CN106295002B - 一种电气功能箱内加热器的仿真布置方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种电气功能箱内加热器的仿真布置方法，涉及电气控制技术领域，为解决因电气功能箱内出现凝露现象导致电气功能箱内设备运行的可靠性低的问题。所述电气功能箱内加热器的仿真布置方法包括：构建电气功能箱、加热器、通风窗的几何模型；设定环境参数和加热器参数；根据环境参数和加热器参数，计算获得电气功能箱内各区域对应的相对湿度值；判断电气功能箱内各区域对应的相对湿度值是否均小于100％，当电气功能箱内至少有一个区域对应的相对湿度值达到100％时，优化加热器参数，直至电气功能箱内各区域对应的相对湿度值均小于100％。本发明提供的电气功能箱内加热器的仿真布置方法用于优化加热器参数。
Description
技术领域
本发明涉及电气控制技术领域，尤其涉及一种电气功能箱内加热器的仿真布置方法。
背景技术
汇控柜、端子箱、开关设备机构箱、电源箱等电气功能箱是电气设备与测控设备、保护设备及通信设备连接等的中间环节，当电气功能箱内环境不满足要求时，电气功能箱内易出现凝露现象，进而导致设置在电气功能箱内的二次回路绝缘水平下降，严重时甚至造成出现误动或拒动，引起事故。此外，也会使端子排螺丝、连接片及继电器铁芯生锈，从而导致接触不良，并缩短二次回路中二次元件的寿命。
本申请发明人在实际工作中发现产生上述问题的主要原因是：设置在电气功能箱内的加热器分布不合理，导致电气功能箱内的部分区域湿度较高，从而导致电气功能箱内出现凝露现象，降低电气功能箱内设备运行的可靠性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电气功能箱内加热器的仿真布置方法，用于防止电气功能箱内出现凝露现象，以提高电气功能箱内设备运行的可靠性。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种电气功能箱内加热器的仿真布置方法，包括：
步骤一、构建电气功能箱、加热器、通风窗的几何模型；
步骤二、设定环境参数和加热器参数，所述环境参数包括：空气气压、空气温度和空气中的水含量；所述加热器参数包括：加热器发热功率、加热器个数和加热器在电气功能箱内的安放位置；
步骤三、根据所述环境参数和所述加热器参数，计算获得电气功能箱内安放有所述加热器的各区域对应的相对湿度值；
步骤四、判断电气功能箱内各所述区域对应的相对湿度值是否均小于100％，当电气功能箱内至少有一个所述区域对应的相对湿度值达到100％时，优化加热器参数，并重复执行所述步骤三和步骤四，直至电气功能箱内各所述区域对应的相对湿度值均小于100％。
本发明提供的电气功能箱内加热器的仿真布置方法中，首先根据构建的电气功能箱、加热器、通风窗的几何模型，以及根据设定环境参数和加热器参数，计算获得电气功能箱内安放有所述加热器的各区域对应的相对湿度值，然后判断电气功能箱内各所述区域对应的相对湿度值是否均小于100％，当电气功能箱内至少有一个所述区域对应的相对湿度值达到100％时，优化加热器参数，并重复执行所述步骤三和步骤四，直至电气功能箱内各所述区域对应的相对湿度值均小于100％。如此设计，根据不同地区的环境参数、不同电气功能箱的设计结构仿真计算出加热器的最优参数，从而改善电气功能箱内的运行环境，降低电气功能箱内发生凝露的概率，提高电气功能箱内设备运行的可靠性。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1本发明实施例中电气功能箱内加热器的仿真布置方法的流程图；
图2为本发明实施例中设置有单加热器的开关设备机构箱的模型图；
图3为本发明实施例中设置有双加热器的开关设备机构箱的模型图；
图4为本发明实施例中设置有单加热器、加热器功率为100W、时间为13小时的相对湿度分布图；
图5为本发明实施例中设置有单加热器、加热器功率为25W、时间为13小时的相对湿度分布图；
图6为本发明实施例中设置有双加热器、功率为25W，时间为13个小时的相对湿度分布图；
