CN102788812B - 一种高压开关柜内母排复合换热表面传热系数的测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种高压开关柜内母排复合换热表面传热系数的测量系统，包括：母排实验电路装置、热电偶式测温仪、流量测量装置和传热系数计算装置；所述热电偶式测温仪包括：用于测量所述母排实验电路装置的母排的发热表面温度和环境温度的多个热电偶探头；所述流量测量装置包括：输入功率调节模块、电压测量模块、电流测量模块、温度测量模块；所述传热系数计算装置，用于根据所述流量测量装置测量得到的输入电压、输入电流、发热表面的温度、环境温度，再结合所述母排的散热面积，计算所述母排的复合换热表面的传热系数。本发明既可用于实际开关柜进行试验，也可用于母排结构布置试验，操作简单易行，测量数据准确，所测参数对开关柜传热计算、散热设计等具有重要意义。
Description
技术领域
本发明涉及一种电力技术领域，尤其涉及一种高压开关柜内母排复合换热表面传热系数的测量系统。
背景技术
高压开关柜母排的复合换热表面传热系数是表征母排散热强度的重要参数。
社会经济的快速发展引起用电量逐年增大，变电站内的开关柜负荷也越来越大，开关柜的热事故频繁发生使得开关柜热场计算和散热设计变得尤为重要。准确了解该高压开关柜母排的复合换热表面传热系数对柜内热场计算和散热设计具有重要指导意义，目前国内外对该系数的值或经验公式尚缺乏研究。
发明内容
本发明为解决现有技术中存在的技术问题，提出了高压开关柜内的母排复合换热表面传热系数的测量系统，可以得到封闭柜体内各种安装形式的母排复合换热表面传热系数的值，本发明提供的测量方法简便准确，利于电力系统、开关柜厂家进行开关柜热场分析和散热设计优化。
本发明提供的一种高压开关柜内母排复合换热表面传热系数的测量系统，包括：
母排实验电路装置、热电偶式测温仪、流量测量装置和传热系数计算装置；
所述热电偶式测温仪包括：用于测量所述母排实验电路装置的母排的发热表面温度和环境温度的多个热电偶探头；
所述流量测量装置包括：输入功率调节模块、电压测量模块、电流测量模块、温度测量模块；
所述输入功率调节模块用于调节所述母排的输入功率，使所述母排发热表面温度上升并保持稳定；
所述电压测量模块，用于在所述输入功率调节模块每次调节完所述母排的输入功率且所述母排发热表面温度保持稳定后，测量并记录所述母排的输入电压；
所述电流测量模块，用于在所述输入功率调节模块每次调节完所述母排的输入功率且所述母排的发热表面温度保持稳定后，测量并记录所述母排的输入电流；
所述温度测量模块，用于测量并记录不同输入电压、输入电流下，所述多个热电偶探头测量到的所述母排的发热表面温度和环境温度；
所述传热系数计算装置，用于根据所述流量测量装置测量得到的输入电压、输入电流、发热表面的温度、环境温度，再结合所述母排的散热面积，计算所述母排的复合换热表面的传热系数。
其中，所述母排实验电路装置为实际母排实验电路装置，其包括依次顺序连接的交流电源、升流器进线电缆、升流器、升流器出线电缆、实际母排；所述实际母排放置在封闭柜体内。
其中，所述输入功率调节模块具体用于调节所述升流器的输入电流，以调节所述实际母排的输入功率，使所述实际母排的发热表面温度上升并保持稳定。
其中，所述母排实验电路装置为电发热板模拟母排实验电路装置，其包括依次顺序连接的交流电源、开关、调压器、稳压器、电发热板模拟母排；所述电发热板模拟母排放置在封闭柜体中。
其中，所述电发热板模拟母排为将镍鉻电阻丝均匀缠绕在云母片上，用铝箔或不锈钢外皮封装，截面和实际母排相同的板状均匀发热体。
其中，所述输入功率调节模块具体用于调节所述调压器和稳压器，以调节所述电发热板模拟母排的输入功率，使所述电发热板模拟母排的发热表面温度上升并保持稳定。
其中，所述热电偶式测温仪的多个热电偶探头包括：
