CN110837041A - 一种高压开关通流故障的反演方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及高压设备监测领域，具体涉及一种高压开关通流故障的反演方法及装置。本发明通过建立基于有限元技术以及CFD技术的高压开关通流故障反演模型，以监测数据作为仿真模型的输入条件，通过运行反演模型得到反演温度，然后根据与监测温度的比较结果调整反演模型中的参数，最后根据调整参数后的反演模型判断高压开关在最大负荷时是否具有通流能力。本发明能够根据监测数据进行模型反演模拟，从而有效判断高压开关是否出现故障，从而提出改进方案，能够实现故障的实时预警，提升高压开关运维检修效率。

Description

一种高压开关通流故障的反演方法及装置

技术领域

本发明涉及高压设备监测领域，具体涉及一种高压开关通流故障的反演方法及装置。

背景技术

高压开关现场运行经验表明，通流故障是其常见多发故障之一，以断路器为例，断路器作为电力系统重要的大电压和大电流开关电气设备，在系统内发挥着重要的作用，也因为其在系统中的重要角色，断路器作为重点维护对象，电力科技工作者一直致力于该断路器的通流状态监测，甚至是预警，减少或者断绝断路器非计划停运导致的各项停电，尽可能免除或者减轻对整体系统的影响范围。

高压开关的通流故障表现的外在状况多种多样，规律性不强，故障具体原因分析困难，故障发展趋势难以预知，故障检修方案盲目性较高。究其原因有两个：一是检测量少，现场往往是通过红外测温的方式进行检测，检测的数据多是设备的表面温度，不清楚内部状况；二是缺乏有效的分析评估手段，导致有了数据也无法分析原因，更无法评估故障的发展趋势，以致无法针对性提出检修方案。

发明内容

本发明的目的是提供一种高压开关通流故障的反演方法及装置，用以解决现有技术无法预测评估高压开关通流性能的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种高压开关通流故障的反演方法，包括以下步骤：

1)建立高压开关的通流反演模型：

将高压开关初始的状态参数输入高压开关的电磁场仿真模型得到高压开关的热量分布，将所述热量分布输入用于仿真温度场和气流场的CFD仿真模型进行CFD计算得到高压开关的反演温度；调整所述电磁场仿真模型中高压开关的电阻温度系数，再次计算高压开关的热量分布和温度分布；迭代若干次直到所述反演温度收敛，最终得到高压开关的通流反演模型，所述通流反演模型用于输入高压开关的状态参数，输出反演温度；

2)将监测到的高压开关的状态参数代入所述高压开关的通流反演模型，将得到的反演温度值与监测到的实际温度值进行比较，若所述反演温度值与所述实际温度值不同，则调整所述电磁场仿真模型中的电阻率，计算反演温度值，直至反演温度值等于所述实际温度值，记录此时的电阻率；

3)将记录的电阻率和系统最大负荷时对应的状态参数输入所述通流反演模型进行反演，根据反演得到的温度值判断高压开关在系统最大负荷时是否具有通流能力。

进一步的，所述状态参数包括电流、内部温度、风速、光照以及环境温度。

进一步的，采用有限元技术建立所述电磁场仿真模型。

本发明还提供了一种高压开关通流故障的反演装置，包括处理器和存储器，所述存储器存储有所述处理器实现如下方法的指令：

1)建立高压开关的通流反演模型：

将高压开关初始的状态参数输入高压开关的电磁场仿真模型得到高压开关的热量分布，将所述热量分布输入用于仿真温度场和气流场的CFD仿真模型进行CFD计算得到高压开关的反演温度；调整所述电磁场仿真模型中高压开关的电阻温度系数，再次计算高压开关的热量分布和温度分布；迭代若干次直到所述反演温度收敛，最终得到高压开关的通流反演模型，所述通流反演模型用于输入高压开关的状态参数，输出反演温度；

2)将监测到的高压开关的状态参数代入所述高压开关的通流反演模型，将得到的反演温度值与监测到的实际温度值进行比较，若所述反演温度值与所述实际温度值不同，则调整所述电磁场仿真模型中的电阻率，计算反演温度值，直至反演温度值等于所述实际温度值，记录此时的电阻率；

3)将记录的电阻率和系统最大负荷时对应的状态参数输入所述通流反演模型进行反演，根据反演得到的温度值判断高压开关在系统最大负荷时是否具有通流能力。

进一步的，所述状态参数包括电流、内部温度、风速、光照以及环境温度。

进一步的，采用有限元技术建立所述电磁场仿真模型。

本发明通过建立高压开关通流反演模型，以监测数据作为仿真模型的输入条件，通过运行反演模型得到反演温度，然后根据与监测温度的比较结果调整反演模型中的参数，最后根据调整参数后的反演模型判断高压开关在最大负荷时是否具有通流能力。

