CN109508502B - 基于电磁-温湿度耦合的三维开关柜温湿度分布计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电磁‑温湿度耦合的三维开关柜温湿度分布计算方法，包括三维计算模型的建立、电磁‑温度场耦合和温度‑湿度场耦合。(1)三维计算模型的建立步骤包括采用简化的开关柜结构，运用结构化网格剖分形式，提高计算的准确度和效率；(2)计算中考虑电磁‑温度场耦合过程，准确剖析了引起开关柜内部温度场变化的原因，采用导体中流过大电流的方式计算焦耳热引起的开关柜内部温度分布，与实际开关柜运行工况一致；(3)计算中考虑温度‑湿度场耦合过程，在计算温度分布时，同时考虑了湿空气扩散的影响；在湿度计算时，同时考虑了温度分布不均匀带来的影响。本发明计算结果可实时呈现开关柜内部温湿度分布，可为开关柜的优化设计提供指导。

Description

基于电磁-温湿度耦合的三维开关柜温湿度分布计算方法

技术领域

本发明属于电力设备绝缘状态诊断与评估技术领域，具体涉及一种基于电磁-温湿度耦合的三维开关柜温湿度分布计算方法。

背景技术

随着我国电力系统的快速发展，高压开关柜因其结构紧凑、占地面积小等优势广泛应用在电力系统配电网中。目前，高压开关柜逐渐趋向小型化，占地面积大大减小，金属导体之间以及金属导体与地电极之间的距离也随之减小，此时需严格控制开关柜内外环境的湿度分布。一旦湿气扩散到开关柜内部，其小型化的结构难以将湿气通过柜内的空气自然对流排出柜外，在金属及绝缘材料表面，湿气极易形成凝露。凝露的发生将严重影响开关柜内绝缘材料的绝缘能力及寿命、以及金属导体的功能，对开关柜的安全稳定运行造成严重威胁。凝露的发生会对开关柜内部的金属及绝缘系统造成严重危害。对于绝缘材料而言，一方面凝露会引发局部放电造成绝缘材料劣化，另一方面凝露会引起绝缘表面泄露电流增加，电导损耗增加，严重时引起绝缘失效，引发放电事故。对金属材料而言，当凝露发生时，一方面会造成金属材料的锈蚀，破坏金属的支撑作用，特别是对于断路器而言，一旦动静触头发生锈蚀，断路器将无法正常动作，失去保护电路的能力，最终引起放电事故。另一方面，凝结的水珠还会引起局部电场增强，畸变开关柜内部的电场分布，引起放电事故。

开关柜内部温湿度分布不均匀是造成凝露的重要原因。因此，掌握开关柜内部的温湿度分布可以及时采取相关措施，有效地防治开关柜内部凝露的形成，保障开关柜安全可靠运行。目前，对于开关柜内部温湿度分布的计算大多采用二维简单模型，无法精准清晰地掌握开关柜内部温湿度分布，因此，亟需建立开关柜温湿度分布计算模型，深入研究影响温湿度分布的因素，以指导开关柜内防凝露优化设计。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于电磁-温湿度耦合的三维开关柜温湿度分布计算方法，该计算方法通过实时监控开关柜内部的温湿度分布，可以了解开关柜内部温度低、湿度高的位置，便于及时采取相应措施。此外，该计算方法中考虑了改善开关柜内部温湿度不均匀的措施，并通过数值模拟证明了该方法的有效性。

本发明采用如下技术方案来实现的：

基于电磁-温湿度耦合的三维开关柜温湿度分布计算方法，包括三维计算模型的建立、电磁-温度场耦合和温度-湿度场耦合：

其中，三维计算模型的建立，包括以下步骤：

(1)该三维计算模型考虑母线、穿墙套管、断路器、触头盒和电缆；

(2)在计算之前，对三维计算模型的网格进行剖分；

电磁-温度场耦合，包括以下步骤：

(1)当开关柜内母线流过大电流时，金属导体上产生焦耳热，这些热量来自于涡流损耗，开关柜内部的热量通过柜体表面的自然对流换热及热辐射两种方式将热量散发到周围环境，引起开关柜内环境温度的升高，开关柜内部温度分布与热量之间的关系为：

式(1)中，ρ为材料的密度；λ为材料的导热系数；c为材料的比热容；Q为材料的体积生热率；

(2)开关柜内部的热量传递过程包括母线和穿墙套管、触头盒、电缆之间的热传导，母线和空气之间的对流换热以及热辐射，开关柜外壳与周围空气之间的对流换热和热辐射，热量传递过程采用式(2)来表示：

q＝k_ε(T-T_ab)+εσ(T⁴-T_ab ⁴) (2)