5~10个利用高温胶带固定布置于所述实际母排或电发热板模拟母排的上下表面，用于测量所述实际母排或电发热板模拟母排的发热表面温度的热电偶探头；
1~2个布置在距离所述实际母排或电发热板模拟母排的表面50~100cm处的，用于测量所述实际母排或电发热板模拟母排的环境温度的热电偶探头。
所述传热系数计算装置采用如下公式计算母排的复合换热表面传热系数h：
其中，发热表面的平均温度通过以下公式计算得到：
其中，U为输入电压、I为输入电流、t1、t2、t3…tn为母排的发热表面温度，tf为环境温度，S为母排的散热面积；n为自然数。
其中，所述封闭柜体为与高压开关柜相同尺寸的，用于模拟封闭式高压开关柜内部的封闭散热环境的金属外壳柜体。
本发明提出的一种高压开关柜内母排复合换热表面传热系数的测量系统，既可用于实际开关柜进行试验，也可用于母排结构布置试验，操作简单易行，测量数据准确，所测参数对开关柜传热计算、散热设计等具有重要意义。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，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。
图1为本发明提供的一种高压开关柜内母排复合换热表面传热系数的测量系统的结构示意图；
图2为本发明提供的实际母排实验电路装置的布置图；
图3为对如图2所示的实际母排实验电路装置的实际母排进行表面传热系数测量的方法流程示意图；
图4为本发明提供的电发热板模拟母排实验电路装置的布置图；
图5为对如图4所示的电发热板模拟母排实验电路装置的电发热板模拟母排进行表面传热系数测量的方法流程示意图；
图6为本发明提供的一种高压开关柜内母排复合换热表面传热系数的测量系统计算表面传热系数的流程示意图。
具体实施方式
参见图1，本发明提供本发明提供的一种高压开关柜内母排复合换热表面传热系数的测量系统，包括：
母排实验电路装置1、热电偶式测温仪2、流量测量装置3和传热系数计算装置4；
所述热电偶式测温仪2包括：用于测量所述母排实验电路装置1中母排的发热表面温度和环境温度的多个热电偶探头；
所述流量测量装置3包括：输入功率调节模块31、电压测量模块32、电流测量模块33、温度测量模块34；
所述输入功率调节模块31用于调节所述母排的输入功率，使所述母排发热表面温度上升并保持稳定；
所述电压测量模块32，用于在所述输入功率调节模块31每次调节完所述母排的输入功率且所述母排发热表面温度保持稳定后，测量并记录所述母排的输入电压；
所述电流测量模块33，用于在所述输入功率调节模块31每次调节完所述母排的输入功率且所述母排的发热表面温度保持稳定后，测量并记录所述母排的输入电流；
所述温度测量模块34，用于测量并记录不同输入电压、输入电流下，所述多个热电偶探头测量到的所述母排的发热表面温度和环境温度；
所述传热系数计算装置4，用于根据所述流量测量装置测量得到的输入电压、输入电流、发热表面的温度、环境温度，再结合所述母排的散热面积，计算所述母排的复合换热表面的传热系数。
本发明提供的母排实验电路装置在具体实现中，有两种实现方式实际母排实验电路装置和电发热板模拟母排实验电路装置，以下将通过实施例详细说明。
参见图2，是母排实验电路装置为实际母排实验电路装置时，本测量系统的示意图。
本实施例提供的实际母排实验电路装置10，其包括依次顺序连接的交流电源101、升流器进线电缆102、升流器103、升流器出线电缆104、实际母排107；所述实际母排107被绝缘支柱105支撑放置在封闭柜体106内。
具体的，交流电源101为普通220/380V电源，升流器进线电缆102载流量应高于升流器输入电流，升流器出线电缆104的载流量应高于实验输入电流，升流器103容量在50-400kVA以上，长期工作输出电流应超过1kA。所述封闭柜体106为与高压开关柜相同尺寸的，用于模拟封闭式高压开关柜内部的封闭散热环境的金属外壳柜体。
