GIS隔离开关开合产生VFTO的仿真方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了GIS隔离开关开合产生VFTO的仿真方法及系统，属于GIS隔离开关技术领域，基于预建立的GIS中隔离开关几何模型对模型，添加物理场；设置物理场的边界条件，得到设置好仿真参数的模型；对设置好仿真参数的模型进行网格剖分，得到若干剖分单元；对每个剖分单元进行物理场计算，完成GIS隔离开关开合产生VFTO的仿真。本发明专利技术基于有限元三维电磁场建模方法对GIS中隔离开关产生VFTO时的电磁场分布情况进行了仿真计算，通过设置动、静触头的间距可以模拟隔离开关开、合产生的VFTO波形，同时得到隔离开关内部各个区域的电磁场分布。时得到隔离开关内部各个区域的电磁场分布。时得到隔离开关内部各个区域的电磁场分布。

【技术实现步骤摘要】
GIS隔离开关开合产生VFTO的仿真方法及系统


[0001]本专利技术属于GIS隔离开关
，特别涉及一种GIS隔离开关开合产生VFTO的仿真方法及系统。

技术介绍

[0002]气体绝缘变电站(gas insulated substation,GIS)中的隔离开关在分合闸过程中会在动、静触头处发生多次电弧重燃现象，重燃弧在隔离开关内部传播时经过多次折反射，最终形成波前陡、幅值大、频率高的快速暂态过电压(very fast transient overvoltage,VFTO)，这对变电站的一、二次设备绝缘部件造成了极大地威胁。
[0003]考虑到经济成本及户外测量的困难性，通过三维建模，采用有限元仿真计算方法模拟GIS中隔离开关开合产生的VFTO就变得极具工程意义。现有的针对GIS隔离开关产生VFTO的仿真方法主要分为EMTP/ATP仿真方法和有限元仿真方法，其中EMTP/ATP方法不能计算产生VFTO时隔离开关内部的电场分布特性，而一般的有限元仿真方法多采用简化的三维模型或二维模型，尽管降低了计算成本和难度，但对形成VFTO时隔离开关内部绝缘部件的电场分布难以有详尽的计算和研究，同时也会影响最终计算结果的准确性。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种GIS隔离开关开合产生VFTO的仿真方法及系统，以解决现有技术存在的问题，本专利技术基于有限元三维电磁场建模方法对GIS中隔离开关产生VFTO时的电磁场分布情况进行了仿真计算，通过设置动、静触头的间距可以模拟隔离开关开、合产生的VFTO波形，同时得到隔离开关内部各个区域的电磁场分布。
[0005]为达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0006]GIS隔离开关开合产生VFTO的仿真方法，包括以下步骤：
[0007]基于预建立的GIS中隔离开关几何模型，添加物理场；
[0008]设置物理场的边界条件，得到设置好仿真参数的模型；
[0009]对设置好仿真参数的模型进行网格剖分，得到若干剖分单元；
[0010]对每个剖分单元进行物理场计算，完成GIS隔离开关开合产生VFTO的仿真。
[0011]进一步地，所述GIS中隔离开关几何模型建立过程为：根据实际GIS中隔离开关的电气接线图在有限元仿真软件上建立GIS中隔离开关几何模型；
[0012]所述GIS中隔离开关几何模型中各个部件具体包括：隔离开关的动触头、静触头、电弧区、盆式绝缘子、导杆、绝缘拉杆、均压环、金属外壳及SF6绝缘气体；
[0013]所述电弧区等效为动触头和静触头之间的圆柱形区域，通过改变动触头和静触头之间的距离等效替代为改变电弧区的体积，进而获得隔离开关内部不同动触头及静触头间距下的VFTO变化情况。
[0014]进一步地，还包括对GIS中隔离开关几何模型中各个部件进行材料设置，所述材料设置具体为：
[0015]将盆式绝缘子设置为空材料，相对介电常数、相对磁导率、电导率按照环氧树脂的材料属性设置；
[0016]将金属外壳、动触头、静触头、导杆、均压环设置为铜材料；
[0017]将绝缘拉杆设置为空材料，相对介电常数、相对磁导率、电导率按照绝缘材料的属性设置；
