CN109918609B - 变压器用有载分接油开关正常切换过程油流速的计算方法 - Google Patents
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Abstract
一种变压器用有载分接油开关正常切换过程油流速的计算方法，将计算过程分为两个阶段，即电弧作用下气体膨胀过程中流场的油流速计算以及电弧熄灭后两相流过程中流场的油流速计算；首先，根据有载分接油开关切换电流计算电弧能量，利用电弧能量与气体产生关系，计算切换过程中的气体产生速度和气泡最终体积；其次，将气体产生速度设定为初始条件，按照有载分接油开关具体结构设定无滑移边界条件，列写流场方程进而计算油流速；然后，根据电弧发生位置和气体产生体积设定两相流的初始状态，利用水平集方法求解相界面变化并与流场基本方程耦合，形成两相流过程流场方程计算两相流过程中的油流速；本发明方法可以避免有载开关的瓦斯保护因正常切换过程中的油流涌动而误动作。
Description
技术领域
本发明涉及变压器用有载分接油开关瓦斯保护技术领域，具体涉及一种变压器用有载分接油开关正常切换过程油流速的计算方法。
背景技术
变压器用有载分接油开关是用于稳定负载中心电压，联络电网、调整负载潮流和改善无功分配的重要设备，其安全运行直接关系到系统的稳定性。但有载开关作为变压器中唯一在高电压和大电流下快速运行的机械部件，在调压过程中使用频繁，易发生故障，这样将直接影响电力变压器的正常运行。瓦斯保护作为有载分接开关的主保护之一，其整定值根据DL/T540-1994《QJ-25 50 80型气体继电器校验规程》等技术标准设定。由于有关有载开关重瓦斯流速整定值的行业标准出台时间较早，在该标准出台时，国产有载开关普遍只应用于110kV及以下的小容量(50MVA及以下)变压器上，当时提出的有载开关重瓦斯流速1.0m/s的整定值，经过多年实践检验证明是合适的，能够在有载开关发生故障时及时、准确动作以避免故障进一步扩大，有效避免有载开关在正常切换过程中出现重瓦斯误动。
但近年来，随着国民经济和社会飞速发展，变压器单台容量不断增大，有载开关正常切换时，其电弧能量产生内部绝缘油涌动要比低电压、小容量变压器有载开关切换产生涌动大得多。此时，整定值沿用经验值的瓦斯保护可能会因为较大容量的变压器正常切换造成的油流涌动而误动作，根据工程实际运行经验及相关报道记载，已出现多起大容量变压器用有载分接开关瓦斯保护误动的案例。
发明内容
为使瓦斯保护的整定值躲过变压器用有载开关正常切换下的油流速，本发明的目的在于提供一种变压器用有载分接油开关正常切换过程油流速的计算方法。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种变压器用有载分接油开关正常切换过程油流速的计算方法，包括以下步骤：
步骤1：根据有载分接开关的切换电流，计算电弧电流和电弧电压，进而计算电弧能量；
此处求解过程如下：
u＝El
其中，i为电弧电流；Im为切换电流的幅值；ω为电流的角频率；t为电弧燃烧时间；
为电弧产生时电流的相位角；u为电弧电压；E为弧柱中的电场强度；l为电弧长度；W为电弧能量；
步骤2：根据电弧能量和产生气体体积的关系，计算气体产生速度和气泡最终体积；
电弧能量和气体体积的关系：
变压器油在电弧作用下汽化分解，气体体积与电弧能量成正比，见式(2)；
V＝αW (2)
其中，V为气体体积；W为电弧能量；α为正比例系数，取值100；气体产生速度：
气泡最终体积：按式(1)代入总燃弧时间tmax计算总电弧能量，然后代入式(2)得到气泡总体积Vmax；
步骤3：建立电弧作用下气体膨胀过程中的流场方程：在湍流k-ε方程的基础上，根据步骤2计算得到的气体产生速度设定初始条件，根据有载分接油开关具体结构，将固液边界设定为无滑移边界条件；
湍流k-ε方程如下：