本实施例提供的测量系统的热电偶式测温仪2的多个热电偶探头包括：
5~10个利用高温胶带109固定布置于所述实际母排107的上下表面，用于测量所述实际母排107的发热表面温度的热电偶探头；
1~2个布置在距离所述实际母排107的表面50~100cm处的，用于测量所述实际母排107的环境温度的热电偶探头。
进一步地，热电偶探头为K型热电偶，测温范围在-50~500℃以上，热惰性时间常数小于90s，基本误差限在±1%以内。
本实施例中，所述输入功率调节模块31（图2未示出）具体用于调节所述升流器103的输入电流，以调节所述实际母排107的输入功率，使所述实际母排的发热表面温度上升并保持稳定。
参见图3，为对如图2所示的实际母排实验电路装置的实际母排进行表面传热系数测量的方法流程示意图。
本实施例提供的方法，包括：
步骤100，按照图2所示的布置方式，将实际母排以各种放置方式安装在封闭柜体中；
步骤101，增大升流器输出电流；
步骤102，使实际母排的发热表面温度升高10℃左右后等待其稳定；
步骤103，测量并记录实际母排的输入电压、输入电流以及各个热电偶探头测量到的发热表面温度和环境温度；
具体的，利用万用表在实际母排的端部测量输入电压U，利用穿心式电流互感器或钳形电流表测量实际母排的输入电流I并记录；使用多个热电偶探头测量实际母排的发热表面温度、距离发热板50cm~100cm以外的环境温度，记录各热电偶探头测得发热表面的温度值t1、t2、t3…tn和环境温度tf；
步骤104，进一步增大升流器的输出电流；
具体的，在步骤103记录完毕后上述输入电压、输入电流以及发热表面温度和环境温度之后，进一步加大输入功率，使发热表面温度再升高10℃，重复上述过程，每隔10℃左右记录一次数据；
步骤105，判断实际母排的发热表面温度是否超过200℃，直至发热表面温度超过200℃时停止实验，每件实际母排实验品重复上述实验流程4次。
经过上述步骤，测量得到计算表面传热系数的各种参数便可进行母排表面传热系数的计算，该计算过程在后续结合图6再进行详细描述，在此先描述是母排实验电路装置为电发热板模拟母排实验电路装置时，本测量系统测量计算表面传热系数的各种参数的具体实现过程。
参见图4，是母排实验电路装置为电发热板模拟母排实验电路装置时，本测量系统的示意图。
本实施例提供的电发热板模拟母排实验电路装置11，其包括依次顺序连接的交流电源111、开关112、调压器113、稳压器114、电发热板模拟母排117；所述电发热板模拟母排117被绝缘支柱115支撑放置在封闭柜体116内。
具体的，交流电源111为普通220/380V电源，开关112起电路开关控制和保护作用。电发热板模拟母排117是将镍鉻电阻丝均匀缠绕在云母片上，用铝箔或不锈钢外皮封装，截面和母排相同的板状均匀发热体。调压器113为单相自耦式调压器，调压输出范围应在0~220V以上，输出功率应大于5kVA。稳压器114为单相稳压器，其稳压输出的不平衡度不大于2％，无相移，波形不失真。所述封闭柜体116为与高压开关柜相同尺寸的，用于模拟封闭式高压开关柜内部的封闭散热环境的金属外壳柜体。
本实施例提供的测量系统的热电偶式测温仪2的多个热电偶探头包括：
5~10个利用高温胶带19固定布置于所述实际母排17的上下表面，用于测量所述实际母排17的发热表面温度的热电偶探头；
1~2个布置在距离所述实际母排17的表面50~100cm处的，用于测量所述实际母排17的环境温度的热电偶探头。
具体的，热电偶探头为K型热电偶，测温范围在-50~500℃以上，热惰性时间常数小于90s，基本误差限在±1%以内。
本实施例中，所述输入功率调节模块31（图4未示出）具体用于调节所述调压器113和稳压器114，以调节所述电发热板模拟母排117的输入功率，使所述电发热板模拟母排的发热表面温度上升并保持稳定。
