CN110083905A - 一种隔离开关动态增容的热点温度分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种隔离开关动态增容的热点温度分析方法，涉及隔离开关动态增容技术领域，包括对隔离开关进行热力学分析，并根据分析结果以及外界的环境参量建立隔离开关的稳态热路模型，稳态热路模型中包括若干热力学参数；对隔离开关进行物理建模得到隔离开关的物理模型，并根据物理模型对隔离开关进行有限元仿真计算得到各热力学参数；将各热力学参数输入预先建立的稳态热路模型中，得到隔离开关的热点温度。本发明计算过程简单、快速，需要参量较少，容易实施且适用范围广；通过建立物理模型有效提高了计算准确度；综合考虑了外界环境参量对热点温度的影响；能够有效预测隔离开关动态增容的安全运行时间，易于推广实施，具有良好的经济效益。
Description
技术领域
本发明涉及隔离开关动态增容技术领域，尤其涉及一种隔离开关动态增容的热点温度分析方法。
背景技术
特高压输电作为长距离大容量输电的关键技术，它可以提高***的输送容量，提高***的稳定性，在高端市场中具有很大的发展空间。为了适应大容量远距离输电的需要，对现有输电***的供电能力提出了更高的要求。高压隔离开关作为高压电网中使用量最大的高压电器设备之一，处于高电压、大电流的严酷运行环境中，其运行可靠性与使用寿命将直接影响电网的稳定运行。随着电网技术的迅速发展，输电线路的输电电压越来越高、输送容量越来越大、输送距离越来越远，对高压隔离开关的运行性能提出了更高的要求，供电负荷的不断增长导致高压隔离开关发热故障呈上升趋势，原本就未彻底解决的导电回路过热问题也将更为突出。热稳定限值是限定电力设备额定运行电流、额定短时耐受电流及额定短路持续时间的重要参数，也是制定隔离开关动态增容运行策略的重要依据。为了确保隔离开关的安全稳定运行，对其热稳定限值进行计算与分析具有重要意义。
现有技术中，通常采用数值计算的方法进行热稳定限值的计算与分析，所谓数值计算方法即是利用传热学以及流体力学原理研究电力设备内部的热力学问题，并适当简化问题，通过求解微分方程组得到电力设备的热点温度的计算方法。使用该方法可以计算得到整个求解区域内任意一点的温度值，且准确度较高，但该方法需要较为精确的设备结构参数，且计算量较大，实时性差，更适合科研定性研究而不适合于工程应用。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种隔离开关动态增容的热点温度分析方法，具体包括以下步骤：
步骤S1，对隔离开关进行热力学分析，并根据分析结果以及外界的环境参量建立所述隔离开关的稳态热路模型，所述稳态热路模型中包括若干热力学参数；
步骤S2，对所述隔离开关进行物理建模得到所述隔离开关的物理模型，并根据所述物理模型对所述隔离开关进行有限元仿真计算得到各所述热力学参数；
步骤S3，将各所述热力学参数输入预先建立的所述稳态热路模型中，得到所述隔离开关的热点温度。
优选的，根据所述热力学分析的分析结果将所述隔离开关划分为导杆区、触点区和静触头区；
所述导杆区包括导杆和底座；
所述触点区包括静触杆和动触头；
所述静触头区包括绞线和接线板。
优选的，所述热力学参数包括所述导杆区产生的导杆区热阻、所述触点区产生的触点区热阻、所述静触头区产生的静触头区热阻、所述动触头向所述导杆进行热传导产生的第一热传导热阻和所述静触杆向所述绞线进行热传导产生的第二传导热阻。
优选的，所述步骤S2包括：
按照如下公式计算得到所述导杆区热阻：
Rd-A＝Ra1//Rr1
其中，Rd-A表示所述导杆区热阻；Ra1表示所述导杆区与表面空气的对流换热热阻；Rr1表示所述导杆区向空气辐射散热的辐射散热热阻；
按照如下公式计算得到所述触点区热阻：
Rc-A＝Ra2//Rr2
