一种GIS隔离开关热点温度感知的外壳温度监测点选取方法

一种gis隔离开关热点温度感知的外壳温度监测点选取方法
技术领域
1.本发明属于gis隔离开关状态监测领域，尤其涉及一种gis隔离开关热点温度感知的外壳温度监测点选取方法。


背景技术：

2.气体绝缘金属封闭开关设备(gas insulated switchgear,gis)以其占地面积小、稳定可靠、对外界干扰小、安全等优点，被广泛地运用在电力系统中。但其密封严密、结构紧凑的特点，使得gis内部导体发热严重，引发短路等重大的电网事故。其中，gis隔离开关内部触头的接触不良是导致gis设备发生的主要原因之一。因此，实现对gis隔离开关的热点温度的监测，有利于及时了解设备的运行状态，保障gis设备的可靠性，对电力系统的稳定运行十分重要。目前，对于gis隔离的温度监测主要采用外部的红外测温法和内部的光纤光栅测温法，但红外测温法的测量精度的影响因素较多，比如天气、红外探头的植入都会对gis设备产生影响；光纤光栅法是植入式的测量，可以直接得到电力设备内部的温度，但会破坏设备内部的绝缘配合，没有被大量投入生产使用。为此，目前对于gis隔离开关的温度监测多采用基于电磁-流体-温度场多场耦合的仿真方法来分析gis隔离开关的温度特征，选取外壳温度监测点等因素，来实现对内部热点温度的感知。结合目前的研究和工程实际，对于gis外壳温度监测点的选取没有可靠的理论支撑，基本上是根据工程经验进行选取。因此，为gis隔离开关热点温度感知的外壳温度监测点选取提供一种理论参考具有十分重要的意义。本专利设计了一种基于流体流线的外壳温度监测点选取方法，gis隔离开关内部热点温度感知提供了温度监测点选取的新思路。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种gis隔离开关热点温度感知的外壳温度监测点选取方法，该方法具有可靠的理论支撑，用于gis隔离开关内部温度感知的精度高，能够非常方便地运用在实际工程中。
4.本发明的外壳温度监测点选取方法是在多物理场耦合计算的基础上，根据gis隔离开关内部sf6流体的流线来作为依据进行选取的，而流线是sf6在同一时刻不同点的流速大小和方向所组成的一条曲线，曲线上每一点的切线方向即为该点所对应的质点的速度方向，而迹线指的是流体的一个质点在不同时刻下具有不同的速度和位置，这些组合成的曲线即为迹线。在对温度场进行稳态热分析，可认为流线和迹线重合，因此提取出的流线反映的是导体所产生的热量随着流体上每一个质点的流动而传递，故而可以根据sf6流体的流线选取外壳具有固定的规律的点作为温度监测点。
5.该发明需要结合多物理场耦合仿真来开展，具体步骤如下：
6.一种gis隔离开关内部热点温度感知的外壳监测点选取方法，其特征在于，包括：
7.s1、生成流线,具体是对gis隔离开关建立三维模型并进行网格剖分，设置边界条件后进行电磁耦合场计算，计算得到各部分的损耗值，将各部分的损耗值作为热源导入到
流体-温度场中进行计算，得到gis隔离开关各部分的温度分布，基于得到的gis隔离开关各部分的温度分布，从sf6流体域中提取出流体的流线，完成流线的生成；
8.s2、热点特征流线的提取，在sf6流体中所生成的流线有很多，需要从中提取出所需的特征流线，本发明的最终目的是通过外壳温度监测点感知内部的热点，结合流线本身的性质，特征流线需要具备热点温度特征，故提取出的特征流线需要经过热点或其附近，如此，该流线反映的是热点的热量传递路径。由于热点位置一般都在导体触头位置，流线只在流体域存在，所以应选择流线经过热点位置最近的流体域部分，以此提取出一条特征流线；
9.s3、基于流线的外壳温度监测点选取，首先根据整体流线分布，选择触头正上方位置为一个温度监测点，其次，通过热点特征流线，选择流线上温度最高点和最低点，根据这两点选择其里外壳最近的外壳位置作为温度监测点。
10.在上述的一种gis隔离开关内部热点温度感知的外壳监测点选取方法，s1进一步可分为：
11.s11、仿真模型建立，忽略螺丝、嵌件、屏蔽罩、支撑件，建立三维模型，在有限元分析软件中对模型中各部件材料属性进行设置；
12.s12、对模型进行网格剖分，采用局部尺寸控制的方法:
13.对于触头、sf6流体域采用自下向上的方式控制线单元尺寸为0.01，获得其较密的网格剖分情况；
14.对于外壳、绝缘盘也采用自下向上的方式，只是将线单元尺寸设为0.02(这里没有强制要求，只要保证触头和流体部分网格比其余部分密即可)，获得其较密的网格剖分情况，使得整体网格数量不会太多，又能保证计算结果的准确性；
15.s13、进行电磁场损耗计算，设置相应的边界条件，加载电流，从计算结果中提取出各部分的损耗：
