CN110543717B - 一种gis设备温升特性仿真模型的构建方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种GIS设备温升特性仿真模型的构建方法及装置，其中所述方法包括：根据质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律、麦克斯韦方程组以及GIS设备特性参数，构建初始仿真模型；获取GIS模拟试验设备的试验数据；试验数据包括GIS模拟试验设备在模拟实际工况的GIS设备存在内部过热缺陷时，GIS模拟试验设备的内部导体的第一温升数据和GIS模拟试验设备的外壳的第二温升数据；根据试验数据对初始仿真模型的GIS设备仿真参数进行修正，获得GIS设备温升特性仿真模型。本发明能够构建出能准确获得GIS设备内部导体的温升情况的仿真模型。
Description
技术领域
本发明涉及电气设备仿真技术领域，尤其涉及一种GIS设备温升特性仿真模型的构建方法及装置。
背景技术
GIS(GAS Insulated Switchgear，气体绝缘开关)设备因占地面积小，运行可靠等优点，在电力***中得到了越来越广泛的应用。GIS设备的内部导体接触不良时，常常会因为电阻变大影响负荷电流流通而造成GIS设备局部过热。而GIS设备局部过热会引起绝缘老化或直接破坏GIS内部绝缘，引发短路，形成重大事故。因此，获知GIS设备的内部导体的温度，以及时对GIS设备的内部过热故障进行诊断评估尤为重要。
由于内部导体封闭在GIS设备的外壳内，无法直接测量GIS设备的内部导体的温度，现有技术常采用模型仿真计算获得内部导体的温升情况，但是目前的仿真模型是通过已知外壳温升，通过一系列的反推方程计算获得内部导体的温升，由于逆计算过程复杂，进行了大量的简化计算，从而导致最终获得的内部导体的温升往往与实际的温升差别较大，不能准确获得GIS设备内部导体的温升情况。
发明内容
本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种GIS设备温升特性仿真模型的构建方法及装置，构建出能准确获得GIS设备内部导体的温升情况的仿真模型。
为了解决上述技术问题，第一方面，本发明实施例提供了一种GIS设备温升特性仿真模型的构建方法，所述方法包括：
根据质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律、麦克斯韦方程组以及GIS设备特性参数，构建初始仿真模型；
获取GIS模拟试验设备的试验数据；所述试验数据包括所述GIS模拟试验设备在模拟实际工况的GIS设备存在内部过热缺陷时，所述GIS模拟试验设备的内部导体的第一温升数据和所述GIS模拟试验设备的外壳的第二温升数据；
根据所述试验数据对所述初始仿真模型的GIS设备仿真参数进行修正，获得GIS设备温升特性仿真模型；其中，所述GIS设备特性参数至少包括所述外壳的第一特性参数、所述内部导体的第二特性参数、所述GIS模拟试验设备的盆式绝缘子的第三特性参数、所述GIS模拟试验设备的触头的第四特性参数或充入所述GIS模拟试验设备的流通气体的第五特性参数中的任意一种。
进一步的，所述第一特性参数包括所述外壳的质量密度、比热容、热导率、电导率、相对磁导率和金属发射率中的任意一种或任意组合；
所述第二特性参数包括所述内部导体的质量密度、比热容、热导率、电导率、相对磁导率和金属发射率中的任意一种或任意组合。
进一步的，所述第三特性参数包括所述盆式绝缘子的质量密度和/或比热容。
进一步的，所述第四特性参数包括所述触头的质量密度、比热容、热导率、电导率和相对磁导率中的任意一种或任意组合。
进一步的，所述第五特性参数包括所述流通气体的质量密度、比热容、热导率、粘度、相对压力和摩尔质量中的任意一种或任意组合。
进一步的，所述内部导体若干个第一温度测量位置的上表面和下表面均设置有第一热敏传感器，用于获取相应的第一温度测量位置的上表面温度和下表面温度；
则，所述获取GIS模拟试验设备的试验数据具体包括：
判断所述GIS模拟试验设备是否处于稳定发热状态；
当所述GIS模拟试验设备处于稳定发热状态时，对于内部导体的每一个第一温度测量位置，计算所述上表面温度和所述下表面温度的平均值，将所述平均值作为该第一温度测量位置的测量温度值；
获取环境温度值，并根据所述环境温度值和每一个所述第一温度测量位置的测量温度值，计算获得所述内部导体的每一个所述第一温度测量位置所对应的第一温升值；
将所有所述第一温度测量位置以及所对应的第一温升值作为所述第一温升数据。
进一步的，所述外壳的第二温度测量位置设置有若干个第二热敏传感器，用于获取第二温度测量位置的若干个外壳温度值；
则，所述获取GIS模拟试验设备的试验数据还包括：
当所述GIS模拟试验设备处于稳定发热状态时，计算若干个所述外壳温度值的第二温度平均值；
获取所述外壳的红外测试图；