其中，Rc-A表示所述触点区热阻；Ra2表示所述触点区与表面空气的对流换热热阻；Rr2表示所述触点区向空气辐射散热的辐射散热热阻；
按照如下公式计算得到所述静触头区热阻：
Rs-A＝Ra3//Rr3
其中，Rs-A表示所述静触头区热阻；Ra3表示所述静触头区与表面空气的对流换热热阻；Rr3表示所述静触头区向空气辐射散热的辐射散热热阻；
按照如下公式计算得到所述第一传导热阻：
其中，Rd1表示所述第一传导热阻；Ts表示所述动触头与所述静触杆接触部分的触点温度；T1表示所述导杆区的温度；λ表示热传导系数；S表示所述动触头与所述静触杆接触部分的接触面积；表示传导方向上的温度梯度；
按照如下公式计算得到所述第二传导热阻：
其中，Rd2表示所述第一传导热阻；Ts表示所述动触头与所述静触杆接触部分的触点温度；T2表示所述静触头区的温度；λ表示热传导系数；S表示所述动触头与所述静触杆接触部分的接触面积；表示传导方向上的温度梯度。
优选的，所述热点温度包括所述动触头与所述静触杆接触部分的触点温度，和/或所述导杆区的温度，和/或所述静触头区的温度。
优选的，执行所述步骤S3之后，还包括在所述稳态热路模型中加入热容以建立暂态热路模型，并根据所述暂态热路模型生成所述隔离开关的所述热点温度的变化曲线。
优选的，所述步骤S3中，采用Comsol软件对所述隔离开关进行物理建模。
优选的，所述环境参量包括环境温度，和/或环境风速，和/或运行年限。
上述技术方案具有如下优点或有益效果：
1)计算过程简单、快速，需要参量较少，容易实施且适用范围广，避免了传统温升实验的复杂性和局限性；
2)通过建立物理模型并进行有限元仿真，有效提高了热路模型的计算准确度；
3)综合考虑了环境温度、环境风速和运行年限等因素对热点温度的影响，更适用于实际应用；
4)根据输入的环境参数以及负荷情况，能够有效预测隔离开关动态增容的安全运行时间，易于推广实施，具有良好的经济效益。
附图说明
图1为本发明的较佳的实施例中，一种隔离开关动态增容的热点温度计算方法的流程示意图；
图2为本发明的较佳的实施例中，隔离开关的散热路径的示意图；
图3为本发明的较佳的实施例中，隔离开关的稳态热路模型的示意图；
图4为本发明的较佳的实施例中，隔离开关的物理模型的示意图；
图5为本发明的较佳的实施例中，隔离开关的暂态热路模型的示意图；
图6为本发明的一个较佳的实施例中，稳态热路模型计算结果与实测结果的对比示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本发明并不限定于该实施方式，只要符合本发明的主旨，则其他实施方式也可以属于本发明的范畴。
本发明的较佳的实施例中，基于现有技术中存在的上述问题，现提供一种隔离开关动态增容的热点温度分析方法，如图1所示，具体包括以下步骤：
步骤S1，对隔离开关进行热力学分析，并根据分析结果以及外界的环境参量建立隔离开关的稳态热路模型，稳态热路模型中包括若干热力学参数；
步骤S2，对隔离开关进行物理建模得到隔离开关的物理模型，并根据物理模型对隔离开关进行有限元仿真计算得到各热力学参数；
步骤S3，将各热力学参数输入预先建立的稳态热路模型中，得到隔离开关的热点温度。
具体地，本实施例中，本发明适用于GW16-550型户外高压隔离开关。GW16系列隔离开关的主要结构特点是上半部分是带钳夹结构主触头的折叠式导杆，下半部分是一个轻直绝缘瓷瓶支柱，导杆通过折叠运动上下活动，完成分闸及合闸过程。GW16可以按照不同的母线设计方案布置在母线之下。由于GW16断口竖直距离大，绝缘水平高，加之其环境适应性较强，因此普遍应用于各个地区。
对上述隔离开关进行热力学分析可知，隔离开关发热的主要来源有两个，一个是动触头与静触杆接触部分的接触电阻通流发热，一个是导体回路电阻通流发热，上述接触电阻和导体回路电阻的电阻损耗功率可根据下式进行计算：
P＝I2(Rc+KRb)