参见图5，为对如图4所示的电发热板模拟母排实验电路装置的电发热板模拟母排进行表面传热系数测量的方法流程示意图。
本实施例提供的方法，包括：
步骤200，按照图4所示的布置方式，将电发热板模拟母排以各种放置方式安装在封闭柜体中；
步骤201，将调压器置零后调节其输出电压，并利用稳压器进行稳压；
步骤202，使电发热板模拟母排的发热表面温度升高10℃左右后等待其稳定；
步骤203，测量并记录电发热板模拟母排的输入电压、输入电流以及各个热电偶探头测量到的发热表面温度和环境温度；
具体的，利用万用表在电发热板模拟母排的端部测量输入电压U，利用穿心式电流互感器或钳形电流表测量电发热板模拟母排的输入电流I并记录；使用多个热电偶探头测量电发热板模拟母排的发热表面温度、距离发热板50cm~100cm以外的环境温度，记录各热电偶探头测得发热表面的温度值t1、tX、t3…tn和环境温度tX；
步骤204，进一步增大升流器的输出电流；
具体的，在步骤203记录完毕后上述输入电压、输入电流以及发热表面温度和环境温度之后，进一步加大输入功率，使发热表面温度再升高10℃，重复上述过程，每隔10℃左右记录一次数据；
步骤205，判断电发热板模拟母排的发热表面温度是否超过200℃，直至发热表面温度超过200℃时停止实验，每件电发热板模拟母排实验品重复上述实验流程4次。
经过上述步骤，即可测量得到计算表面传热系数的各种参数，下面结合图6，详细描述利用如图2或如图4所示的两种母排实验电路装置测量得到各种参数，在测得发热表面的平均温度值，发热功率，环境温度值的基础上，利用综合考虑对流、辐射两种散热形式下的牛顿冷却公式计算不同发热温度、安装型式下的母排的复合换热表面传热系数的具体实现过程。
具体如下：
步骤300，计算母排的输入功率；
其中，输入功率的计算公式为：输入功率=UI，U为输入电压、I为输入电流；
步骤301，计算母排散热面积S；
具体的，当母排为实际母排时，测量并计算该实际母排的散热面积；当母排为电发热板模拟母排时，测量并计算该电发热板模拟母排的散热面积。
步骤302，计算母排发热表面的平均温度值；
其中，发热表面的平均温度通过以下公式计算得到：
t1、t2、t3…tn为母排的发热表面温度。
步骤303，计算平均温度和环境温度tf的差值；
具体的，通过如下公式得到：
步骤304，根据温差、散热面积、输入功率，计算传热系数；
其中，所述传热系数计算装置采用如下公式计算母排的复合换热表面传热系数h：
其中，n为自然数。
其中，所述封闭柜体为与高压开关柜相同尺寸的，用于模拟封闭式高压开关柜内部的封闭散热环境的金属外壳柜体。
本发明提供的一种高压开关柜内母排复合换热表面传热系数的测量系统具有下列有益效果：
目前高压开关柜发热已经逐步引起人们的重视，但国内外并未开展柜内母排复合换热表面传热系数的系统研究，也没有现成的测量该系数的方法，在进行传热计算和散热设计时主要依靠经验估计，本发明提出的技术方案可以准确测量柜内母排复合换热表面传热系数。
另外，本发明提供的一种高压开关柜内母排复合换热表面传热系数的测量系统采用和母排同尺寸的均匀发热的电加热板代替实际母排，所需的试验电流、电压均较低，方法步骤简单易行。
本发明提供的技术方案适用性广：本发明提出的测量母排复合换热表面传热系数的测量系统，可以测量不同安装形式（水平、竖直、倾斜）下的各种规格母排各种发热状态下的复合换热表面传热系数，具有较广的适用性。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体（Read-Only Memory，ROM）或随机存储记忆体（Random Access Memory，RAM）等。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种高压开关柜内母排复合换热表面传热系数的测量系统，包括：母排实验电路装置、热电偶式测温仪，所述热电偶式测温仪包括：用于测量所述母排实验电路装置的母排的发热表面温度和环境温度的多个热电偶探头；其特征在于，所述系统还包括：流量测量装置和传热系数计算装置；