16.s14、将损耗作为热源导入温度流体场中，采用有限体积法进行gis隔离开关温度流体场仿真计算，得到gis隔离开关温度场分布并提取出流体流线：采用有限体积法对gis隔离开关温度流体场进行仿真计算，温度流体场控制方程可通过以下三式表示，分别是质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程：
17.质量守恒方程：
[0018][0019]
动量守恒方程：
[0020][0021]
能量守恒方程：
[0022][0023]
式中，ρ为密度；u、v、w分别是速度在x、y、z三个方向上的分量；p为压力，；τ为黏性
应力τ在各个方向的分量；f
x
、fy、fz为作用在物体局部上的力分量，f
x
＝0、fy＝-9.8ρ、fz＝0；t是温度；c
p
是比定压热容。
[0024]
得到gis隔离开关温度场计算结果后，通过选择steamline，选择域为sf6流体域，即可得到流线分布云图；
[0025]
在上述的一种gis隔离开关内部热点温度感知的外壳监测点选取方法，s13中，计算的具体步骤包括：
[0026]
i.三维涡流场的边界条件如下：
[0027]
(1)在三相导体的电流注入面，每个端面耦合所有节点的电压自由度，并在该端面加载三相电流；
[0028]
(2)在三相导体另外一面，将每个端面的所有节点的电压进行耦合，同时施加零电位约束；
[0029]
(3)本文外壳接地线，在外壳两端面设置零电位约束；
[0030]
ii.对于gis隔离开关各部分的平均损耗的计算，如下：
[0031][0032]
式中，q为gis隔离开关各部分的平均损耗；e为网格划分的单元总数；δvi为网格划分的某个单元i的体积；ρe为每一个单元的电阻率；je和分别为每一个单元对应的电流密度的复共轭矢量。
[0033]
在上述的一种gis隔离开关内部热点温度感知的外壳监测点选取方法，s2进一步可分为：
[0034]
在有限元软件中，选择定义点功能，在功能设置中选择最高温度特征定义点，在流体域中寻找温度最高的位置定义为该点，从仿真结果和理论分析来看，该点必然位于热点附近，在有限元软件中，选择steamline功能，进行流线提取时，在选项设置中选择的域为sf6流体域，选择流线的出发点为上述定义的最高温度点，进而提取出热点温度的特征流线。
[0035]
在上述的一种gis隔离开关内部热点温度感知的外壳监测点选取方法，根据多物理场仿真计算结果，提取出流线，根据流线能够反映热点热量传递途径的规律，首先根据整体流线分布，选择触头正上方位置为一个温度监测点，其次，通过热点特征流线，选择流线上温度最高点和最低点，根据这两点选择其里外壳最近的外壳位置作为温度监测点。
[0036]
和现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：
[0037]
(1)本发明为外壳温度监测点的选取提供了可靠的依据，使得监测点的选取可以从热点热量传递的角度去解释，让选点更为可靠，更有参考意义；
[0038]
(2)以此方法选点，使得gis隔离开关温度规律更为直观，规避了实验，节省了大量的时间，效率高，且切实可行；
[0039]
(3)通过选取的外壳温度监测点能够有效地对内部的热点进行预测和感知，效果显著。
附图说明
[0040]
图1是本发明实施方法的基本流程示意图。
[0041]
图2a是本发明实施方法的对象的gis隔离开关三维有限元计算模型侧视图。
[0042]
图2b是本发明实施方法的对象的gis隔离开关三维有限元计算模型左视图。
[0043]
图2c是本发明实施方法的对象的gis隔离开关三维有限元计算模型右视图。
[0044]
图2d是本发明实施方法的对象的gis隔离开关三维有限元计算模型上视图。
[0045]
图3是本发明实施方法的对象的gis隔离开关三维半剖模型。
[0046]
图4是本发明实施方法的对象的gis隔离开关三维导体模型。
[0047]
图5是本发明实施方法的对象的gis隔离开关网格剖分示意图。
[0048]
图6是本发明实施方法的对象的gis隔离开关sf6流体域流线分布图。
[0049]
图7是本发明实施方法的对象的gis隔离开关基于特征流线的外壳选点示意图。
具体实施方式
[0050]
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。
[0051]
图1所示为gis隔离开关热点温度感知的外壳监测点选取方法的具体流程，具体步骤如下：
[0052]