其中，u1为电弧作用下气体膨胀过程中流场的油流速；ρ为流体密度；p为压强；I为单位矩阵；μ为流体动力粘度；k为湍流动能；μT为表征湍流对粘度影响的参量；Pk为和湍流动能有关的参量；g为重力加速度；ε为湍流耗散率；σk,σε,Cε1,Cε2,Cμ均为常系数,分别取值1,1.3,1.44,1.92,0.09；
初始条件的设定：
其中，uin为入口流速；u0为入口流速的大小，和气体产生速度的关系见式(5)；IT为湍流强度；LT为湍流长度；nin为球形入口法向量；
其中，v为气体产生速度；r设为设定的球形入口半径；
未提及的参量的初始条件按0计算；
边界条件的设定：
u1·nlg＝0 (6)
其中，nlg为固液边界法向量；
式(3)-式(6)共同构成气体膨胀过程中的流场方程；
步骤4：计算电弧作用下气体膨胀过程中的流场方程，得到气体膨胀过程中流场的油流速u1；
步骤5：建立电弧熄灭后两相流过程中的流场方程：将流场基本N-S方程和水平集方程耦合；根据步骤2得到的气泡最终体积Vmax以及有载分接油开关的切换开关位置设定初始界面；根据有载分接油开关具体结构，将固液边界设定为无滑移边界条件；
流场基本N-S方程和水平集方程耦合：
其中，u2为电弧熄灭后两相流过程中流场的油流速；ρ为流体密度；ρdiss为气体密度；ρc为液体密度；p为压强；I为单位矩阵；μ为流体动力粘度；k为湍流动能；μT为表征湍流对粘度影响的参量；Pk为和湍流动能有关的参量；g为重力加速度；ε为湍流耗散率；σk,σε,Cε1,Cε2,Cμ均为常系数,分别取值1,1.3,1.44,1.92,0.09；φ为水平集函数；Fhf为和表面张力有关的体积力；σ为表面张力系数；
确定初始界面：
根据步骤2得到的气泡最终体积Vmax确定气泡的半径rg，见式(8)；有载分接油开关的切换开关的位置即为气泡初始位置，设定气泡表面为初始界面，即气泡表面φ＝0；
边界条件设定，固液边界满足无滑移边界条件：
u2·nlg＝0 (9)
其中，nlg为固液边界法向量；
式(7)-式(9)共同构成两相流过程的流场方程；
步骤6：计算电弧熄灭后两相流过程中的流场方程，得到两相流过程中流场的油流速u2。
本发明方法将有载分接油开关正常切换过程对油流速的影响分为两个过程计算，电弧作用下气体膨胀过程中流场的油流速计算以及电弧熄灭后两相流过程中流场的油流速计算。在不同的负荷电流下，计算正常切换时的油流速，参考计算得到的流速确定瓦斯保护的定值，有效提高变压器用有载分接开关瓦斯保护的动作可靠性。
附图说明
图1是实现本发明方法的流程图。
图2是适用于本发明的一种有载分接油开关双电阻过渡电路结构图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明为一种变压器用有载分接油开关正常切换过程油流速的计算方法，以双电阻过渡式有载分接油开关为例说明本发明的方案，包括以下步骤：
步骤1：图2所示双电阻过渡式有载分接油开关，额定工作电流为In，在正常切换过程中，KA、K1处产生电弧，KA处的电弧电流IKA＝In，K1处的电弧电流
计算两处的电弧能量：
式中，WKA为KA处的电弧能量；WK1为K1处的电弧能量；E为弧柱中的电场强度；l为电弧长度；IKA为KA处的电弧电流，IKA＝In；IK1为K1处的电弧电流，
ω为电流的角频率；t为电弧燃烧时间；
为电弧产生时电流的相位角；
步骤2：根据电弧能量和产生气体体积的正比例关系系数100cc/kJ，计算KA和K1处的气体体积VKA和VKB以及气体产生速度
当t取总燃弧时间时得到两个气泡的最终体积VKAmax和VKBmax；
步骤3：建立电弧作用下气体膨胀过程中的流场方程：在湍流N-S方程的基础上，将步骤2计算得到的气体产生速度设定为初始条件，将有载分接开关的油箱壁设定为无滑移边界条件，按式(3)-式(6)，建立气体膨胀过程中的流场方程，其中，式(5)计算入口流速的大小时，气体产生速度v分别代入vKA和vKB；
步骤4：计算电弧作用下气体膨胀过程中的流场方程，得到气体膨胀过程中流场的油流速u1；