其中，I表示流过导体的电流有效值；Rc表示接触电阻；Rb表示导体回路电阻；K表示交流附加损耗系数，与趋肤效应有关。
除上述导电回路电阻和接触电阻外，隔离开关的各连接处也会有接触电阻产生热量，但一般来说在连接正常的情况下，其接触电阻很小，产生的热量很小，对隔离开关的内部温升影响不大，因此建立稳态热路模型时予以忽略。由以上分析可知，隔离开关的主导电部分包括动触头和静触杆，是隔离开关发热的核心部分，主要负责开合输电线路以及安全隔离电源。如图2所示，动触头和静触杆产生的热量，具体的散热路径主要包括：一部分通过对流和辐射散失到外界环境中，另一部分通过热传导至导体并耗散至外界环境中。因隔离开关的绝缘子部分的泄露电流很小，热效应可以忽略，因此建立稳态热路模型时忽略绝缘子部分。
如图3所示，根据上述散热路径建立稳态热路模型，图中，Q1、Q2、Q3分别表示隔离开关的热量流向；Ts表示动触头与静触杆接触部分的触点的温度，即所求的热点温度；Te表示环境温度；T1表示导杆和底座的温度；T2表示绞线和接线板的温度；Rd1是动触头与静触杆接触部分的触点向导杆区进行热传导产生的第一传导热阻；Rd2是动触头与静触杆接触部分的触点向静触头区进行热传导产生的第二传导热阻，Ra1是导杆区与表面空气的对流散热热阻，Ra2是上述触点与表面空气的对流散热热阻，Ra3是静触头区与表面空气的对流散热热阻，Rr1是导杆区向空气辐射散热的辐射散热热阻，Rr2是上述触点向空气辐射散热的辐射散热热阻，Rr3是静触头区向空气辐射散热的辐射散热热阻。
本发明的较佳的实施例中，根据热力学分析的分析结果将隔离开关划分为导杆区、触点区和静触头区；如图4所示，
导杆区包括导杆11和底座12；
触点区包括静触杆22和动触头21；
静触头区包括绞线31和接线板32。
本发明的较佳的实施例中，热力学参数包括导杆区产生的导杆区热阻、触点区产生的触点区热阻、静触头区产生的静触头区热阻、动触头21向导杆11进行热传导产生的第一热传导热阻和静触杆22向绞线31进行热传导产生的第二传导热阻。
本发明的较佳的实施例中，步骤S2包括：
按照如下公式计算得到导杆区热阻：
Rd-A＝Ra1//Rr1
其中，Rd-A表示导杆区热阻；Ra1表示导杆区与表面空气的对流换热热阻；Rr1表示导杆区向空气辐射散热的辐射散热热阻；
按照如下公式计算得到触点区热阻：
Rc-A＝Ra2//Rr2
其中，Rc-A表示触点区热阻；Ra2表示触点区与表面空气的对流换热热阻；Rr2表示触点区向空气辐射散热的辐射散热热阻；
按照如下公式计算得到静触头区热阻：
Rs-A＝Ra3//Rr3
其中，Rs-A表示静触头区热阻；Ra3表示静触头区与表面空气的对流换热热阻；Rr3表示静触头区向空气辐射散热的辐射散热热阻；
按照如下公式计算得到第一传导热阻：
其中，Rd1表示第一传导热阻；Ts表示动触头与静触杆接触部分的触点温度；T1表示导杆区的温度；λ表示热传导系数；S表示动触头与静触杆接触部分的接触面积；表示传导方向上的温度梯度；
按照如下公式计算得到第二传导热阻：
其中，Rd2表示第一传导热阻；Ts表示动触头与静触杆接触部分的触点温度；T2表示静触头区的温度；λ表示热传导系数；S表示动触头与静触杆接触部分的接触面积；表示传导方向上的温度梯度。
具体地，本实施例中，分别计算导杆区、触点区和静触头区对应的各热力学参数。
对于导杆区，导杆区的热量流向包括对流散热和辐射散热两部分。将导杆11和底座12视为一个整体，其中底座12与空气对流多为层流形式，其对流换热系数为：
式中，λair表示空气热导率，单位为W/(m·K)；d表示几何特征参数，m；NuF表示平均努塞尔数。
则底座12的对流散热热阻为：
设导杆11表面等效长度为L，则导杆11的对流散热热阻为：
则导杆区的对流散热热阻为：
Ra1＝R11//R12
另，导杆区向空气辐射散热的辐射散热热阻为：
式中，ε表示导杆区外表面发射率；A表示导杆区外表面总面积。