确定所述红外测试图中，与所述第二温度测量位置相对应的图片位置，并读取所述图片位置的第一红外温度值；
选取所述红外测试图中若干个温度分布位置，并读取若干个所述温度分布位置对应的第二红外温度值；并根据所述第一红外温度值和所述第二温度平均值，对若干个所述第二红外温度值进行校正；
根据所述环境温度值和每一个所述温度分布位置对应的第二红外温度值，计算每一个所述温度分布位置对应的第二温升值；
将所有所述温度分布位置以及所对应的第二温升值作为所述第二温升数据。
进一步的，所述判断所述GIS模拟试验设备是否处于稳定发热状态具体包括：
每隔预设时间间隔，读取所述第一温度测量位置的当前上表面温度和当前下表面温度；
计算并记录所述当前上表面温度和所述当前下表面温度的当前平均值；
获取上一次计算的所述第一温度测量位置的历史上表面温度和历史下表面温度的历史平均值；
计算所述当前平均值与所述历史平均值的差值，并将所述差值与预设的差值阈值进行比较；
当所述差值不超过所述差值阈值时，则判定判断所述GIS模拟试验设备处于稳定发热状态；
当所述差值超过所述差值阈值时，则判定判断所述GIS模拟试验设备不处于稳定发热状态。
进一步的，所述GIS模拟试验设备包括N段通过盆式绝缘子依次连接GIS母线腔体，所述GIS母线腔体均包括所述内部导体和所述外壳，所述内部导体通过触头与所述盆式绝缘子连接；N≥2；
其中，第二段所述GIS母线腔体的内部导体通过盆式绝缘子与第一段所述GIS母线腔体的内部导体连接时，与所述盆式绝缘子连接的第二段所述GIS母线腔体的内部导体一端的触头为用于模拟具有过热缺陷的缺陷触头，所述缺陷触头的截面形状为“工”字形。
为了解决相应的技术问题，本发明还提供了一种GIS设备温升特性仿真模型的构建装置，所述装置包括：
构建模块，用于根据质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律、麦克斯韦方程组以及GIS设备特性参数，构建初始仿真模型；
获取模块，用于获取GIS模拟试验设备的试验数据；所述试验数据包括所述GIS模拟试验设备在模拟实际工况的GIS设备存在内部过热缺陷时，所述GIS模拟试验设备的内部导体的第一温升数据和所述GIS模拟试验设备的外壳的第二温升数据；
修正模块，用于根据所述试验数据对所述初始仿真模型的GIS设备仿真参数进行修正，获得GIS设备温升特性仿真模型；其中，所述GIS设备特性参数至少包括所述外壳的第一特性参数、所述内部导体的第二特性参数、所述GIS模拟试验设备的盆式绝缘子的第三特性参数、所述GIS模拟试验设备的触头的第四特性参数或充入所述GIS模拟试验设备的流通气体的第五特性参数中的任意一种。
上述提供的一种GIS设备温升特性仿真模型的构建方法及装置，能够在构建出初始仿真模型后还对初始仿真模型的GIS设备仿真参数进行修正，不受实际应用中GIS设备各个材料的真实特性参数的局限，修正后获得的GIS设备温升特性仿真模型能够减少与GIS设备实际工况下的温升特性的差距，能够构建出能准确获得GIS设备内部导体的温升情况的仿真模型。且相比于现有技术的通过外壳温度逆计算获得内部导体分布的方法，能够更直接的获得准确度较高的内部导体的温度分布。
附图说明
图1是本发明提供的一种GIS设备温升特性仿真模型的构建方法的一个优选实施例的流程图；
图2是本发明的GIS设备的三维仿真模型；
图3是本发明提供GIS模拟试验设备的结构示意图；
图4是本发明提供GIS模拟试验设备的缺陷触头的结构示意图；
图5是本发明提供的一种GIS设备温升特性仿真模型的构建装置的一个优选实施例的结构示意图；
图6(a)是电流为2000A时GIS模拟试验设备和本发明的初始仿真模型的获得的内部导体的温度分布的对比图；
图6(b)是电流为2000A时GIS模拟试验设备和本发明的初始仿真模型的获得的外壳的温度分布的对比图；
图7(a)是SF6气体的质量密度与温度的关系曲线图；
图7(b)是SF6气体的比热容与温度的关系曲线图；
图7(c)是SF6气体的热导率与温度的关系曲线图；
图7(d)是SF6气体的粘滞系数与温度的关系曲线图；
图8(a)是电流为1000A时GIS模拟试验设备和本发明的GIS设备温升特性仿真模型的获得的内部导体的温度分布的对比图；
图8(b)是电流为1000A时GIS模拟试验设备和本发明的GIS设备温升特性仿真模型的获得的外壳的温度分布的对比图；
图9(a)是电流为1500A时GIS模拟试验设备和本发明的GIS设备温升特性仿真模型的获得的内部导体的温度分布的对比图；
图9(b)是电流为1500A时GIS模拟试验设备和本发明的GIS设备温升特性仿真模型的获得的外壳的温度分布的对比图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供了一种GIS设备温升特性仿真模型的构建方法，请参阅图1，图1是本发明提供的一种GIS设备温升特性仿真模型的构建方法的一个优选实施例的流程图；具体的，所述方法包括：
