计算域；分别计算所述电容器芯子计算域、所述连接铜排计算域和所述汇流铜排计算域的发热功率；将所述电容器芯子计算域、所述连接铜排计算域和所述汇流铜排计算域的发热功率设置为固体传热物理场的热源发热功率，并在所述固体传热物理场中对所述电容器外壳计算域的六个外表面进行计算，得到并设置所述几何模型中表面对环境辐射的热功率；对设置后的几何模型进行网格划分；基于网格划分后的几何模型，求解得到不同时间下温度场分布情况。
[0006]进一步地，所述建立直流支撑电容器的几何模型，包括：设置直流支撑电容器的几何模型的各种参数，并依据所述几何模型的各种参数建立所述几何模型；其中，所述几何模型的各种参数，包括：直流支撑电容器外壳的长度、宽度和高度，直流支撑电容器芯子的直径和长度，直流支撑电容器芯子排布方式，直流支撑电容器铜排的长度、宽度和高度，直流支撑电容器铜排排布方式以及直流支撑电容器的材料参数。
[0007]进一步地，所述电容器芯子计算域的发热功率采用如下方式得到：P
芯子
＝P
介损
+P
电损
；其中，P
介损
为介质损耗发热功率，P
电损
为电极损耗发热功率；
[0008]P
介损
＝2πfCU
r2
tanδ；其中，f为纹波电流频率，C为电容量，U
r
为纹波电压有效值，tanδ为金属化薄膜的介质损耗角正弦值；
[0009]其中，I为流过电容器元件的总电流，L为金属化薄膜的有效长度，β为金属电极的方阻，b为金属化薄膜的有效宽度，Δb为留边宽度。C
r
为电容器元件的电容量，d为介质膜的厚度，ε0为真空介电常数，ε
r
为介质膜的相对介电常数。
[0010]进一步地，所述连接铜排计算域的发热功率采用如下方式得到：
[0011]其中，I
c
为该连接铜排顶部流入的电流，l
i
为连接铜排第i个部分的宽度，h
i
为连接铜排第i个部分的长度，d为铜排厚度，ρ为铜的电导率，N为与连接铜排相连的元件数量，R
i
为连接铜排第i个部分的电阻值。
[0012]进一步地，所述汇流铜排计算域的发热功率采用如下方式得到：
[0013]其中，L和S分别为汇流铜排的导流长度与导流面积，ρ为铜的电导率，I
N
为直流支撑电容器额定电流，R为铜排的电阻。
[0014]进一步地，将所述电容器芯子计算域、所述连接铜排计算域和所述汇流铜排计算域的发热功率设置为固体传热物理场的热源发热功率之前，包括：设置物理场为固体传热物理场，并设置所述固体传热物理场的边界条件、初始温度以及热源；其中，所述热源包括电容器芯子计算域、连接铜排计算域和汇流铜排计算域。
[0015]进一步地，在所述固体传热物理场中对所述电容器外壳计算域的六个外表面进行计算，包括：在所述固体传热物理场中，根据基尔霍夫辐射定律对所述电容器外壳计算域的六个外表面进行计算。
[0016]进一步地，所述根据基尔霍夫辐射定律对所述电容器外壳计算域的六个外表面进行计算，包括：采用如下公式计算电容器外壳的每个表面对环境辐射的热功率：
[0017]Q
r
＝εA
r
σ(T
w4
‑
T
env4
)；其中，Q
r
为对环境辐射的热功率，ε为电容器外壳的发射率，A
r
为电容器外壳辐射换热的面积，σ为史蒂芬
‑
玻尔兹曼常数，T
w
和T
env
分别为外壳温度与环境温度。
[0018]进一步地，所述对设置后的几何模型进行网格划分，包括：对设置后的几何模型的连接铜排和汇流铜排的边缘接触面采用自由三角形网格进行划分，其余部分采用自由四面体网格进行划分；其中，连接铜排计算域、汇流铜排计算域和电容器外壳计算域采用细网格进行划分，电容器芯子计算域、灌封树脂计算域和电容器端子计算域采用粗网格进行划分。
[0019]进一步地，所述计算方法在COMSOL Multiphysics软件中进行。
[0020]进一步地，所述直流支撑电容器的材料参数包括：电容器芯子、电容器外壳、连接铜排、汇流铜排、灌封树脂和电容器端子的导热系数、密度以及恒压热容。
[0021]第二方面，本专利技术实施例还提供了一种直流支撑电容器工况下温度场分布的计算装置，所述计算装置包括：模型建立单元，用于建立直流支撑电容器的几何模型；其中，所述几何模型的计算域包括电容器芯子计算域、连接铜排计算域、汇流铜排计算域、灌封树脂计算域、电容器外壳计算域和电容器端子计算域；第一计算单元，用于分别计算所述电容器芯