步骤5：建立电弧熄灭后两相流过程中的流场方程：将流场基本N-S方程和水平集方程耦合；根据步骤2得到的气泡最终体积以及有载分接油开关的切换开关位置设定初始界面，在切换开关产生电弧的相应位置设定2个气泡的体积并确定为初始界面；将有载分接开关的油箱壁设定为无滑移边界条件，按式(7)-式(9)建立两相流过程的流场方程；
步骤6：计算电弧熄灭后两相流过程中的流场方程，得到两相流过程中流场的油流速u2。
Claims (1)
1.一种变压器用有载分接油开关正常切换过程油流速的计算方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：根据有载分接油开关的切换电流，计算电弧电流和电弧电压，进而计算电弧能量；
此处求解过程如下：
其中，i为电弧电流；Im为切换电流的幅值；ω为电流的角频率；t为电弧燃烧时间；
为电弧产生时电流的相位角；u为电弧电压；E为弧柱中的电场强度；l为电弧长度；W为电弧能量；
步骤2：根据电弧能量和产生气体体积的关系，计算气体产生速度和气泡最终体积；
电弧能量和气体体积的关系：
变压器油在电弧作用下汽化分解，气体体积与电弧能量成正比，见式(2)，
V＝αW (2)
其中，V为气体体积；W为电弧能量；α为正比例系数，取值100；
气体产生速度：
气泡最终体积：按式(1)代入总燃弧时间tmax计算电弧能量，然后代入式(2)得到气泡最终体积Vmax；
步骤3：建立电弧作用下气体膨胀过程中的流场方程：在湍流k-ε方程的基础上，根据步骤2计算得到的气体产生速度设定初始条件，根据有载分接开关具体结构，将固液边界设定为无滑移边界条件；
湍流k-ε方程如下：
其中，u1为气体膨胀过程中流场的油流速；ρ为流体密度；p为压强；I为单位矩阵；μ为流体动力粘度；k为湍流动能；μT为表征湍流对粘度影响的参量；Pk为和湍流动能有关的参量；g为重力加速度；ε为湍流耗散率；σk,σε,Cε1,Cε2,Cμ均为常系数,分别取值1,1.3,1.44,1.92,0.09；
初始条件的设定：
uin＝-u0nin
其中，uin为入口流速；u0为入口流速的大小，和气体产生速度的关系见式(5)；IT为湍流强度；LT为湍流长度；nin为球形入口法向量；
其中，v为气体产生速度；r设为设定的球形入口半径；
未提及的参量的初始条件按0计算；
边界条件的设定：
ul·nlg＝0 (6)
其中，nlg为固液边界法向量
式(3)-式(6)一起构成气体膨胀过程中的流场方程；
步骤4：计算电弧作用下气体膨胀过程中的流场方程，得到气体膨胀过程中流场的油流速u1；
步骤5：建立电弧熄灭后两相流过程中的流场方程：将流场基本N-S方程和水平集方程耦合；根据步骤2得到的气泡最终体积Vmax以及有载分接油开关的切换开关位置设定初始界面；根据有载分接油开关具体结构，将固液边界设定为无滑移边界条件；
流场基本N-S方程和水平集方程耦合：
ρ＝ρdiss(1-Hε(φ))+ρcHε(φ)
μ＝μdiss(1-Hε(φ))+μcHε(φ)
其中，u2为电弧熄灭后两相流过程中流场的油流速；ρ为流体密度；ρdiss为气体密度；ρc为液体密度；p为压强；I为单位矩阵；μ为流体动力粘度；k为湍流动能；μT为表征湍流对粘度影响的参量；Pk为和湍流动能有关的参量；g为重力加速度；ε为湍流耗散率；σk,σε,Cε1,Cε2,Cμ均为常系数,分别取值1,1.3,1.44,1.92,0.09；φ为水平集函数；Fhf为和表面张力有关的体积力；σ为表面张力系数；
确定初始界面：
根据步骤2得到的气泡最终体积Vmax确定气泡的半径rg，见式(8)，有载分接油开关的切换开关的位置即为气泡初始位置，设定气泡表面为初始界面，即气泡表面φ＝0；
边界条件设定，固液边界满足无滑移边界条件：
u2·nlg＝0 (9)
其中，nlg为固液边界法向量；
式(7)-式(9)共同构成两相流过程的流场方程；
步骤6：计算电弧熄灭后两相流过程中的流场方程，得到两相流过程中流场的油流速u2。
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