S1、根据质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律、麦克斯韦方程组以及GIS设备特性参数，构建初始仿真模型；
S2、获取GIS模拟试验设备的试验数据；所述试验数据包括所述GIS模拟试验设备在模拟实际工况的GIS设备存在内部过热缺陷时，所述GIS模拟试验设备的内部导体的第一温升数据和所述GIS模拟试验设备的外壳的第二温升数据；
S3、根据所述试验数据对所述初始仿真模型的GIS设备仿真参数进行修正，获得GIS设备温升特性仿真模型；其中，所述GIS设备特性参数至少包括所述外壳的第一特性参数、所述内部导体的第二特性参数、所述GIS模拟试验设备的盆式绝缘子的第三特性参数、所述GIS模拟试验设备的触头的第四特性参数或充入所述GIS模拟试验设备的流通气体的第五特性参数中的任意一种。
需要说明的是，GIS设备的内部导体的温度和外壳的温度其实是受流通气体的温度、GIS设备中各个结构的材料的特性、内部导体的电阻等影响而生成，故GIS设备温升特性仿真模型一般包括根据GIS设备特性参数构建的三维仿真模型(如图2所示)和内部流通气体的数学传热模型，根据数学传热模型可以获知流通气体的温度分布情况，在结合GIS设备的各个结构的材料特性等便能获知内部导体、外壳相对应的温度分布情况。
需要说明的是，第一特性参数～第五特性参数均是与各个部件材料的特性相关的参数，更具体的，是与各个部件的电阻、散热、导热性能等相关的参数，通过修正这些参数可以调节内部导体、外壳的温度分布情况。
需要说明的是，虽然在实际工况中的GIS设备以及各个部件的材料均有对应的特性参数，这些参数在实际中是由材料决定的，并不可以调整修改，但是由于采用仿真模型获知GIS设备的温度分布时，初始仿真模型以及仿真软件等因素的影响，直接采用各个材料本身的特性进行仿真很可能会带来较大误差，本申请中对GIS设备仿真参数进行修正，是为了让尽量地减少仿真误差。
需要说明的是，为了让获得的GIS设备温升特性仿真模型能准确地仿真不同时刻下的GIS设备实际工况的温度分布情况，本发明根据多次试验的试验数据对初始仿真模型进行修正，而不是仅仅一次的试验数据。
具体的，本发明提供的一种GIS设备温升特性仿真模型的构建方法，通过GIS模拟试验设备获得试验数据，根据试验数据对GIS设备特性参数进行修正，进而获得构建出能够提高获得的GIS设备温升情况的准确度的GIS设备温升特性仿真模型。当完成GIS设备温升特性仿真模型后，实际现场应用时，只需要拍摄GIS设备的红外测试图获知外壳实际温度分布，根据位置对应关系获知内部导体的各个区域、局部的发热源的温度大致情况，例如获知外壳的局部的温度集中部位，可获知内部导体的局部发热源，对GIS设备温升特性仿真模型的内部导体的相应的发热源的电阻进行调节，直至仿真模型的外壳温度分布与红外测试图中外壳实际温度分布相吻合，则此时GIS设备温升特性仿真模型获得的内部导体的温度分布情况即为该发热状态下实际工况下的GIS设备的内部导体的温度分布的仿真情况。技术人员便可根据仿真获得的内部导体的温度分布情况对实际工况下的GIS设备进行评估诊断、采取解决措施等。需要说明的是，前期通过试验数据对GIS设备特性参数进行修正，是为了获得能仿真实际工况GIS设备外壳、内部导体对应的温度分布的仿真模型，而后续对GIS设备温升特性仿真模型使用时，调节仿真模型的发热源的电阻是为了模拟实际工况的发热状态，获得该发热状态的仿真数据，两者的调节是不一样的。
本发明提供的一种GIS设备温升特性仿真模型的构建方法，构建出初始仿真模型后还对初始仿真模型的GIS设备仿真参数进行修正，不受实际应用中GIS设备各个材料的真实特性参数的局限，修正后获得的GIS设备温升特性仿真模型能够减少与GIS设备实际工况下的温升特性的差距，能够构建出能准确获得GIS设备内部导体的温升情况的仿真模型。且相比于现有技术的通过外壳温度逆计算获得内部导体分布的方法，能够更直接的获得准确度较高的内部导体的温度分布。
进一步的，为了便于理解本发明的初始仿真模型中数学传热模型的建立原理，下面以流通气体为SF6气体进行说明：
根据质量守恒定律建立的所述GIS设备内流通气体的质量守恒方程：
其中，V表示SF6气体的速度矢量。
动量守恒方程式物理学上牛顿第二定律在流体动力学中应用的数学表述形式，即作用在流体微元上所有外力的总和等于流体微元的动量变化率。则，根据动量守恒定律建立的所述GIS设备内流通气体在x方向的动量守恒方程：
式中，σx为表面力矢量；fx为体积力的x方向分量。
需要说明的是，表面力矢量σx包括微元x方向的压力与粘性力，即：
σx＝-pi+τx (1-3)
式中，p为气体压强；τx为x方向粘性力。
对公式(1-2)可进一步改写为：
式中，τxx为微元表面正应力，τyx与τzx为微元表面切应力。
同理，y方向与z方向动量守恒方程分别为：
其中，令微元表面应力的各个分量满足(1-4)中的关系，即