式(2)中，q为传递的热量；k_ε为对流换热系数；T为材料表面的温度；T_ab为环境温度；ε为固体表面的热发生率；σ为玻尔兹曼常数，σ＝1.38×10^-23J/K；

温度-湿度场耦合，包括以下步骤：

(1)开关柜内部母线、断路器、穿墙套管、触头盒、电缆吸湿后，膨胀变形较小，湿空气在开关柜内部的扩散过程满足Fick扩散定律，如下：

式(3)中，C为含湿量，D为湿扩散系数；

(2)由于开关柜内温湿度场同时存在，在计算温度和湿度分布时，考虑温度场和湿度场之间的相互影响；在计算湿度场之前，首先获取开关柜内部的温度场分布，进而获取材料的传湿特性参数，然后进行湿度场的计算，反过来，开关柜内部的湿度场分布也会影响材料的传热特性参数，温湿度的耦合计算可由式(3)来表示：

式(4)和(5)中，k_hh为导热系数；k_hm为温度场中的湿耦合系数；D_mm为湿度场中的湿扩散系数；D_mh为湿度场中的热耦合系数；采用伽辽金算法对上述方程进行求解。

本发明进一步的改进在于，三维计算模型的建立中，进行网格剖分时，采用分区域建模和局部细化剖分的方式，对于绝缘件表面，采用细化网格的方式，而在其他位置，采用粗化网格的方式。

本发明进一步的改进在于，采用伽辽金算法对方程进行求解时，具体如下：

将总的求解时长等分为n份，每一份求解时间为Δt，在开始时间段内将温度T作为常量，相对湿度C作为变量，进行求解，在下个Δt时间段内，相对湿度C作为常量，温度T作为变量，如此交替解耦多次直至t+nΔt时刻，得到最终的热湿耦合场分布。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

1、可实时监测开关柜内温湿度分布：当给定初始温湿度值，可获取后续时间内开关柜内的温湿度分布，及时获得易于发生凝露的位置，有助于采取合理的防护措施；

2、采用三维仿真计算模型，考虑电磁、温度、湿度耦合计算，条件设置贴近真实运行工况，计算结果具有较大的应用价值；

3、考虑了改善开关柜内部温湿度分布的方法，具体为采用加热器和通风装置，通过仿真计算确定了加热器和通风装置的最优安装位置，可指导开关柜优化设计及运行维护。

综上所述，本发明建立了简化的三维开关柜数值计算模型，计算了电磁-温度-湿度三者相互耦合情况下开关柜内部的温湿度分布，计算条件贴近开关柜实际工况，可实时监控开关柜内部温湿度分布，指导开关柜的设计及运行维护。

附图说明

图1为本发明建立的三维开关柜简化计算模型。

图2为本发明开关柜内部的温度分布。

图3为本发明开关柜内部的相对湿度分布。

图4为本发明开关柜内绝缘材料表面平均温度随时间变化的分布。

图5为本发明开关柜内增加加热器后绝缘材料表面平均温度随时间变化的分布。

图6为本发明开关柜内绝缘材料表面平均相对湿度随时间变化的分布。

图7为本发明开关柜内增加通风装置后绝缘材料表面平均相对湿度随时间变化的分布。

图8为本发明加热器在不同安装位置时开关柜内绝缘材料表面稳态温度分布。

图9为本发明通风装置在不同安装位置时开关柜内绝缘材料表面稳态相对温度分布。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步详细说明。

如图1所示，本发明提供的一种基于电磁-温湿度耦合的三维开关柜温湿度分布计算方法，包括三维计算模型的建立、电磁-温度场耦合和温度-湿度场耦合三部分。

1、三维计算模型的建立，包括以下步骤：

开关柜由多个隔室构成，主要包括母线室、电缆室、仪表室、断路器室等，这些隔室内又包括多个元件，如隔离开关、电流互感器、避雷器等。由于在仿真计算中，计算效率与模型的尺寸呈负相关关系，因此，为提高计算效率，在模型建立中，将一些开关柜中的附件略去，采用简化的模型。模型中主要考虑了外壳4的母线3、断路器、触头盒5、穿墙套管2和电缆1等结构。本文按照金属铠装型开关柜KYN61-40.5建立了仿真计算模型，主要包括以下操作：

(1)根据三维开关柜的实际尺寸，按照上述简化方法，在Comsol软件中作出三维开关柜的仿真模型；

(2)对仿真中涉及到的元件进行参数设置，该模型主要包含三种材料，铜、环氧树脂、空气，开关柜外壳和母线采用铜，内部气体采用空气，电缆、断路器触头盒、穿墙套管采用环氧树脂；