子计算域、所述连接铜排计算域和所述汇流铜排计算域的发热功率；第二计算单元，用于将所述电容器芯子计算域、所述连接铜排计算域和所述汇流铜排计算域的发热功率设置为固体传热物理场的热源发热功率，并在所述固体传热物理场中对所述电容器外壳计算域的六个外表面进行计算，得到并设置所述几何模型中表面对环境辐射的热功率；网格划分单元，用于对设置后的几何模型进行网格划分；温度求解单元，用于基于网格划分后的几何模型，求解不同时间下温度场分布情况。
[0022]第三方面，本专利技术实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时，实现上述各实施例提供的方法。
[0023]第四方面，本专利技术实施例还提供了一种电本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种直流支撑电容器工况下温度场分布的计算方法，其特征在于，所述计算方法包括：建立直流支撑电容器的几何模型；其中，所述几何模型的计算域包括电容器芯子计算域、连接铜排计算域、汇流铜排计算域、灌封树脂计算域、电容器外壳计算域和电容器端子计算域；分别计算所述电容器芯子计算域、所述连接铜排计算域和所述汇流铜排计算域的发热功率；将所述电容器芯子计算域、所述连接铜排计算域和所述汇流铜排计算域的发热功率设置为固体传热物理场的热源发热功率，并在所述固体传热物理场中对所述电容器外壳计算域的六个外表面进行计算，得到并设置所述几何模型中表面对环境辐射的热功率；对设置后的几何模型进行网格划分；基于网格划分后的几何模型，求解得到不同时间下温度场分布情况。2.根据权利要求1所述的计算方法，其特征在于，所述建立直流支撑电容器的几何模型，包括：设置直流支撑电容器的几何模型的各种参数，并依据所述几何模型的各种参数建立所述几何模型；其中，所述几何模型的各种参数，包括：直流支撑电容器外壳的长度、宽度和高度，直流支撑电容器芯子的直径和长度，直流支撑电容器芯子排布方式，直流支撑电容器铜排的长度、宽度和高度，直流支撑电容器铜排排布方式以及直流支撑电容器的材料参数。3.根据权利要求1所述的计算方法，其特征在于，所述电容器芯子计算域的发热功率采用如下方式得到：P
芯子
＝P
介损
+P
电损
；其中，P
介损
为介质损耗发热功率，P
电损
为电极损耗发热功率；P
介损
＝2πfCU
r2
tanδ；其中，f为纹波电流频率，C为电容量，U
r
为纹波电压有效值，tanδ为金属化薄膜的介质损耗角正弦值；其中，I为流过电容器元件的总电流，L为金属化薄膜的有效长度，β为金属电极的方阻，b为金属化薄膜的有效宽度，Δb为留边宽度，C
r
为电容器元件的电容量，d为介质膜的厚度，ε0为真空介电常数，ε
r
为介质膜的相对介电常数。4.根据权利要求1所述的计算方法，其特征在于，所述连接铜排计算域的发热功率采用如下方式得到：其中，I
c
为该连接铜排顶部流入的电流，l
i
为连接铜排第i个部分的宽度，h
i
为连接铜排第i个部分的长度，d为铜排厚度，ρ为铜的电导率，N为与连接铜排相连的元件数量，R
i
为连接铜排第i个部分的电阻值。
5.根据权利要求1所述的计算方法，其特征在于，所述汇流铜排计算域的发热功率采用如下方式得到：其中，L和S分别为汇流铜排的导流长度与导流面积，ρ为铜的电导率，I
N
为直流支撑电容器额定电流，R为铜排的电阻。6.根据权利要求1所述的计算方法，其特征在于，将所述电容器芯子计算域、所述连接铜排计算域和所述汇流铜排计算域的发热功率设置为固体传热物理场的热源发热功率之前，包括：设置物理场为固体传热物理场，并设置所述固体传热物理场的边界条件、初始...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨伟敏，周姣，黄想，严飞，张嘉旻，焦婷，
申请(专利权)人：国家电网有限公司国网上海市电力公司，
类型：发明
国别省市：