式中，μ为流体动力粘度，fy与fz分别为体积力的y方向与z方向分量。
将式公式(1-7)带入公式(1-4)至公式(1-6)中，得到完整的动量守恒方程形式如下：
考虑到SF6气体为不可压缩流体，压力控制流体，流体单元体积为常数，各向同性流体使得
此时公式(1-8)至公式(1-10)可写为如下简化形式：
进一步的，根据能量守恒定律建立的所述GIS设备内流通气体的能量守恒方程：
式中，Cp为SF6气体比热，T为开氏温度，λ为SF6气体热导率，Q为GIS内部体积热源(包括导电回路的欧姆损耗功率和涡流损耗功率)。
由于GIS在工作时产生的热量主要来自三方面：电流通过导体并在导体中产生的电阻损耗，电阻包括导体的金属电阻以及导体连接处的接触电阻；磁性材料在交变电磁场的作用下产生的涡流和磁滞损耗；绝缘材料在交变电场作用下产生的介质损耗。对于GIS设备，绝缘材料的介质损耗和磁性材料的磁滞损耗非常小。因此，计算中只考虑电阻损耗和涡流损耗。
交流下GIS的通流损耗主要通过建立电磁场模型进行计算，根据麦克斯韦方程组，引入矢量磁位，求解域电磁场控制方程为公式(1-15)至公式(1-17)所示：
J＝JS+JC (1-16)
上述公式(1-15)至公式(1-17)中，J为源电流密度，JS为已知源电流密度，即施加的正弦激励源，JC为磁场变化在导电区域中感应出的电流密度，A为矢量磁位，μ为媒质磁导率，σ为导电区域的电导率，w为角频率。
GIS内部所有损耗计算方程为公式(1-18)所示。
由此，通过上述方程能够构建的数学传热模型，进而能够在GIS设备的三维仿真模型中获得外壳和内部导体的温度分布情况。
优选地，所述第一特性参数包括所述外壳的质量密度、比热容、热导率、电导率、相对磁导率和金属发射率中的任意一种或任意组合；
所述第二特性参数包括所述内部导体的质量密度、比热容、热导率、电导率、相对磁导率和金属发射率中的任意一种或任意组合。
具体的，外壳或内部导体的质量密度、比热容、热导率、电导率、相对磁导率和金属发射率对外壳或内部导体的温度有一定的影响，通过调节上述特性参数，能够对仿真模型的温度分布进行调节，构建出能仿真实际工况下的GIS设备的温度分布的仿真模型。
优选地，所述第三特性参数包括所述盆式绝缘子的质量密度和/或比热容。
具体的，盆式绝缘子连接各段的内部导体，其质量密度和/或比热容会影响GIS设备的温度分布情况，通过调节上述特性参数，能够对仿真模型的温度分布进行调节，构建出能仿真实际工况下的GIS设备的温度分布的仿真模型。
优选地，所述第四特性参数包括所述触头的质量密度、比热容、热导率、电导率和相对磁导率中的任意一种或任意组合。
具体的，各个内部导体通过触头连接到盆式绝缘子，其电阻大小等会影响触头的发热状态，进而影响GIS设备的温度分布情况，通过调节上述特性参数，能够对仿真模型的温度分布进行调节，构建出能仿真实际工况下的GIS设备的温度分布的仿真模型。
优选地，所述第五特性参数包括所述流通气体的质量密度、比热容、热导率、粘度、相对压力和摩尔质量中的任意一种或任意组合。
具体的，流通气体质量密度、比热容、热导率、粘度、相对压力和摩尔质量等对气体的温度产生影响，会影响GIS设备的温度分布情况，通过调节上述特性参数，能够对仿真模型的温度分布进行调节，构建出能仿真实际工况下的GIS设备的温度分布的仿真模型。
优选地，所述内部导体若干个第一温度测量位置的上表面和下表面均设置有第一热敏传感器，用于获取相应的第一温度测量位置的上表面温度和下表面温度；
则，所述获取GIS模拟试验设备的试验数据具体包括：
判断所述GIS模拟试验设备是否处于稳定发热状态；
当所述GIS模拟试验设备处于稳定发热状态时，对于内部导体的每一个第一温度测量位置，计算所述上表面温度和所述下表面温度的平均值，将所述平均值作为该第一温度测量位置的测量温度值；
获取环境温度值，并根据所述环境温度值和每一个所述第一温度测量位置的测量温度值，计算获得所述内部导体的每一个所述第一温度测量位置所对应的第一温升值；
将所有所述第一温度测量位置以及所对应的第一温升值作为所述第一温升数据。
具体的，要获知GIS模拟试验装置的内部导体的温度分布情况，需要获知内部导体的不同位置下的温度，故设置了内部导体的若干个第一温度测量位置。本发明为了获得GIS模拟试验装置的试验数据，在GIS模拟试验装置的内部导体的若干个第一温度测量位置的上下表面均粘贴有热敏传感器，用于测试每一个第一温度测量位置的上表面温度和下表面温度。获取试验数据时，判断GIS模拟试验设备是否处于稳定发热状态，当GIS模拟试验设备处于稳定发热状态，将此时每一个第一温度测量位置的上表面温度和下表面温度的平均值，得到每一个第一温度测量位置的测量温度值，并与环境温度进行差值计算，获得每一个第一温度测量位置所对应的第一温升值，进而获得第一温升数据。