(3)采用结构化网格对模型进行剖分，对于质量较差的网格，采用精细化方法进行修复；在剖分网格时，需要特别注意网格尺寸大小的设置。这里，进行网格剖分时，采用分区域建模和局部细化剖分的方式。由于开关柜内部温湿度分布不均匀的位置主要位于绝缘件的表面，因此，对于绝缘件表面，采用细化网格的方式，而在其他位置，采用粗化网格的方式。

2、电磁-温度耦合部分，步骤如下：

温度场主要考虑当开关柜内母线流过大电流时，金属导体产生焦耳热，引起开关柜内部温度升高，主要考虑以下设置：

(1)设置材料的对流换热系数，根据各种材料表面空气流速大小以及各元件所处的空间位置不同，分别设置不同的对流换热系数。首先，第一组为与柜内空气接触较充分、柜内空气流通较顺畅的外表面，如电缆外表面、断路器触头盒外表面等，由于B相处于A、C两相之间，散热条件较差，其对流换热系数也需要单独设置；其次，第二组为与柜内少量空气的内表面，如触头盒内表面、静触头表面等；最后，第三组为柜体外的进线铜排。设置第一组A、C两相表面的对流换热系数为4W/(m²·K)，B相表面的对流换热系数为3.5W/(m²·K)；第二组表面对流换热系数为3W/(m²·K)；第三组A、C两相表面的对流换热系数为5W/(m²·K)，B相表面的对流换热系数为4.5W/(m²·K)。

(2)设置母线中流过电流，大小为1500A，设置环境温度为293K(20℃)；

开关柜内部的温度场分布如图2所示。母线的焦耳热损耗主要来自于电流流经导体产生的电阻损耗，包括金属导体本身的电阻以及母线与其他元件的接触电阻。此外，三相导体的温度分布并不均匀，A、C相导体的温度低于B相。这是因为三相导体的散热方式主要是通过热辐射和与周围空气的对流换热，B相导体处于A、C两相之间，其散热条件比A、C相要差，因此，B向温度高于A、C两相导体的温度。对绝缘材料而言，断路器触头盒的温度要高于穿墙套管的温度，主要是由于触头盒结构为半中空，热量难以扩散。此外，三相触头盒的温度分布同样是不均匀的，一方面，这与断路器的触头温度分布密切相关，另一方面，触头盒本身散热环境的差异性同样是造成温度分布不均的重要原因。

从为了从根源上抑制凝露的形成，考虑采用局部增加加热装置提高并均匀化开关柜内部的整体温度分布。因此，在仿真中，计算了局部增加加热器后，开关柜内部绝缘材料的平均温度分布和相对湿度分布。

在靠近触头盒侧的开关柜柜壁上设置加热装置和通风装置后，绝缘材料表面温度和相对湿度分布分别如图5和图6所示。可以看出，当增加加热器之后，绝缘材料表面温度均有所提升，穿墙套管和电缆表面温度提升约为5K，触头盒表面温度提升约为10K。三种元件温度分布相对较为均匀，可避免某种元件温度较低形成凝露。

为研究加热器的最优安装位置，设置加热器位于靠近套管和电缆处的开关柜柜壁上，获取了开关柜内绝缘材料表面稳态时温湿度分布，如图8所示。可以看出，当加热器位于不同位置时，三种元件表面温度分布相差不大，均较为均匀。加热器位置越靠近某一元件，则该元件温度越高。

3、温度-湿度耦合部分，步骤如下：

开关柜内部湿度在材料的边界处是不连续的，而相对湿度是连续的，因此，采用相对湿度来表示开关柜内部的湿度分布。

(1)开关柜内部的湿度扩散服从Fick扩散第二定律，如式(6)所示。

式(6)中，D为湿扩散系数，w₁为含湿量。由于在不同材料交界处，含湿量往往不连续，而相对湿度w是连续的，可用式(8)来计算开关柜内部的相对湿度分布。

式(7)中，w为相对湿度，w_1sat为饱和含湿量。

(2)设置外界环境相对湿度为80％，开关柜内初始状态为干燥时，湿空气在开关柜内部的扩散过程。仿真总时间设置为55个小时。

外界环境相对湿度为0.8时，随着湿空气在开关柜内部的自然扩散，仿真发现，当扩散时间在30个小时以上时，湿空气扩散达到稳态，稳态时开关柜内部相对湿度分布如图3所示。湿空气在开关柜内的分布相对于温度分布较为均匀，不论是三相导体还是三相触头盒，各相湿度分布几乎相同。触头盒的平均相对湿度分布要高于三相金属导体及三相穿墙套管。三相电缆和穿墙套管中与开关柜外壳接触的部位相对湿度要高于其它部位，主要是因为开关柜金属外壳的初始相对湿度为环境湿度。