所述流量测量装置包括：输入功率调节模块、电压测量模块、电流测量模块、温度测量模块；
所述输入功率调节模块用于调节所述母排的输入功率，使所述母排发热表面温度上升并保持稳定；
所述电压测量模块，用于在所述输入功率调节模块每次调节完所述母排的输入功率且所述母排发热表面温度保持稳定后，测量并记录所述母排的输入电压；
所述电流测量模块，用于在所述输入功率调节模块每次调节完所述母排的输入功率且所述母排的发热表面温度保持稳定后，测量并记录所述母排的输入电流；
所述温度测量模块，用于测量并记录不同输入电压、输入电流下，所述多个热电偶探头测量到的所述母排的发热表面温度和环境温度；
所述传热系数计算装置，用于根据所述流量测量装置测量得到的输入电压、输入电流、发热表面的温度、环境温度，再结合所述母排的散热面积，计算所述母排的复合换热表面的传热系数。
2.如权利要求1所述的高压开关柜内母排复合换热表面传热系数的测量系统，其特征在于，所述母排实验电路装置为实际母排实验电路装置，其包括依次顺序连接的交流电源、升流器进线电缆、升流器、升流器出线电缆、实际母排；所述实际母排放置在封闭柜体内。
3.如权利要求2所述的高压开关柜内母排复合换热表面传热系数的测量系统，其特征在于，所述输入功率调节模块具体用于调节所述升流器的输入电流，以调节所述实际母排的输入功率，使所述实际母排的发热表面温度上升并保持稳定。
4.如权利要求1所述的高压开关柜内母排复合换热表面传热系数的测量系统，其特征在于，所述母排实验电路装置为电发热板模拟母排实验电路装置，其包括依次顺序连接的交流电源、开关、调压器、稳压器、电发热板模拟母排；所述电发热板模拟母排放置在封闭柜体中。
5.如权利要求4所述的高压开关柜内母排复合换热表面传热系数的测量系统，其特征在于，所述电发热板模拟母排为将镍铬电阻丝均匀缠绕在云母片上，用铝箔或不锈钢外皮封装，截面和实际母排相同的板状均匀发热体。
6.如权利要求5所述的高压开关柜内母排复合换热表面传热系数的测量系统，其特征在于，所述输入功率调节模块具体用于调节所述调压器和稳压器，以调节所述电发热板模拟母排的输入功率，使所述电发热板模拟母排的发热表面温度上升并保持稳定。
7.如权利要求3所述的高压开关柜内母排复合换热表面传热系数的测量系统，其特征在于，所述热电偶式测温仪的多个热电偶探头包括：
5～10个利用高温胶带固定布置于所述实际母排的上下表面，用于测量所述实际母排的发热表面温度的热电偶探头；
1～2个布置在距离所述实际母排的表面50～100cm处，用于测量所述实际母排的环境温度的热电偶探头。
8.如权利要求6所述的高压开关柜内母排复合换热表面传热系数的测量系统，其特征在于，所述热电偶式测温仪的多个热电偶探头包括：
5～10个利用高温胶带固定布置于所述电发热板模拟母排的上下表面，用于测量所述电发热板模拟母排的发热表面温度的热电偶探头；
1～2个布置在距离所述电发热板模拟母排的表面50～100cm处，用于测量所述电发热板模拟母排的环境温度的热电偶探头。
9.如权利要求7或8所述的高压开关柜内母排复合换热表面传热系数的测量系统，其特征在于，所述传热系数计算装置采用如下公式计算母排的复合换热表面传热系数h：
其中，发热表面的平均温度通过以下公式计算得到：
其中，U为输入电压、I为输入电流、t1、t2、t3…tn为母排的发热表面温度，tf为环境温度，S为母排的散热面积；n为自然数。
10.如权利要求9所述的高压开关柜内母排复合换热表面传热系数的测量系统，其特征在于，所述封闭柜体为与高压开关柜相同尺寸的，用于模拟封闭式高压开关柜内部的封闭散热环境的金属外壳柜体。
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