可选的，第一温度测量位置的选择布置，遵循越靠近发热缺陷，布置越密集的规律。而一般而言，发热缺陷为触头所在位置。进一步的，为了更好反应导体的温度分布，在选定靠近发热缺陷的第一温度测量位置时，第一温度测量位置的距离不宜大于50mm(即靠近发热缺陷的热敏传感器的距离不宜大于50mm)。热敏传感器的引线通过GIS模拟试验设备的法兰处引出，并用密封胶进行密封，防止热量因测量而流失。
优选地，所述外壳的第二温度测量位置设置有若干个第二热敏传感器，用于获取第二温度测量位置的若干个外壳温度值；
则，所述获取GIS模拟试验设备的试验数据还包括：
当所述GIS模拟试验设备处于稳定发热状态时，计算若干个所述外壳温度值的第二温度平均值；
获取所述外壳的红外测试图；
确定所述红外测试图中，与所述第二温度测量位置相对应的图片位置，并读取所述图片位置的第一红外温度值；
选取所述红外测试图中若干个温度分布位置，并读取若干个所述温度分布位置对应的第二红外温度值；并根据所述第一红外温度值和所述第二温度平均值，对若干个所述第二红外温度值进行校正；
根据所述环境温度值和每一个所述温度分布位置对应的第二红外温度值，计算每一个所述温度分布位置对应的第二温升值；
将所有所述温度分布位置以及所对应的第二温升值作为所述第二温升数据。
具体的，要获知GIS模拟试验装置的外壳的温度分布情况，需要获知外壳的不同位置下的温度，通过红外测量仪拍摄外壳获得外壳的红外测试图。考虑到红外测试仪获取的外壳温度与实际的外壳温度的有一定的误差(例如，红外测试仪的红外线的强度、与GIS设备的距离等因素造成的误差)，通过某一第二温度测量位置的第二温度平均值和第一红外温度值的差值，对所有温度分布位置的第二红外温度值进行校正。再计算环境温度值和每一个温度分布位置对应的第二红外温度值的差值，获得每一个温度分布位置对应的第二温升值，进而获得第二温升数据。
优选地，所述判断所述GIS模拟试验设备是否处于稳定发热状态具体包括：
每隔预设时间间隔，读取所述第一温度测量位置的当前上表面温度和当前下表面温度；
计算并记录所述当前上表面温度和所述当前下表面温度的当前平均值；
获取上一次计算的所述第一温度测量位置的历史上表面温度和历史下表面温度的历史平均值；
计算所述当前平均值与所述历史平均值的差值，并将所述差值与预设的差值阈值进行比较；
当所述差值不超过所述差值阈值时，则判定判断所述GIS模拟试验设备处于稳定发热状态；
当所述差值超过所述差值阈值时，则判定判断所述GIS模拟试验设备不处于稳定发热状态。
具体的，本发明通过测量获得GIS模拟试验设备的内部导体的温度变化快慢来判断GIS模拟试验设备是否处于稳定发热状态。需要说明的是，用于判断稳定发热状态的上表面温度和下表面温度，可以是各个第一温度测量位置均进行测量统计，也可以选择部分的第一温度测量位置的上表面温度和下表面温度，还可以从选择的第一温度测量位置中，符合小于差值阈值的第一温度测量位置的占比进行判断，即：可无需全部第一温度测量位置或全部选择的第一温度测量位置计算的差值均小于差值阈值。
可选的，预设时间间隔为两小时，差值阈值可为1摄氏度时，判定GIS模拟试验设备处于稳定发热状态。
优选地，请参阅图3至图4，图3是本发明提供GIS模拟试验设备的结构示意图；图4是本发明提供GIS模拟试验设备的缺陷触头的结构示意图；具体的，所述GIS模拟试验设备包括N段通过盆式绝缘子依次连接GIS母线腔体A1～A4，所述GIS母线腔体均包括所述内部导体1和所述外壳2，所述内部导体1通过触头与所述盆式绝缘子3连接；N≥2；
其中，第二段所述GIS母线腔体A2的内部导体通过盆式绝缘子与第一段所述GIS母线腔体A1的内部导体连接时，与所述盆式绝缘子3连接的第二段所述GIS母线腔体的内部导体一端的触头为用于模拟具有过热缺陷的缺陷触头4，所述缺陷触头的截面形状为“工”字形。
具体的，如图4所示，缺陷触头位于第一段GIS母线腔体和第二段GIS母线腔体之间，设置成截面“工”字形状，可以更好地模拟发热缺陷，且缺陷触头优选不锈钢材质制成。
N优选为4段。GIS母线腔体越多越能是靠后的腔体的热传导稳定，但是考虑到GIS模拟试验设备的成本和热传导情况，当N为4时最佳。
具体实施时，本发明提供的一种GIS设备温升特性仿真模型的构建方法，通过GIS模拟试验设备获得试验数据，根据试验数据对GIS设备特性参数进行修正，进而获得构建出能够提高获得的GIS设备温升情况的准确度的GIS设备温升特性仿真模型。当完成GIS设备温升特性仿真模型后，实际现场应用时，只需要拍摄GIS设备的红外测试图获知外壳实际温度分布，根据位置对应关系获知内部导体的各个区域、局部的发热源的温度大致情况，例如获知外壳的局部的温度集中部位，可获知内部导体的局部发热源，对GIS设备温升特性仿真模型的内部导体的相应的发热源的电阻进行调节，直至仿真模型的外壳温度分布与红外测试图中外壳实际温度分布相吻合，则此时GIS设备温升特性仿真模型获得的内部导体的温度分布情况即为该发热状态下实际工况下的GIS设备的内部导体的温度分布的仿真情况。技术人员便可根据仿真获得的内部导体的温度分布情况对实际工况下的GIS设备进行评估诊断、采取解决措施等。需要说明的是，前期通过试验数据对GIS设备特性参数进行修正，是为了获得能仿真实际工况GIS设备外壳、内部导体对应的温度分布的仿真模型，而后续对GIS设备温升特性仿真模型使用时，调节仿真模型的发热源的电阻是为了模拟实际工况的发热状态，获得该发热状态的仿真数据，两者的调节是不一样的。