当开关柜内部湿空气达到饱和时，在低温物体表面达到露点温度后，湿空气将在低温物理表面凝结成小水珠，形成凝露。因此，当开关柜内部湿度较大，而温度较低时，湿空气极易形成凝露附着在材料的表面，影响开关柜内部的金属及绝缘材料的性能。从上述结果看，容易引发凝露的元件主要还是绝缘材料，如断路器的触头盒、穿墙套管及三相电缆等。通过统计这些材料表面的平均温度和湿度分布，如图4所示，进而获得了开关柜内部容易引发凝露的元件。

从图7可以看出，当增加通风装置后，开关柜内绝缘材料表面的相对湿度均降低，其中触头盒表面降低程度最大，远超过穿墙套管和电缆。此时，三种元件表面相对湿度分布较为均匀，同样可避免某种元件湿度较高形成凝露。可见，增加通风装置之后可以有效地提高开关柜内部的温度分布，降低相对湿度分布，避免凝露的形成。

此外，为研究通风装置的最优安装位置，设置通风装置位于靠近套管和电缆处的开关柜柜壁上，获取了开关柜内绝缘材料表面稳态时温湿度分布，如图9所示。可以看出，只有当通风装置的位置位于触头盒处，触头盒处的稳态相对湿度分布才比较低，且此时，绝缘材料表面相对湿度均低于通风装置位于其它位置。由于触头盒处本身相对湿度分布就比较高，是容易发生凝露的位置，因此，为降低触头盒处的凝露发生概率，通风装置的最优安装位置为位于靠近触头盒处的开关柜柜壁上。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅作为本发明的实施案例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、替换或变更，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.基于电磁-温湿度耦合的三维开关柜温湿度分布计算方法，其特征在于，包括三维计算模型的建立、电磁-温度场耦合和温度-湿度场耦合：

其中，三维计算模型的建立，包括以下步骤：

(1)该三维计算模型考虑母线、穿墙套管、断路器、触头盒和电缆；

(2)在计算之前，对三维计算模型的网格进行剖分；

电磁-温度场耦合，包括以下步骤：

(1)当开关柜内母线流过大电流时，金属导体上产生焦耳热，这些热量来自于涡流损耗，开关柜内部的热量通过柜体表面的自然对流换热及热辐射两种方式将热量散发到周围环境，引起开关柜内环境温度的升高，开关柜内部温度分布与热量之间的关系为：

式(1)中，ρ为材料的密度；λ为材料的导热系数；c为材料的比热容；Q为材料的体积生热率；

(2)开关柜内部的热量传递过程包括母线和穿墙套管、触头盒、电缆之间的热传导，母线和空气之间的对流换热以及热辐射，开关柜外壳与周围空气之间的对流换热和热辐射，热量传递过程采用式(2)来表示：

q＝k_ε(T-T_ab)+εσ(T⁴-T_ab ⁴) (2)

式(2)中，q为传递的热量；k_ε为对流换热系数；T为材料表面的温度；T_ab为环境温度；ε为固体表面的热发生率；σ为玻尔兹曼常数，σ＝1.38×10^-23J/K；

温度-湿度场耦合，包括以下步骤：

(1)开关柜内部母线、断路器、穿墙套管、触头盒、电缆吸湿后，膨胀变形较小，湿空气在开关柜内部的扩散过程满足Fick扩散定律，如下：

式(3)中，C为含湿量，D为湿扩散系数；

(2)由于开关柜内温湿度场同时存在，在计算温度和湿度分布时，考虑温度场和湿度场之间的相互影响；在计算湿度场之前，首先获取开关柜内部的温度场分布，进而获取材料的传湿特性参数，然后进行湿度场的计算，反过来，开关柜内部的湿度场分布也会影响材料的传热特性参数，温湿度的耦合计算可由式(3)来表示：

式(4)和(5)中，k_hh为导热系数；k_hm为温度场中的湿耦合系数；D_mm为湿度场中的湿扩散系数；D_hm为湿度场中的热耦合系数；采用伽辽金算法对上述方程进行求解。

2.根据权利要求1所述的基于电磁-温湿度耦合的三维开关柜温湿度分布计算方法，其特征在于，三维计算模型的建立中，进行网格剖分时，采用分区域建模和局部细化剖分的方式，对于绝缘件表面，采用细化网格的方式，而在其他位置，采用粗化网格的方式。

3.根据权利要求1所述的基于电磁-温湿度耦合的三维开关柜温湿度分布计算方法，其特征在于，采用伽辽金算法对方程进行求解时，具体如下：

将总的求解时长等分为n份，每一份求解时间为Δt，在开始时间段内将温度T作为常量，相对湿度C作为变量，进行求解，在下个Δt时间段内，相对湿度C作为常量，温度T作为变量，如此交替解耦多次直至t+nΔt时刻，得到最终的热湿耦合场分布。

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