一种针对预绞丝端口放电现象的电弧温度场计算方法与流程

本发明涉及架空地线断线研究技术领域，具体涉及一种针对预绞丝端口放电现象的电弧温度场计算方法。

背景技术：

位于悬垂线夹处的地线通常缠绕预绞丝以增强地线机械性能。实验表明，当输电线路发生接地故障时，工频短路电流流经预绞丝端口，将使预绞丝端口空气间隙击穿并发生放电现象，放电过程中电弧高温将会使地线机械强度下降、融化甚至断线。一旦发生地线的断线事故，输电线路可能因地线下落误碰而造成接地故障，地线维修工作也需要耗费大量的人力与物力。

因此，为了保障预绞丝端口处地线的可靠性，有必要对工频短路电流作用下，预绞丝端口放电过程的电弧温度场进行计算分析。计算预绞丝端口放电时的电弧温度场，需要同时考虑电流流经导体产生的焦耳热与电弧的电弧热源传热。目前，工频短路电流作用下的预绞丝端口温度场计算方法仅计算焦耳热，没有考虑电弧热源。因此，有必要发明一种针对预绞丝端口放电现象的电弧温度场计算方法。

本发明首先计算预绞丝端口接触点电流，计算预绞丝端口电场强度e。判断放电位置，在放电位置添加电弧热源。计算结果显示，放电一般发生在接触点附近的空气间隙。因此，将接触点电流设为热源电流。施加电弧热源后，电弧热源的高温会改变架空地线材料的电导率，使加电弧热源前后电流密度分布差异较大，使接触点电流前后存在差异，进而导致电弧热源不准确。因此，需要对电弧热源进行调整。将热源电流更新为新的接触点电流，进行迭代计算，重复迭代直至施加电弧热源前后接触点电流的差值控制在事先指定比较阈值σ0内，确定电弧热源大小，输出此电弧热源下的预绞丝端口电弧温度场。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有技术中预绞丝端口温度计算中缺乏电弧热源的缺点和不足，提供一种针对预绞丝端口放电现象的电弧温度场计算方法。本发明计算预绞丝端口电场强度e，判定预绞丝端口的放电位置；将接触点电流设为热源电流，根据放电位置施加电弧热源；为确定电弧热源，将加电弧热源前后的流经接触点的电流大小进行差值计算；若差值小于等于事先指定比较阈值σ0，则确定电弧热源大小，输出此时的预绞丝端口电弧温度分布结果；若误差大于事先指定比较阈值σ0，则循环迭代降低差值，直至满足条件。最终确定电弧热源大小，输出预绞丝端口温度场计算结果。解决了预绞丝端口放电条件下电弧温度计算的难题，计算结果精度较高。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种针对预绞丝端口放电现象的电弧温度场计算方法，所述的计算方法包括以下步骤：

s1、构建预绞丝端口三维几何模型，构建预绞丝端口电磁-热仿真模型，输入工频短路电流，采用软件comsolmultiphysics有限元仿真的电磁场与温度场模块计算预绞丝端口空气间隙的电场强度e，计算接触点电流ikⁱ，i＝1，2……n，i代表第i次迭代，n为总迭代次数；

s2、根据预绞丝端口空气间隙的电场强度e分布情况，判定预绞丝端口的放电位置；

s3、在判定的放电位置采用热源公式施加电弧热源，热源电流iq设为接触点电流ikⁱ，重新计算预绞丝端口电磁-热仿真模型，得到施加电弧热源后接触点电流大小ikⁱ⁺¹；

s4、计算流经接触点的电流大小ikⁱ与ikⁱ⁺¹的差值，判定其差值是否小于事先指定比较阈值σ0，若差值小于等于事先指定比较阈值σ0，则确定电弧热源大小，输出此时预绞丝端口的温度场计算结果，若差值大于事先指定比较阈值σ0，返回步骤s3进行迭代计算直至差值小于事先指定比较阈值σ0。

进一步地，所述的步骤s1过程如下：

构建预绞丝端口三维几何模型，模型中间为地线，外部螺旋缠绕预绞丝，地线共k股，k≥7，其中中心股为圆柱，其它股螺旋缠绕中心股，股线半径均为1.5mm，螺旋的螺距为80mm；预绞丝共l股，l≥12，股线半径为1.5mm,螺旋的螺距为130mm。

构建预绞丝端口电磁-热仿真模型，对建立的预绞丝端口几何模型，输入工频短路电流，运用有限元仿真的电磁场模块与温度场模块进行计算，计算预绞丝端口空气间隙的电场强度e，计算流经接触点的接触点电流大小ikⁱ，第一次迭代时i＝1。

进一步地，所述的步骤s2中，根据预绞丝端口的电场强度分布情况，判断放电位置，将电场强度最大值emax与空气击穿临界电场强度eb相比较，若emax>eb，则判定该接触点附近空气间隙为放电位置。