步骤1：结合所研究的gis隔离开关，建立gis隔离开关的三维模型，在分析软件中对模型中各部件材料属性进行设置：根据实际设计图纸信息确定gis隔离开关的外壳、母线、触头、绝缘盘等结构的尺寸参数，进而建立包含gis隔离开关触头、外壳、母线和绝缘盘等结构的三维仿真分析模型，根据各部分结构实际材料参数对模型各部件材料属性进行设置。具体包括：
[0053]
s11、仿真模型建立，忽略螺丝、嵌件、屏蔽罩、支撑件，建立三维模型，在有限元分析软件中对模型中各部件材料属性进行设置；
[0054]
s12、对模型进行网格剖分，采用局部尺寸控制的方法:
[0055]
对于触头、sf6流体域采用自下向上的方式控制线单元尺寸为0.01，获得其较密的网格剖分情况；
[0056]
对于外壳、绝缘盘也采用自下向上的方式，只是将线单元尺寸设为0.02(这里没有强制要求，只要保证触头和流体部分网格比其余部分密即可)，获得其较密的网格剖分情况，使得整体网格数量不会太多，又能保证计算结果的准确性；
[0057]
s13、进行电磁场损耗计算，设置相应的边界条件，加载电流，从计算结果中提取出各部分的损耗：
[0058]
s14、将损耗作为热源导入温度流体场中，采用有限体积法进行gis隔离开关温度流体场仿真计算，得到gis隔离开关温度场分布并提取出流体流线：采用有限体积法对gis隔离开关温度流体场进行仿真计算，温度流体场控制方程可通过以下三式表示，分别是质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程：
[0059]
质量守恒方程：
[0060][0061]
动量守恒方程：
[0062][0063]
能量守恒方程：
[0064][0065]
式中，ρ为密度；u、v、w分别是速度在x、y、z三个方向上的分量；p为压力，；τ为黏性应力τ在各个方向的分量；f
x
、fy、fz为作用在物体局部上的力分量，f
x
＝0、fy＝-9.8ρ、fz＝0；t是温度；c
p
是比定压热容。
[0066]
得到gis隔离开关温度场计算结果后，通过选择steamline，选择域为sf6流体域，即可得到流线分布云图；
[0067]
步骤2：采用局部尺寸控制的方法对模型进行剖分。
[0068]
本步骤进一步包括：对于主要部位，比如触头、sf6流体部分网格剖分较密，对于对结果影响不大的部位如绝缘盘可将网格剖分较粗，同时在进行电磁场计算时，需要对整个模型外面加一个空气包，便于电磁场的边界条件施加，对于空气包的网格尺寸也可剖分得较粗。
[0069]
步骤3：进行电磁场损耗计算。
[0070]
本步骤进一步包括：对gis隔离开关施加边界条件，如对空气包外围施加远场边界，对于导体要进行电压耦合，并设置一个端面电压为0，对外壳设置零电位约束，对绝缘盘设置对称边界；开展时谐场计算，从计算结果中分别选取gis隔离开关各部分的损耗值。
[0071]
步骤4：进行流体-温度场计算。
[0072]
本步骤进一步包括：对gis隔离开关不同的部位设置不同的求解域，将损耗作为热源加载在各个域的子域中，设置边界条件，外壳外表面的对流换热系数通过经验公式求取，施加在外壳上，设置流固交界面边界，设置固固交界面边界，对绝缘盘设置绝热边界，采用有限体积法进行gis隔离开关温度流体场稳态仿真计算，得到gis隔离开关温度场分布。
[0073]
步骤5：提取流线。
[0074]
本步骤进一步包括：从温度场计算结果中进行steamline操作，选择sf6流体域，提取出其整体的流线分布图，在通过对热点最近的流体域选择创建一块很小的新的流体域，性质与原来的流体域完全一样，进行流线提取时，选择流线通过新创建的流体域，提取出热点温度的特征流线。
[0075]
步骤6：选择外壳温度监测点。
[0076]
本步骤进一步包括：基于流线的外壳温度监测点选取，首先结合sf6流体域所有的流线分布规律可知，每条流线从触头位置往上流动，流到触头位置正上方的外壳内壁时统一往两侧流动，这使得大部分热流都通过触头正上方的外壳内壁，该位置所对应的gis隔离
开关外壁属于gis隔离开关本身的一个外壳温度敏感点，故选择此点作为一个温度监测点，随后从提取出的特征流线中，选择该流线上的温度最高点和最低点，然后选择这两点最近的外壳外侧位置作为温度监测点，以此选择了外壳三个温度特征点作为温度监测点，即可保证在使用较少的温度传感器的情况下，对gis隔离开关内部热点温度进行有效监测。
[0077]
上述实施例所述是用以具体说明本专利，文中虽通过特定的术语进行说明，但不能以此限定本专利的保护范围，熟悉此技术领域的人士可在了解本专利的精神与原则后对其进行变更或修改而达到等效目的，而此等效变更和修改，皆应涵盖于权利要求范围所界定范畴内。