本发明提供的一种GIS设备温升特性仿真模型的构建方法，构建出初始仿真模型后还对初始仿真模型的GIS设备仿真参数进行修正，不受实际应用中GIS设备各个材料的真实特性参数的局限，修正后获得的GIS设备温升特性仿真模型能够减少与GIS设备实际工况下的温升特性的差距，能够构建出能准确获得GIS设备内部导体的温升情况的仿真模型。且相比于现有技术的通过外壳温度逆计算获得内部导体分布的方法，能够更直接的获得准确度较高的内部导体的温度分布。
本发明实施例还提供了一种GIS设备温升特性仿真模型的构建装置，请参阅图5，图5是本发明提供的一种GIS设备温升特性仿真模型的构建装置的一个优选实施例的结构示意图；具体的，所述装置包括：
构建模块11，用于根据质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律、麦克斯韦方程组以及GIS设备特性参数，构建初始仿真模型；
获取模块12，用于获取GIS模拟试验设备的试验数据；所述试验数据包括所述GIS模拟试验设备在模拟实际工况的GIS设备存在内部过热缺陷时，所述GIS模拟试验设备的内部导体的第一温升数据和所述GIS模拟试验设备的外壳的第二温升数据；
修正模块13，用于根据所述试验数据对所述初始仿真模型的GIS设备仿真参数进行修正，获得GIS设备温升特性仿真模型；其中，所述GIS设备特性参数至少包括所述外壳的第一特性参数、所述内部导体的第二特性参数、所述GIS模拟试验设备的盆式绝缘子的第三特性参数、所述GIS模拟试验设备的触头的第四特性参数或充入所述GIS模拟试验设备的流通气体的第五特性参数中的任意一种。
优选地，所述内部导体若干个第一温度测量位置的上表面和下表面均设置有第一热敏传感器，用于获取相应的第一温度测量位置的上表面温度和下表面温度；
则，所述获取模块具体包括：
判断单元，用于判断所述GIS模拟试验设备是否处于稳定发热状态；
第一计算单元，用于当所述GIS模拟试验设备处于稳定发热状态时，对于内部导体的每一个第一温度测量位置，计算所述上表面温度和所述下表面温度的平均值，将所述平均值作为该第一温度测量位置的测量温度值；
第二计算单元，用于获取环境温度值，并根据所述环境温度值和每一个所述第一温度测量位置的测量温度值，计算获得所述内部导体的每一个所述第一温度测量位置所对应的第一温升值；并将所有所述第一温度测量位置以及所对应的第一温升值作为所述第一温升数据。
优选地，所述判断单元具体包括：
读取子单元，用于每隔预设时间间隔，读取所述第一温度测量位置的当前上表面温度和当前下表面温度；
第一计算子单元，用于计算并记录所述当前上表面温度和所述当前下表面温度的当前平均值；
获取子单元，用于获取上一次计算的所述第一温度测量位置的历史上表面温度和历史下表面温度的历史平均值；
第二计算子单元，用于计算所述当前平均值与所述历史平均值的差值，并将所述差值与预设的差值阈值进行比较；
第一判定子单元，用于当所述差值不超过所述差值阈值时，则判定判断所述GIS模拟试验设备处于稳定发热状态；
第二判定子单元，用于当所述差值超过所述差值阈值时，则判定判断所述GIS模拟试验设备不处于稳定发热状态。
优选地，所述外壳的第二温度测量位置设置有若干个第二热敏传感器，用于获取第二温度测量位置的若干个外壳温度值；
则，所述获取模块还包括：
第三计算单元，用于当所述GIS模拟试验设备处于稳定发热状态时，计算若干个所述外壳温度值的第二温度平均值；
获取单元，用于获取所述外壳的红外测试图；
确定单元，用于确定所述红外测试图中，与所述第二温度测量位置相对应的图片位置，并读取所述图片位置的第一红外温度值；
选取单元，用于选取所述红外测试图中若干个温度分布位置，并读取若干个所述温度分布位置对应的第二红外温度值；并根据所述第一红外温度值和所述第二温度平均值，对若干个所述第二红外温度值进行校正；
第四计算单元，用于根据所述环境温度值和每一个所述温度分布位置对应的第二红外温度值，计算每一个所述温度分布位置对应的第二温升值；并将所有所述温度分布位置以及所对应的第二温升值作为所述第二温升数据。
需要说明的是，本发明提供的GIS设备温升特性仿真模型的构建装置用于执行上述实施例所述的一种GIS设备温升特性仿真模型的构建方法的步骤，两者的工作原理和有益效果一一对应，因而不再赘述。
需要说明的是，本发明提供的所述GIS设备温升特性仿真模型的构建装置中的GIS模拟试验装置，其可包括但不限于如上述实施例提供的GIS设备温升特性仿真模型的构建方法中所涉及的GIS模拟试验装置的相应结构内容。