进一步地，所述的步骤s3中，在判定的放电位置添加电弧热源，选中地线表面作为边界热源，电弧热源中心点为接触点中心位置，电弧热源qr满足下式：

公式中r表示电弧热源计算位置的坐标，rb为电弧热源总加热半径，电弧电压u取典型值30v，通过实验或通过经验值查表获得，控制热源大小的变量为热源电流iq；

将热源电流iq设为接触点电流ikⁱ，即令iq＝ikⁱ，热源qr满足下式：

施加热源后，重新计算构建预绞丝端口电磁-热仿真模型，得到施加电弧热源后流经接触点的电流大小ikⁱ⁺¹。

进一步地，所述的步骤s4中，将接触点电流大小ikⁱ与ikⁱ⁺¹进行差值计算，得到差值σ：

判断差值σ是否在事先指定比较阈值σ0范围内，若：

σ≤σ0

则确定电弧热源大小，输出此电弧热源下预绞丝端口电弧温度场计算结果。

进一步地，所述的事先指定比较阈值σ0取值为4％～5％。

进一步地，所述的步骤s4中，若不满足，令i＝i+1,用新的接触点电流ikⁱ⁺¹替代原来的接触点电流ikⁱ，成为新的热源电流iq，返回步骤s3进行下一步迭代，循环迭代逐渐降低差值σ，直至σ≤σ0，输出此电弧热源下的预绞丝端口电弧温度场。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

1、目前对于工频短路电流作用下，预绞丝端口温度场的计算没有考虑电弧热源的作用。本发明通过计算电场强度e确定放电位置，并在放电位置添加电弧热源；

2、施加电弧热源后，电弧热源的高温会改变架空地线材料的电导率，使接触点电流前后存在差异，进而将导致初始电弧热源不准确。本发明通过循环迭代逐步降低施加电弧热源前后接触点电流的差值，最终确定电弧热源大小，获得焦耳热与电弧热共同作用下的电弧温度场分布。

附图说明

图1是本发明公开的一种针对预绞丝端口放电现象的电弧温度场计算方法的计算流程图；

图2是预绞丝端口的模型图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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做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。

实施例

本实施例公开了一种针对预绞丝端口放电现象的电弧温度场计算方法。目前，工频短路电流作用下预绞丝端口温度场计算方法没有考虑电弧热源的作用，尚未发明一种针对预绞丝端口放电现象的电弧温度场计算方法。

本实施例构建预绞丝端口电磁-热仿真模型，计算预绞丝端口电场强度e，确定放电位置；在仿真模型中根据有效加热半径划分区域，添加电弧热源；初次计算，将电弧热源的热源电流设定为接触点电流；调整电弧热源，将加电弧热源前后的流经接触点的电流大小进行差值计算；若差值小于等于事先指定比较阈值σ0，则确定电弧热源大小，输出此时的预绞丝端口电弧温度分布结果；若误差大于事先指定比较阈值σ0，则循环迭代降低差值，直至满足条件；通过循环迭代逐步降低施加电弧热源前后接触点电流的差值，最终确定电弧热源大小，获得预绞丝端口在焦耳热与电弧热共同作用下的电弧温度场分布。

具体步骤如下：

s1、建立预绞丝端口几何模型，模型中间为地线，外部螺旋缠绕预绞丝。地线共k股，k≥7，其中中心股为圆柱，其它股螺旋缠绕中心股，股线半径均为1.5mm，螺旋的螺距为80mm。预绞丝共l股，l≥12，股线半径为1.5mm,螺旋的螺距为130mm。构建预绞丝端口电磁-热仿真模型，对建立的预绞丝端口几何模型，输入工频短路电流，运用有限元仿真的电磁场模块与温度场模块进行计算，计算预绞丝端口空气间隙的电场强度e，计算流经接触点的接触点电流大小ikⁱ，i＝1，2……n，i代表第i次迭代，n为总迭代次数，此时为第一次迭代，即i＝1。

s2、根据预绞丝端口的电场强度分布情况，判断放电位置。将电场强度最大值emax与空气击穿临界电场强度eb相比较，若emax>eb，则判定该接触点附近空气间隙为放电位置。

s3、在判定的放电位置添加电弧热源，选中地线表面作为边界热源，电弧热源中心点为接触点中心位置。电弧热源qr满足下式：

公式中r表示电弧热源计算位置的坐标，rb为电弧热源总加热半径，电弧电压u取典型值30v，通过实验或通过经验值查表获得，控制热源大小的变量为热源电流iq。

将热源电流iq设为接触点电流ikⁱ，即命iq＝ikⁱ。热源qr满足下式：

施加热源后，重新计算得到施加电弧热源后接触点电流大小ikⁱ⁺¹，i＝1，2……n，i代表第i次迭代，n为总迭代次数。

s4、将接触点电流大小ikⁱ与ikⁱ⁺¹进行差值计算，得到差值σ：

事先指定比较阈值σ0为设定为5％，判断差值σ是否在事先指定比较阈值σ0范围内，若：

σ≤σ0

则确定电弧热源大小，输出此电弧热源下预绞丝端口电弧温度场计算结果。

若不满足，令i＝i+1,用新的接触点电流ikⁱ⁺¹替代原来的接触点电流ikⁱ，成为新的热源电流iq。返回步骤s3进行下一步迭代循环迭代逐渐降差值σ，直至σ≤σ0，输出此电弧热源下的预绞丝端口电弧温度场。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。