综上可得，导杆区的散热热阻的计算式为：
Rd-A＝Ra1//Rr1
对于触点区，触点区的热量流向包括对流散热和辐射散热两部分。其中，静触杆22的对流散热热阻为：
式中，r表示静触杆22半径；l表示静触杆22长度；hc表示静触杆22的对流换热系数。
动触头21的对流散热热阻为：
式中，S表示动触头21表面积；
则触点区的对流散热热阻为：
Ra2＝Ra21//Ra22
另，触点区的辐射散热热阻为：
综上可得，触点区的散热热阻为：
Rc-A＝Ra2//Rr2
对于静触头区，静触头区的热量流向包括对流散热和辐射散热两部分。其中，静触头区的对流散热热阻为：
式中，S表示静触头区表面积；hs表示静触头区的对流换热系数。
另，静触头区的辐射散热热阻为：
综上可得，静触头区的散热热阻为：
Rs-A＝Ra3//Rr3
对于触点区的动触头21通过导体的热传导向导杆11传热部分，其热传导过程中产生的第一热传导热阻为：
式中，Ts表示动触头21与静触杆22接触部分的触点温度；T1表示导杆区的温度；λ表示导体的热传导系数；S表示动触头21与静触杆22接触部分的接触面积；表示传导方向上的温度梯度。
对于触点区的静触杆22通过导体的热传导向绞线31传热部分，其热传导过程中产生的第二热传导热阻为：
其中，Rd2表示第一传导热阻；Ts表示动触头21与静触杆22接触部分的触点温度；T2表示静触头区的温度；λ表示热传导系数；S表示动触头21与静触杆22接触部分的接触面积；表示传导方向上的温度梯度。
本实施例中，因实际设备结构复杂，根据热力学方程利用解析法计算稳态热路模型中的对流换热系数、几何面积等会十分复杂，甚至可能因人为因素导致较大的误差。因此如图4所示，采用Comsol软件对隔离开关进行物理建模，适当简化接线板32和底座12，并对触点处进行精准建模，利用有限元算法对隔离开关进行热力学仿真，提取对流换热系数和几何面积等参数，并输入上述的各热力学参数的表达式中，以获得较为准确的各热力学参数的表达式。
进一步地，在稳态热路模型中，将热流量参数类比于电流，将热阻参数类比于电阻，将温度参数类比于电压，则根据基尔霍夫定律，可将稳态热路模型按照如下方程组进行表示：
将上述根据物理模型对隔离开关进行有限元仿真计算得到各热力学参数的表达式带入上述方程组，应用迭代法求解得到动触头21与静触杆22接触部分的触点的温度Ts；导杆11和底座的12温度T1；绞线31和接线板32的温度T2。
本发明的较佳的实施例中，热点温度包括动触头21与静触杆22接触部分的触点温度，和/或导杆区的温度，和/或静触头区的温度。
本发明的较佳的实施例中，执行步骤S3之后，还包括在稳态热路模型中加入热容以建立暂态热路模型，并根据暂态热路模型生成隔离开关的热点温度的变化曲线。
具体地，本实施例中，为了描述隔离开关热场建立的暂态过程，如图5所示，在原有的稳态热路模型中加入热容。其中，相应的热时间常数为：
式中，cp表示导体比热，J/(kg·K)；G为导体重量，kg；H表示导体表面综合散热系数；S表示导体表面积，m2。
通过热时间常数得到隔离开关内部导体温升T的表达式为：
本发明的较佳的实施例中，步骤S3中，采用Comsol软件对隔离开关进行物理建模。
本发明的较佳的实施例中，环境参量包括环境温度，和/或环境风速，和/或运行年限。
本发明的一个较佳的实施例中，首先获取隔离开关的结构尺寸和材料的详细信息，建立隔离开关的物理模型，该物理模型包括隔离开关发热与散热的全部部件，包括接线板、绞线、静触杆、动触头、导杆和底座，并根据该物理模型进行有限元仿真计算，以得到预先建立的稳态热路模型的各热力学参数。