需要说明的是，本发明提供的所述GIS设备温升特性仿真模型的构建装置中的GIS设备特性参数以及第一特性参数～第五特性参数，其可包括但不限于如上述实施例提供的GIS设备温升特性仿真模型的构建方法中所涉及的相应内容。
本领域技术人员可以理解，所述GIS设备温升特性仿真模型的构建装置的示意图仅仅是GIS设备温升特性仿真模型的构建装置的示例，并不构成对GIS设备温升特性仿真模型的构建装置的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如所述GIS设备温升特性仿真模型的构建装置，还可以包括输入输出设备、网络接入设备、总线等。
为了说明本发明提供的GIS设备温升特性仿真模型的构建方法所构建的GIS设备温升特性仿真模型正确性，下面结合本发明的发明人在研发过程中的具体应用例子进行说明：
构建出初始仿真模型后，提供利用2000A电流进行的模拟试验获取相应的试验数据，并在初始仿真模型以相同的2000A电流进行仿真，请参阅图6(a)和图6(b)，图6(a)是电流为2000A时GIS模拟试验设备和本发明的初始仿真模型的获得的内部导体的温度分布的对比图；图6(b)是电流为2000A时GIS模拟试验设备和本发明的初始仿真模型的获得的外壳的温度分布的对比图。可以看出，初始仿真模型和GIS模拟试验设备的内部导体、外壳的温度分布还有较大的差距，还需要对初始仿真模型进行修正。
进一步的，根据图中的试验数据和仿真数据对初始仿真模型的GIS设备特性参数进行如下修正：
表1 GIS设备特性参数表
需要说明的是，上表1中SF6气体的“质量密度”、“比热容”、“热导率”和“粘度”记载的“动态参数”是指SF6气体的相应参数的数值随着温度变化而变化调整，SF6气体的“质量密度”、“比热容”、“热导率”和“粘滞系数”与温度的关系曲线分别如图7(a)至图7(d)所示。
按照修正获得的GIS设备温升特性仿真模型对实际工况下的电流分别为1000A和1500A进行仿真，并测量实际数据进行验证。
请参阅图8(a)至图9(b)，图8(a)和图8(b)分别是电流为1000A时GIS模拟试验设备和本发明的GIS设备温升特性仿真模型的获得的内部导体、外壳的温度分布的对比图；图9(a)和图9(b)分别是电流为1500A时GIS模拟试验设备和本发明的GIS设备温升特性仿真模型的获得的内部导体、外壳的温度分布的对比图。
由图8(a)至图9(b)可以看出，本发明修正后获得的GIS设备温升特性仿真模型与GIS模拟试验设备的差距减少，且基本吻合GIS模拟试验设备的温度分布，验证说明了本发明的构建方法构建出的GIS设备温升特性仿真模型的正确性。
需要说明的是，图6(a)、图6(b)、图8(a)至图9(b)中，三角形标识的数据为从GIS模拟试验设备中获得的数据，实线标识的数据为本发明GIS设备温升特性仿真模型的仿真数据。图中的坐标系中，均以缺陷触头为坐标原点，横坐标表示与缺陷触头的距离(单位为mm)，纵坐标标识华氏温度(单位为K)。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种GIS设备温升特性仿真模型的构建方法，其特征在于，所述方法包括：
根据质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律、麦克斯韦方程组以及GIS设备特性参数，构建初始仿真模型；
获取GIS模拟试验设备的试验数据；所述试验数据包括所述GIS模拟试验设备在模拟实际工况的GIS设备存在内部过热缺陷时，所述GIS模拟试验设备的内部导体的第一温升数据和所述GIS模拟试验设备的外壳的第二温升数据；
根据所述试验数据对所述初始仿真模型的GIS设备仿真参数进行修正，获得GIS设备温升特性仿真模型；其中，所述GIS设备特性参数至少包括所述外壳的第一特性参数、所述内部导体的第二特性参数、所述GIS模拟试验设备的盆式绝缘子的第三特性参数、所述GIS模拟试验设备的触头的第四特性参数或充入所述GIS模拟试验设备的流通气体的第五特性参数中的任意一种；
其中，所述内部导体若干个第一温度测量位置的上表面和下表面均设置有第一热敏传感器，用于获取相应的第一温度测量位置的上表面温度和下表面温度；
则，所述获取GIS模拟试验设备的试验数据具体包括：
判断所述GIS模拟试验设备是否处于稳定发热状态；
当所述GIS模拟试验设备处于稳定发热状态时，对于内部导体的每一个第一温度测量位置，计算所述上表面温度和所述下表面温度的平均值，将所述平均值作为该第一温度测量位置的测量温度值；
获取环境温度值，并根据所述环境温度值和每一个所述第一温度测量位置的测量温度值，计算获得所述内部导体的每一个所述第一温度测量位置所对应的第一温升值；
将所有所述第一温度测量位置以及所对应的第一温升值作为所述第一温升数据。