图7为本发明另一实施例中设置有单加热器的开关设备机构箱的模型图；
图8为本发明实施例中环境温度在24小时内的变化曲线图；
图9为本发明实施例中空气气压在24小时内的变化曲线图；
图10为本发明实施例中空气中含水量在24小时内的变化曲线图；
图11为本发明实施例中设置有单加热器时间为8小时的相对湿度、温度分布图；
图12为本发明实施例中设置有多个加热器时间为8小时的相对湿度、温度分布图。
附图标记：
10-开关设备机构箱， 20-通风窗，
30-加热器， 40-开关机构，
50-二次元件。
具体实施方式
为便于理解，下面结合说明书附图，对本发明实施例提供的电气功能箱内加热器的仿真布置方法进行详细描述。
请参阅图1，本发明实施例提供的电气功能箱内加热器的仿真布置方法包括：
步骤一、构建电气功能箱、加热器、通风窗的几何模型；构建电气功能箱、加热器、通风窗的几何模型具体包括：电气功能箱的尺寸和材质、加热器的尺寸和材质，以及电气功能箱上的通风窗尺寸、通风窗在电气功能箱上的开设位置。
步骤二、设定环境参数和加热器参数，所述环境参数包括：空气气压、空气温度和空气中的水含量；所述加热器参数包括：加热器发热功率、加热器个数和加热器在电气功能箱内的安放位置；其中，空气气压、空气温度和空气中的水含量的设置需要根据电气功能箱的具体应用环境进行选择。同样，加热器功率、加热器个数、加热器在电气功能箱内的安放位置的设置需要根据电气功能箱的具体应用环境和工作时的需要进行选择。
步骤三、根据所述环境参数和加热器参数，计算获得电气功能箱内安放有所述加热器的各区域对应的相对湿度值；
步骤四、判断电气功能箱内各所述区域对应的相对湿度值是否均小于100％，当电气功能箱内至少有一个所述区域对应的相对湿度值达到100％时，优化加热器参数，并重复执行所述步骤三和步骤四，直至电气功能箱内各区域对应的相对湿度值均小于100％。
相对湿度的定义为空气中所含水蒸气的含量与同温度和气压下饱和空气中所含水蒸气的含量之比。当相对湿度达到100％时，此时对应的环境温度即为露点温度，此时空气中的水蒸气会凝结成为液态水滴(凝露)。在本发明实施例中，根据构建的电气功能箱、加热器、通风窗的几何模型，以及根据设定环境参数和加热器参数，计算获得电气功能箱内安放有所述加热器的各区域对应的相对湿度值，然后判断电气功能箱内各所述区域对应的相对湿度值是否均小于100％，当电气功能箱内至少有一个所述区域对应的相对湿度值达到100％时，优化加热器参数，并重复执行所述步骤三和步骤四，直至电气功能箱内各所述区域对应的相对湿度值均小于100％。如此可以根据不同地区的环境参数、不同电气功能箱的设计结构仿真计算出加热器的最优参数，从而改善电气功能箱内的运行环境，降低电气功能箱内发生凝露的概率，提高电气功能箱内设备运行的可靠性。
上述实施例中所述的电气功能箱包括但不限于汇控柜、端子箱、开关设备机构箱和电源箱，下面为了便于理解和描述，以电气功能箱为开关设备机构箱为例进行详细说明。
为了仿真计算出加热器的最优布置，即优化加热器参数，首先需要构建开关设备机构箱、加热器、通风窗的几何模型。示例性地，请参阅图2，在开关设备机构箱10内设置有一个加热器30，在开关设备机构箱10的左、右两侧箱壁上各设置有一个通风窗20。在构建开关设备机构箱10、加热器30和通风窗20的几何模型过程中，需要设置开关设备机构箱10、加热器30和通风窗20的参数，该参数的设置需要结合具体应用环境进行设计，具体设置示例如表1所示：
| 高度 | 宽度 | 厚度 | 材料 | |
| 机构箱 | 100cm | 50cm | 1cm | Steel AISI 4340 |
| 加热器 | 7cm | 6cm | 陶瓷 | |
| 通风窗 | 1cm | 1cm |
表1
需要补充说明的是，在表1中，通风窗20是在开关设备机构箱10的箱壁上开凿出来的，因此，通风窗20的厚度与开关设备机构箱10的厚度相同；同时，由于仿真模型是二维平面模型，宽度在二维平面模型中是无法体现的，因此，在构建通风窗20的几何模型时忽略了通风窗20的宽度，同理，构建加热器30的几何模型时省略了加热器30的厚度。