[0018]将电弧区设置为空材料，相对介电常数和相对磁导率与SF6气体相同，电导率为随时间变化的电阻。
[0019]进一步地，所述添加物理场具体为：添加静电场接口和电磁波接口；
[0020]所述添加静电场接口后，进行电荷守恒，零电荷和初始值设置；
[0021]其中，电荷守恒设置具体为：将方程设置为稳态，材料类型设为来自材料，电介质模型设为相对介电常数，相对介电常数设为来自材料；
[0022]零电荷设置具体为：将假设方程设为稳态；
[0023]初始值设置具体为：将电势设为0；
[0024]所述添加电磁波接口后，进行波动方程、理想电导体及初始值设置；
[0025]其中，波动方程设置具体为：将温度设为常温293.15开尔文，电位移场模型设为相对介电常数，相对介电常数来自材料，磁场本构关系设为相对磁导率，相对磁导率来自材料，传导电流的电导率来自材料；
[0026]理想电导体设置具体为：选择默认设置；
[0027]初始值设置具体为：磁矢势在x，y，z三个方向均设为0，磁矢势一阶时间导数在x，y，z三个方向分别设为
‑
es.Ex，
‑
es.Ey，
‑
es.Ez，其中es表示静电场，Ex、Ey、Ez分别表示静电场在x、y、z三个方向的分量。
[0028]进一步地，所述设置物理场的边界条件具体为：设置静电场接口的边界条件和设置电磁波接口的边界条件；
[0029]所述设置静电场接口的边界条件具体为：添加一个域终端记作高电位，高电位的域选择包括静触头，添加一个表面终端用作接地，表面终端的边界选择包括金属外壳；
[0030]所述设置电磁波接口的边界条件具体为：添加三个集总端口，分别记作集总端口1、集总端口2、集总端口3，集总端口的类型都选择同轴，终端类型选择电缆，介电常数均设为1：
[0031]集总端口1的边界选择是指隔离开关母线侧平面，波激励设置为开，特性阻抗视为激励源内阻；
[0032]集总端口2的边界选择是指电弧区的平面，波激励设置为关，特性阻抗设置为能够表示动静触头的分离状态的值；
[0033]集总端口3的边界选择是指隔离开关负载侧平面，波激励设置为关，特性阻抗设置为能够表示负载侧开路的值。
[0034]进一步地，所述网格剖分具体为：对设置好仿真参数的模型的主要关注区域进行细化剖分，对设置好仿真参数的模型的其余区域进行粗化剖分；
[0035]所述主要关注区域包括盆式绝缘子和电弧区；
[0036]所述剖分的网格类型采用自由四面体、自由三角形或自由四边形；
[0037]所述对每个剖分单元进行物理场计算，具体包括对稳态和瞬态两个步骤的计算；
[0038]稳态设置中求解静电物理场接口，待求解变量的初始值和不求解的变量值均设置为物理场控制，通过稳态步骤的计算即得到隔离开关开、合产生VFTO之前的静电场分布；
[0039]瞬态设置的输出时步选择任意时长，并求解电磁波物理场接口，待求解变量的初始值为用户控制，研究选择稳态，通过瞬态步骤的计算得到隔离开关开、合产生VFTO时在任意位置的电磁场参数；
[0040]所述电磁波物理场接口的待求解变量的初始值是静电物理场接口的稳态值。
[0041]GIS隔离开关开合产生VFTO的仿真系统，包括：
[0042]物理场添加模块：用于基于预建立的GIS中隔离开关几何模型，添加物理场；
[0043]边界设置模块：用于设置物理场的边界条件，得到设置好仿真参数的模型；
[0044]剖分模块：用于对设置好仿真参数的模型进行网格剖分，得到若干剖分单元；
[0045]计算模块：用于对每本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.GIS隔离开关开合产生VFTO的仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：基于预建立的GIS中隔离开关几何模型，添加物理场；设置物理场的边界条件，得到设置好仿真参数的模型；对设置好仿真参数的模型进行网格剖分，得到若干剖分单元；对每个剖分单元进行物理场计算，完成GIS隔离开关开合产生VFTO的仿真。2.