2.如权利要求1所述的GIS设备温升特性仿真模型的构建方法，其特征在于，所述第一特性参数包括所述外壳的质量密度、比热容、热导率、电导率、相对磁导率和金属发射率中的任意一种或任意组合；
所述第二特性参数包括所述内部导体的质量密度、比热容、热导率、电导率、相对磁导率和金属发射率中的任意一种或任意组合。
3.如权利要求1所述的GIS设备温升特性仿真模型的构建方法，其特征在于，所述第三特性参数包括所述盆式绝缘子的质量密度和/或比热容。
4.如权利要求1所述的GIS设备温升特性仿真模型的构建方法，其特征在于，所述第四特性参数包括所述触头的质量密度、比热容、热导率、电导率和相对磁导率中的任意一种或任意组合。
5.如权利要求1所述的GIS设备温升特性仿真模型的构建方法，其特征在于，所述第五特性参数包括所述流通气体的质量密度、比热容、热导率、粘度、相对压力和摩尔质量中的任意一种或任意组合。
6.如权利要求1所述的GIS设备温升特性仿真模型的构建方法，其特征在于，所述外壳的第二温度测量位置设置有若干个第二热敏传感器，用于获取第二温度测量位置的若干个外壳温度值；
则，所述获取GIS模拟试验设备的试验数据还包括：
当所述GIS模拟试验设备处于稳定发热状态时，计算若干个所述外壳温度值的第二温度平均值；
获取所述外壳的红外测试图；
确定所述红外测试图中，与所述第二温度测量位置相对应的图片位置，并读取所述图片位置的第一红外温度值；
选取所述红外测试图中若干个温度分布位置，并读取若干个所述温度分布位置对应的第二红外温度值；并根据所述第一红外温度值和所述第二温度平均值，对若干个所述第二红外温度值进行校正；
根据所述环境温度值和每一个所述温度分布位置对应的第二红外温度值，计算每一个所述温度分布位置对应的第二温升值；
将所有所述温度分布位置以及所对应的第二温升值作为所述第二温升数据。
7.如权利要求1所述的GIS设备温升特性仿真模型的构建方法，其特征在于，所述判断所述GIS模拟试验设备是否处于稳定发热状态具体包括：
每隔预设时间间隔，读取所述第一温度测量位置的当前上表面温度和当前下表面温度；
计算并记录所述当前上表面温度和所述当前下表面温度的当前平均值；
获取上一次计算的所述第一温度测量位置的历史上表面温度和历史下表面温度的历史平均值；
计算所述当前平均值与所述历史平均值的差值，并将所述差值与预设的差值阈值进行比较；
当所述差值不超过所述差值阈值时，则判定判断所述GIS模拟试验设备处于稳定发热状态；
当所述差值超过所述差值阈值时，则判定判断所述GIS模拟试验设备不处于稳定发热状态。
8.如权利要求6所述的GIS设备温升特性仿真模型的构建方法，其特征在于，所述GIS模拟试验设备包括N段通过盆式绝缘子依次连接GIS母线腔体，所述GIS母线腔体均包括所述内部导体和所述外壳，所述内部导体通过触头与所述盆式绝缘子连接；N≥2；
其中，第二段所述GIS母线腔体的内部导体通过盆式绝缘子与第一段所述GIS母线腔体的内部导体连接时，与所述盆式绝缘子连接的第二段所述GIS母线腔体的内部导体一端的触头为用于模拟具有过热缺陷的缺陷触头，所述缺陷触头的截面形状为“工”字形。
9.一种GIS设备温升特性仿真模型的构建装置，其特征在于，所述装置包括：
构建模块，用于根据质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律、麦克斯韦方程组以及GIS设备特性参数，构建初始仿真模型；
获取模块，用于获取GIS模拟试验设备的试验数据；所述试验数据包括所述GIS模拟试验设备在模拟实际工况的GIS设备存在内部过热缺陷时，所述GIS模拟试验设备的内部导体的第一温升数据和所述GIS模拟试验设备的外壳的第二温升数据；
修正模块，用于根据所述试验数据对所述初始仿真模型的GIS设备仿真参数进行修正，获得GIS设备温升特性仿真模型；其中，所述GIS设备特性参数至少包括所述外壳的第一特性参数、所述内部导体的第二特性参数、所述GIS模拟试验设备的盆式绝缘子的第三特性参数、所述GIS模拟试验设备的触头的第四特性参数或充入所述GIS模拟试验设备的流通气体的第五特性参数中的任意一种；
其中，所述内部导体若干个第一温度测量位置的上表面和下表面均设置有第一热敏传感器，用于获取相应的第一温度测量位置的上表面温度和下表面温度；
则，所述获取模块具体包括：
判断单元，用于判断所述GIS模拟试验设备是否处于稳定发热状态；
第一计算单元，用于当所述GIS模拟试验设备处于稳定发热状态时，对于内部导体的每一个第一温度测量位置，计算所述上表面温度和所述下表面温度的平均值，将所述平均值作为该第一温度测量位置的测量温度值；
第二计算单元，用于获取环境温度值，并根据所述环境温度值和每一个所述第一温度测量位置的测量温度值，计算获得所述内部导体的每一个所述第一温度测量位置所对应的第一温升值；并将所有所述第一温度测量位置以及所对应的第一温升值作为所述第一温升数据。
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