在构建开关设备机构箱、加热器、通风窗的几何模型后，执行步骤二，即进行环境参数和加热器参数设置。其中，环境参数的设置涉及温度场和流体场设置。开关设备机构箱10中的空气由于加热器30的作用，会被逐渐加热，空气温度逐渐升高，同时，由于开关设备机构箱10有通风窗20，同时箱壁和外界环境的热交换，又会影响开关设备机构箱10内的气体温度的变化。另外，由于开关设备机构箱10内安装有加热器30的各区域的温度不一致，因此会存在气体的流动，从而把加热器30处的热量传递到开关设备机构箱10内的不同区域。因此，整个开关设备机构箱10内的气体温度变化过程涉及到温度场和流体场两个物理场，在仿真时需要同时对这两个物理场进行设置，并进行耦合求解。对于温度场和流体场，其耦合变量为流体速度u。
由于环境参数的设置涉及温度场和流体场设置，因此，在设置环境参数时，需要构建温度场物理模型，构建温度场物理模型包括构建控制方程、初始条件和边界条件，其中，
a、控制方程，对于某一求解域(开关设备机构箱)内的流体来说，其温度变化控制方程为(对于稳态场，下式中的第一项没有)：
上式中，第一项为单位时间内单位体积流体增加的热量；第二项为流体对流产生的热量；第三项为流体传导产生的热量；方程右边为发热源，本实施例中发热源为加热器。上式中，ρ为流体密度，Cp为流体比热容，u为流体速度，k为流体导热系数，Q为发热源。
b、初始条件，由于上述仿真仅是仿真一定时间段(如24小时)开关设备机构箱内温度变化情况，因此属于暂态仿真，需要初始化0时刻开关设备机构箱内的初始温度。在本实施例中，认为开关设备机构箱内的初始温度等于外部环境温度。
c、边界条件，在本实施例中，使用的为热通量边界条件，其表示方程如下：其中，k为流体导热系数，为温度变化情况，q为热交换通量。对于加热器边界、开关设备机构箱的内箱壁边界，假设q＝0，认为在该边界上不发生热的流通，即边界两边的温度认为相等。对于开关设备机构箱的外箱壁边界，认为q＝h(Text-T)，其中Text为外部环境温度，h为热交换系数，T为开关设备机构箱内的温度。该边界条件认为机构箱外箱壁边界温度受外部环境温度的影响。
对于通风窗处的边界条件，根据流体流向而不同：
T＝T0,if n·u<0，其中，n为边界处的法相向量，u为流体速度；即为流体流入开关设备机构箱。
if n·u≥0，即其中，n为边界处的法相向量，u为流体速度；即为流体流出开关设置机构箱。
上文提及环境参数的设置涉及温度场和流体场设置，因此设置环境参数时，构件完成温度场物理模型后，还需要构建流体场物理模型，在本实施例中，由于流体流动速度较小，其马赫数Ma值很小(小于0.3)，因此认为流体为可压缩的层流。构建流体场物理模型包括构建控制方程、初始条件和边界条件，
a、控制方程，可压缩的层流流体的控制方程包含两部分：质量守恒方程和动量方程。
b、初始条件，流体的初始条件设置为：速度场u＝0；流体的初始气压等于外部环境气压。
c、边界条件，开关设备机构箱的内箱壁以及加热器边界设置为无滑边界，即u＝0。通风窗处的边界条件设置为开口边界条件。
在设置加热器参数时，由于本发明实施例提供的仿真布置方法仅是仿真一定时间段(如24小时)开关设备机构箱内的温度变化情况，因此，在本实施方式中，以获得不同加热器功率下开关设备机构箱内24小时内的温度变化情况为例，具体设置示例如表2所示：
| 加热器个数 | 加热器发热功率 | 加热器几何位置 |
| 1 | 25W | 中偏下 |
| 1 | 100W | 中偏下 |
| 2 | 25W/个 | 中偏下，对称布置 |
表2
需要说明的是，在表2中，加热器几何位置栏是为了说明加热器30在开关设备机构箱10内的安放位置，其中，“中偏下”是指如图2所示，加热器30位于开关设备机构箱的中部靠下的位置，“中偏下，对称布置”是指如图3所示，开关设备机构箱10内设置有2个加热器，2个加热器在开关设备机构箱内的中部偏下的位置，且2个加热器相对开关设备机构箱10的竖直中心线左右对称。
在完成上述环境参数和加热器参数设置后，采用步骤三的方式获得相对湿度值，计算相对湿度值的过程具体包括：