向热路模型中输入各热力学参数以及当前的环境风速v＝0.1m/s、当前的环境温度Te＝302.15K，当前的负荷电流I＝3780A，如图6所示，绞线部分温度，即绞线和接线板的温度；导杆部分温度，即导杆和底座的温度；触点温度，即动触头与静触杆接触部分的温度。由图中可以看出，经经稳态热路模型计算的绞线部分温度、触点温度和导杆部分温度与实测温度相比误差均较小。且计算过程简单、快速，需要参量较少，容易实施且适用范围广，避免了传统温升实验的复杂性和局限性，同时综合考虑了环境温度、环境风速和运行年限等因素对热点温度的影响，更适用于实际应用，具有良好的经济效益。
以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种隔离开关动态增容的热点温度分析方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤S1，对隔离开关进行热力学分析，并根据分析结果以及外界的环境参量建立所述隔离开关的稳态热路模型，所述稳态热路模型中包括若干热力学参数；
步骤S2，对所述隔离开关进行物理建模得到所述隔离开关的物理模型，并根据所述物理模型对所述隔离开关进行有限元仿真，并根据仿真结果计算得到各所述热力学参数；
步骤S3，将各所述热力学参数输入预先建立的所述稳态热路模型中，得到所述隔离开关的热点温度。
2.根据权利要求1所述的热点温度分析方法，其特征在于，根据所述热力学分析的分析结果将所述隔离开关划分为导杆区、触点区和静触头区；
所述导杆区包括导杆和底座；
所述触点区包括静触杆和动触头；
所述静触头区包括绞线和接线板。
3.根据权利要求2所述的热点温度分析方法，其特征在于，所述热力学参数包括所述导杆区产生的导杆区热阻、所述触点区产生的触点区热阻、所述静触头区产生的静触头区热阻、所述动触头向所述导杆区进行热传导产生的第一热传导热阻和所述静触杆向所述静触头区进行热传导产生的第二传导热阻。
4.根据权利要求3所述的热点温度分析方法，其特征在于，所述步骤S2中包括：
按照如下公式计算得到所述导杆区热阻：
Rd-A＝Ra1//Rr1
其中，Rd-A表示所述导杆区热阻；Ra1表示所述导杆区与表面空气的对流换热热阻；Rr1表示所述导杆区向空气辐射散热的辐射散热热阻；
按照如下公式计算得到所述触点区热阻：
Rc-A＝Ra2//Rr2
其中，Rc-A表示所述触点区热阻；Ra2表示所述触点区与表面空气的对流换热热阻；Rr2表示所述触点区向空气辐射散热的辐射散热热阻；
按照如下公式计算得到所述静触头区热阻：
Rs-A＝Ra3//Rr3
其中，Rs-A表示所述静触头区热阻；Ra3表示所述静触头区与表面空气的对流换热热阻；Rr3表示所述静触头区向空气辐射散热的辐射散热热阻；
按照如下公式计算得到所述第一传导热阻：
其中，Rd1表示所述第一传导热阻；Ts表示所述动触头与所述静触杆接触部分的触点温度；T1表示所述导杆区的温度；λ表示热传导系数；S表示所述动触头与所述静触杆接触部分的接触面积；表示传导方向上的温度梯度；
按照如下公式计算得到所述第二传导热阻：
其中，Rd2表示所述第一传导热阻；Ts表示所述动触头与所述静触杆接触部分的触点温度；T2表示所述静触头区的温度；λ表示热传导系数；S表示所述动触头与所述静触杆接触部分的接触面积；表示传导方向上的温度梯度。
5.根据权利要求4所述的热点温度分析方法，其特征在于，所述热点温度包括所述动触头与所述静触杆接触部分的触点温度，和/或所述导杆区的温度，和/或所述静触头区的温度。
6.根据权利要求1所述的热点温度分析方法，其特征在于，执行所述步骤S3之后，还包括在所述稳态热路模型中加入热容以建立暂态热路模型，并根据所述暂态热路模型生成所述隔离开关的所述热点温度的变化曲线。
7.根据权利要求1所述的热点温度分析方法，其特征在于，所述步骤S3中，采用Comsol软件对所述隔离开关进行物理建模。
8.根据权利要求1所述的热点温度分析方法，其特征在于，所述环境参量包括环境温度，和/或环境风速，和/或运行年限。
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