【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于电力系统电力设备故障，涉及一种基于气-液-固耦合的有载分接开关故障超压仿真方法。
技术介绍
1、有载分接开关是换流变压器实现电压调节功能不可缺少的重要部件，在补偿网侧交流电压波动、实现直流降压运行等方面发挥着不可替代的作用。在正常运行过程中，通过改变分接位置，可以对接入的调压绕组匝数进行调节，进而达到调整换流变压器变比的目的。随着调压次数增多，有载分接开关的不良操作和故障率也相应增加，在油室中产生碳微粒、绝缘纤维、金属碎屑等，严重时可能在相邻两级导体或触头间引发高能电弧放电，诱发短路故障。故障发生时，巨大的短路电流流过调压绕组和分接开关组成的调压回路，导致绕组剧烈震动、绝缘破坏，同时使得有载分接开关油室中绝缘油迅速汽化分解，生成大量由氢气或其他低分子烃类气体所形成的瓦斯气泡。气泡在电弧能量的持续注入下迅速膨胀并展现出脉动特征，挤压周围绝缘油引起有载分接开关油室内部压力骤升。该故障超压对分接开关的机构破坏较大，极易损坏薄弱部件，如果其不能及时释放，在极短的时间内便会超过分接开关顶盖等结构所能承受的极限应力，从而导致爆炸事故发生。随着在运换流变数量的增多，由于分接开关故障引发的换流变事故已经屡见不鲜，成为目前换流变安全运行的重大隐患之一。
2、对于分接开关短路故障整个过程的理论建模较为复杂，涉及到了电力系统、材料力学、流体力学、多物理场耦合等多个方面的内容，并且针对有载调压开关内部电弧故障试验成本很高且危险性高，数值模拟和仿真计算是研究油中电弧现象的首选方法。目前，相关研究多依据稳态产气量进行故障超压计算，
技术实现思路
1、为克服现有技术中的问题，本专利技术的目的是提供一种基于气-液-固耦合的有载分接开关故障超压仿真方法，该方法利用流体域与固体域的双向耦合实现有载分接开关故障超压的准确计算，避免分接开关故障引发的换流变事故的发生。
2、为实现上述目的，本专利技术采用如下的技术方案：
3、基于气-液-固耦合的有载分接开关故障超压仿真方法，包括以下步骤：
4、步骤一：根据有载调压开关的结构，建立流体域的三维几何模型与固体域的三维几何模型；
5、步骤二：对流体域的三维几何模型与固体域的三维几何模型进行网格划分；
6、步骤三：将网格划分后的固体域的三维几何模型导入到transient structural软件中，设置参数，包括计算步长；
7、将流体域的三维几何模型导入到fluent软件中，设置参数，包括计算步长；
8、步骤四：计算流体域的流场的结果，将流场计算结果通过流固耦合面传递到固体场，通过固体控制方程得到固体场的计算结果，实现基于流固耦合的油浸式变压器内部故障压力仿真的计算。
9、进一步的，步骤四包括以下过程：在流体域的流场的第一个计算步长中，通过求解气泡动力学方程计算流场边界变化，再通过rans方程进行计算流场的结果；
10、将流场计算结果通过流固耦合面传递到固体场，通过固体控制方程得到固体场的计算结果，第一个计算步长完成后，固体场边界条件的变化传递回流体场，进行下一个计算步长中的流场计算，直至所有的计算步数完成后，实现基于流固耦合的油浸式变压器内部故障压力仿真的计算。
11、进一步的，气泡动力学方程为：
12、
13、式中，r为气泡的半径，是气泡表面的法向速度，是气泡表面的法向加速度；pd是流场边界的压强；γ为比热比，u0是初始时刻气泡内部的能量，rd是气泡的积分距离，wl是气泡膨胀的过程中气泡边界表面所做的功，warc是交流电弧能量。
14、进一步的，交流电弧能量通过下式计算：
15、
16、式中，warc表示交流电弧能量，parc表示交流电弧功率，δt表示交流电弧的持续时间，tarc表示交流电弧两端的电压降落，iarc表示流经交流电弧的电流。
17、进一步的，交流电弧两端的电压降落uarc通过下式计算：
18、