通常情况下，空气包含湿空气与干空气，可表示湿空气气压与空气气压的比：
其中，Pv为水蒸气压强，Pa为干空气的压强，P为空气压强。
同时，xvap也可表示湿空气含量占空气含量的比：
其中，Cv为空气中水含量，mol/m3；C为空气含量，mol/m3。
空气相对湿度定义为空气中的含水量与空气的饱和含水量比值，用气压表示为：
其中，Psat为饱和水蒸气压强，Pv为水蒸气压强。
联立上述公式一、公式二和公式三，可得到相对湿度的计算式为：
其中，Psat为饱和水蒸气压强，具体可以根据如下公式获得：
C为空气含量，单位为mol/m3，T为温度，单位为K。具体可以根据理想气体状态方程计算获得。
由上可知，开关设备机构箱内各区域对应的相对湿度值计算思路可归纳如下：
设置开关设备机构箱外的空气气压P、空气温度T和空气中水蒸气的摩尔含量Cv。由于开关设备机构箱设置有通风窗，假设机构箱内部没有压强差，即机构箱内部气压也为P。
根据加热器发热功率和加热器在电气功能箱内的安放位置，获得电气功能箱内安放有所述加热器的各区域对应的温度值T；
根据电气功能箱内各所述区域对应的温度值T，利用公式五计算获得饱和水蒸气压强Psat；
根据理想气体状态方程，即利用计算获得空气含量C；
根据空气气压、饱和水蒸气压强、空气中的水含量和空气含量，利用公式四计算获得电气功能箱内各所述区域对应的相对湿度值。
利用上述实施例提供的技术方案，计算得到不同加热器参数条件下以及不同环境参数条件下的开关设备机构箱内安放有所述加热器的各区域对应的相对湿度值情况。仿真时间与相对湿度值见如下几个相对湿度分布图。
请参阅图4，此时开关设备机构箱内设置有单个加热器，功率为100W，时间为第13个小时的相对湿度分布图。请参阅图5，此时开关设备机构箱内设置有单个加热器，功率为25W，时间为第13个小时的相对湿度分布图。请参阅图6，此时开关设备机构箱内设置有双加热器，功率为25W，时间为第13个小时的相对湿度分布图。
从图4-图6可以看出，在开关类设备机构箱内，各个区域的温度不均匀，容易出现凝露现象，即目前选择的加热器参数不是最优参数，需要对加热器参数进行优化。请参阅图7，在此示例中，开关设备机构箱10内设置有一个加热器30，加热器30位于开关设备机构箱10的中偏下位置，且加热器30功率为50W；二次元件50分布在加热器30上方两端的位置；与开关设备连接的开关机构40则位于开关设备机构箱10正中位置。开关设备机构箱10设计有两个通风窗20，分别位于左箱壁上部和右箱壁下部。该开关设备机构箱内各部件的几何参数及材料参数如下表3所示：
| 高度 | 宽度 | 厚度 | 材料 | |
| 机构箱 | 100cm | 50cm | 1cm | Steel AISI 4340 |
| 加热器 | 6cm | 15cm | 陶瓷 | |
| 二次元件 | 30cm | 12cm | 硅钢 | |
| 开关机构 | 40cm | 20cm | 不锈钢 | |
| 通风窗 | 1cm | 1cm |
表3
设置的外部环境温度在24小时内的变化曲线如图8所示，设置的空气气压在24小时内的变化曲线如图9所示，设置的空气中含水量在24小时内的变化曲线如图10所示。
具有上述开关设备机构箱、加热器、通风窗及二次元件、开关机构的几何模型，以及设置有上述环境参数和加热器参数，根据上述实施例提供的仿真布置方法，可以计算得出加热器功率为60W时，开关设备机构箱内的相对湿度和温度的分布结果，如图11所示。图11中为第8小时的相对湿度、温度分布图，此时外界环境温度T为294.65K，外界气压为99870Pa，空气中含水量为1.15mol/m3。
从上面的计算结果可知，采用上述布置方式下，开关设备机构箱内相对湿度分布不均匀，加热器周围相对湿度较小，基本位于50％以下。而开关设备机构箱内的中上部相对湿度较大，特别是在通风窗附近区域，相对湿度达到了100％，容易在该区域产生凝露。因此，单个大功率布置的加热器无法使开关设备机构箱内的相对湿度达到均匀，有必要对上述结构布置的加热器进行优化。优化原则如下：