根据权利要求1所述的GIS隔离开关开合产生VFTO的仿真方法，其特征在于，所述GIS中隔离开关几何模型建立过程为：根据实际GIS中隔离开关的电气接线图在有限元仿真软件上建立GIS中隔离开关几何模型；所述GIS中隔离开关几何模型中各个部件具体包括：隔离开关的动触头、静触头、电弧区、盆式绝缘子、导杆、绝缘拉杆、均压环、金属外壳及SF6绝缘气体；所述电弧区等效为动触头和静触头之间的圆柱形区域，通过改变动触头和静触头之间的距离等效替代为改变电弧区的体积，进而获得隔离开关内部不同动触头及静触头间距下的VFTO变化情况。3.根据权利要求2所述的GIS隔离开关开合产生VFTO的仿真方法，其特征在于，还包括对GIS中隔离开关几何模型中各个部件进行材料设置，所述材料设置具体为：将盆式绝缘子设置为空材料，相对介电常数、相对磁导率、电导率按照环氧树脂的材料属性设置；将金属外壳、动触头、静触头、导杆、均压环设置为铜材料；将绝缘拉杆设置为空材料，相对介电常数、相对磁导率、电导率按照绝缘材料的属性设置；将电弧区设置为空材料，相对介电常数和相对磁导率与SF6气体相同，电导率为随时间变化的电阻。4.根据权利要求2所述的GIS隔离开关开合产生VFTO的仿真方法，其特征在于，所述添加物理场具体为：添加静电场接口和电磁波接口；所述添加静电场接口后，进行电荷守恒，零电荷和初始值设置；其中，电荷守恒设置具体为：将方程设置为稳态，材料类型设为来自材料，电介质模型设为相对介电常数，相对介电常数设为来自材料；零电荷设置具体为：将假设方程设为稳态；初始值设置具体为：将电势设为0；所述添加电磁波接口后，进行波动方程、理想电导体及初始值设置；其中，波动方程设置具体为：将温度设为常温293.15开尔文，电位移场模型设为相对介电常数，相对介电常数来自材料，磁场本构关系设为相对磁导率，相对磁导率来自材料，传导电流的电导率来自材料；理想电导体设置具体为：选择默认设置；初始值设置具体为：磁矢势在x，y，z三个方向均设为0，磁矢势一阶时间导数在x，y，z三个方向分别设为
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es.Ex，
‑
es.Ey，
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es.Ez，其中es表示静电场，Ex、Ey、Ez分别表示静电场在x、y、z三个方向的分量。5.根据权利要求4所述的GIS隔离开关开合产生VFTO的仿真方法，其特征在于，所述设置物理场的边界条件具体为：设置静电场接口的边界条件和设置电磁波接口的边界条件；
所述设置静电场接口的边界条件具体为：添加一个域终端记作高电位，高电位的域选择包括静触头，添加一个表面终端用作接地，表面终端的边界选择包括金属外壳；所述设置电磁波接口的边界条件具体为：添加三个集总端口，分别记作集总端口1、集总端口2、集总端口3，集总端口的类型都选择同轴，终端类型选择电缆，介电常数均设为1：集总端口1的边界选择是指隔离开关母线侧平面，波激励设置为开，特性阻抗视为激励源内阻；集总端口2的边界选择是指电弧区的平面，波激励设置为关，特性阻抗设置为能够表示动静触头的分离状态的值；集总端口3的边界选择是指隔离开关负载侧平面，波激励设置为关，特性阻抗设置为能够表示负载侧开路的值。6.根据权利要求2所述的GIS隔离开关开合产生VFTO的仿真方法，其特征在于，所述网格剖分具体为：对设置好仿真参数的模型的主要关注区域进行细化剖分，对设置好仿真参数的模型的其余区域进行粗化剖分；所述主要关注区域包括盆式绝缘子和电弧区；所述剖分的网格类型采用自由四面体、自由三角形或自由四边形；所述对每个剖分单元进行物理场计算，具体包括对稳态和瞬态两个步骤的计算；稳态设置中求解静电物理场接口，待求解变量的初始值和不求解的变量值均设置为物理场控制，通过稳态步骤的计算即得到隔离开关开、合产生VFTO之前的静电场分布；瞬态设置的输出时步选择任意时长，并求解电磁波物...

【专利技术属性】
技术研发人员：成林，卢江平，姜留浩，赵九辉，郝东新，蒲路，薛军，任双赞，冯阳，李盛涛，
申请(专利权)人：西安交通大学国网西安环保技术中心有限公司，
类型：发明
国别省市：