19、式中，larc表示每一时刻下的电弧长度，k为常数；p为绝对气体压强。
20、进一步的，气泡膨胀的过程中气泡边界表面所做的功wl通过下式计算：
21、
22、式中，为气泡表面的法向速度，r为气泡的半径，rd为气泡的积分距离，pd为是流场边界的压强。
23、进一步的，rans方程如下所示：
24、
25、式中，ρ是密度，x是空间坐标，μ是动力粘度，是略去平均符号的雷诺平均速度分量，rij是雷诺应力张量，是流场内部的压强。
26、进一步的，固体场的控制方程为：
27、
28、式中，ρs是固体密度；ds是固体场当地加速度矢量；σs是柯西应力张量；fs是体积力矢量。
29、与现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：
30、本专利技术充分考虑了故障发生时短路电流大小、磁场分布畸变、端电流幅值变化等特征为结果所带来的影响，对不同分接位置以及级间短路故障特征进行径向比较，分析了压力仿真结果随分接位置的变化规律；从原理上分析了电弧故障放电过程，厘清其放电过程中电弧能量释放和周围绝缘环境之间复杂作用机理，以及在电弧加热与电离作用下的绝缘油汽化和分解过程；基于流体动力学和油中瓦斯气泡动力学、分接开关的结构力学模型，建立了分接开关小腔体的流固耦合电弧故障压力仿真模型，实现典型故障的仿真，本专利技术利用流体域与固体域的双向耦合实现有载分接开关故障超压的准确计算，并对验证了本专利技术的正确性。
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1.基于气-液-固耦合的有载分接开关故障超压仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述是的基于气-液-固耦合的有载分接开关故障超压仿真方法，其特征在于，步骤四包括以下过程：在流体域的流场的第一个计算步长中，通过求解气泡动力学方程计算流场边界变化，再通过RANS方程进行计算流场的结果；
3.根据权利要求1所述是的基于气-液-固耦合的有载分接开关故障超压仿真方法，其特征在于，气泡动力学方程为：
4.根据权利要求3所述是的基于气-液-固耦合的有载分接开关故障超压仿真方法，其特征在于，交流电弧能量通过下式计算：
5.根据权利要求3所述是的基于气-液-固耦合的有载分接开关故障超压仿真方法，其特征在于，交流电弧两端的电压降落uarc通过下式计算：
6.根据权利要求3所述是的基于气-液-固耦合的有载分接开关故障超压仿真方法，其特征在于，气泡膨胀的过程中气泡边界表面所做的功Wl通过下式计算：
7.根据权利要求1所述是的基于气-液-固耦合的有载分接开关故障超压仿真方法，其特征在于，RANS方程如下所示：>
8.根据权利要求1所述是的基于气-液-固耦合的有载分接开关故障超压仿真方法，其特征在于，固体场的控制方程为：
...【技术特征摘要】
1.基于气-液-固耦合的有载分接开关故障超压仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述是的基于气-液-固耦合的有载分接开关故障超压仿真方法，其特征在于，步骤四包括以下过程：在流体域的流场的第一个计算步长中，通过求解气泡动力学方程计算流场边界变化，再通过rans方程进行计算流场的结果；
3.根据权利要求1所述是的基于气-液-固耦合的有载分接开关故障超压仿真方法，其特征在于，气泡动力学方程为：
4.根据权利要求3所述是的基于气-液-固耦合的有载分接开关故障超压仿真方法，其特征在于，交流电弧能量通过下式...
【专利技术属性】
技术研发人员：闫晨光，王奕淳，刘沁知，郭家旭，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：
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