(1)减小加热器尺寸和单个加热器功率，在保持加热器总功率不变的情况下增加加热器个数。
(2)加热器的布置位置宜左右、上下对称分布。
(3)增大加热器与二次元件间的空间距离。
(4)加热器不应布置在机构箱背部以及不易更换的区域。
(5)尽量靠近通风窗的位置处布置加热器。
根据以上优化原则，本文对加热器的布置进行了优化，优化后开关设备机构箱内的相对湿度和温度的分布结果如图12所示，图12为第8小时的相对湿度、温度分布图，此时外界环境温度T为294.65K，外界气压为99870Pa，空气中含水量为1.15mol/m3。根据优化后的加热器参数，开关设备机构箱内相对湿度分布均匀，且均小于100％，开关设备机构箱内不会出现凝露现象。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (5)
1.一种电气功能箱内加热器的仿真布置方法，其特征在于，包括：
步骤一、构建电气功能箱、加热器、通风窗的几何模型；
步骤二、设定环境参数和加热器参数，所述环境参数包括：空气气压、空气温度和空气中的水含量；所述加热器参数包括：加热器发热功率、加热器个数和加热器在电气功能箱内的安放位置；
步骤三、根据所述环境参数和所述加热器参数，计算获得电气功能箱内安放有所述加热器的各区域对应的相对湿度值；
步骤四、判断电气功能箱内各所述区域对应的相对湿度值是否均小于100％，当电气功能箱内至少有一个所述区域对应的相对湿度值达到100％时，优化加热器参数，并重复执行所述步骤三和步骤四，直至电气功能箱内各所述区域对应的相对湿度值均小于100％。
2.根据权利要求1所述的电气功能箱内加热器的仿真布置方法，其特征在于，所述步骤一包括电气功能箱的尺寸和材质、加热器的尺寸和材质，以及电气功能箱上的通风窗的尺寸、通风窗在电气功能箱上的开设位置。
3.根据权利要求2所述的电气功能箱内加热器的仿真布置方法，其特征在于，
所述电气功能箱的尺寸包括：电气功能箱的高度、宽度和厚度；
所述加热器的尺寸包括加热器的高度和宽度；
所述通风窗的尺寸包括通风窗的孔径。
4.根据权利要求1所述的电气功能箱内加热器的仿真布置方法，其特征在于，所述步骤三包括：
根据加热器发热功率和加热器在电气功能箱内的安放位置，获得电气功能箱内安放有所述加热器的各区域对应的温度值；
根据电气功能箱内各所述区域对应的温度值，计算获得饱和水蒸气压强；
根据理想气体状态方程计算获得空气含量；
根据空气气压、饱和水蒸气压强、空气中的水含量和空气含量，计算获得电气功能箱内各所述区域对应的相对湿度值。
5.根据权利要求4所述的电气功能箱内加热器的仿真布置方法，其特征在于，
根据电气功能箱内各所述区域对应的温度值，计算获得饱和水蒸气压强的公式为：其中，Psat为饱和水蒸气压强，单位为Pa，T为电气功能箱内各所述区域对应的温度值，单位为K；
根据空气气压、饱和水蒸气压强、空气中的水含量和空气含量，计算获得电气功能箱内各所述区域对应的相对湿度值的公式为：其中，为相对湿度值，Cv为空气中水含量，单位为mol/m3；C为空气含量，单位为mol/m3，P为空气压强，单位为Pa。
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| JPH04165470A (ja) * | 1990-10-29 | 1992-06-11 | Nec Corp | Ｌｓｉのレイアウト設計方式 |
| CN105808819A (zh) * | 2016-02-17 | 2016-07-27 | 南方电网科学研究院有限责任公司 | 一种输电线路覆冰实时分布模型计算方法 |
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| Title |
|---|
| 《PID技术在GIS机构箱温度控制器中的应用》;陈宜彬;《城市建设理论研究（电子版）》;20130420(第31期);1-4 |
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