本发明能够根据监测数据进行模型反演，从而有效判断高压开关是否出现故障，从而提出改进方案，并且能够实现故障的实时预警，提升高压开关运维检修效率。

附图说明

图1是本发明方法流程图；

图2是本发明实施例中仿真得到的发热损耗分布图；

图3是本发明实施例中导体正视切面的温度分布图；

图4是本发明实施例中导体侧视切面的温度分布图；

图5是本发明实施例中导体俯视切面的温度分布图；

图6是本发明实施例中导体三维视角的温度分布图。

具体实施方式

断路器的通流故障会导致断路器操动机构的特征参数发生变化，因此，深入理解和研究断路器机构状态变化对于断路器及附件的通流状态监测具有重要意义。

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

目前对于高压开关通流特性的状态检测研究在国内外相关文献均有报道，但是现有技术中对于采集到的关于高压开关的相关通流状态参数的处理没有有效的手段，现有技术中一些处理模型的建立过于简单，只考虑了状态参数的一部分，不能精确的反映高压开关装置的通流状态以及预测通流能力，容易导致故障判断错误。

本发明的方案适用于多种类型的高压开关，例如气体绝缘断路器。在高压开关上，还需要安装多种类型的传感器，以采集高压开关的电流、内部温度、风速、光照以及环境温度等信号。然后由传感器传输到信号采集及处理装置，通过IEC61850协议进行信号统一处理，然后通过无线高速网络(例如商用工业物联网平台)进行传输，远端的仿真中心通过信号接收装置接收信号，然后输入到仿真平台。传感器采集的现场信号通过无线传输到后台仿真中心，不受地域地形限制。

综上，基于本发明的系统，核心为仿真平台，仿真平台通过无线通讯方式获取传感器实时采集的信息(当然，作为其他实施方式，也可以采用光纤传输等类型的通讯方式传输传感器采集到的信息)。而仿真平台，即云计算平台，运行相关的软件程序，基于有限元、CFD等技术建立高压开关的通流反演仿真模型，以监测数据作为输入信号，评判通流故障情况，提出改进方案。

本发明中是以一个高压开关为例进行说明，在仿真平台上对高压开关的监测数量可以根据现场情况进行设计，可以对多个高压开关的通流情况同时进行监测，其方法与本发明给出的监测一个高压开关时的方法一样，这里不再重复叙述。同时本发明中的通流反演模型一旦建立完成，仿真平台能够直接应用，在仿真平台对高压开关进行监测的过程中不用重复建立模型。

下面对仿真平台中运行程序所实现的方法进行详细介绍。

本发明的通流反演模型采用有限元方法建立断路器通流系统的电磁场仿真模型；采用CFD仿真技术建立断路器的CFD仿真模型(包括温度场、气流场模型)；采用多物理场耦合的仿真方法，打通电磁场和温度场、气流场之间的数据接口。

本发明具体的方法流程如图1所示，包括：

1)将高压开关初始的状态参数(高压开关的电流、内部温度、风速、光照以及环境温度等信号)输入高压开关的电磁场仿真模型得到高压开关的电流分布，根据电流分布得到热量分布，将热量分布输入用于仿真温度场和气流场的CFD仿真模型进行CFD计算得到高压开关的温度分布，将温度分布的平均值作为反演温度。

2)判断反演温度是否收敛，如果不收敛，则调整电磁场仿真模型中高压开关的电阻温度系数，并再次计算高压开关的热量分布和温度分布；迭代若干次直到反演温度收敛，最终得到高压开关的通流反演模型，通流反演模型用于输入高压开关的状态参数，输出反演温度。

例如，可以以室温为收敛温度，如果计算得到的反演温度偏离室温，则调整反演模型中的电阻温度系数，直到连续两次得到的反演温度与室温的偏差都很小，则可以认为反演温度收敛。

步骤2)得到的通流反演模型，通过电阻温度系数将有限元仿真技术和CFD仿真技术联合起来，能够反映高压开关通流模型的输入与输出之前的关系，为后续预测高压开关的通流能力奠定了基础。

3)将监测到的高压开关的状态参数代入高压开关的通流反演模型，将得到的反演温度值与监测到的实际温度值进行比较，若反演温度值与实际温度值不同，则调整电磁场仿真模型中的电阻率，计算反演温度值，直至反演温度值等于实际温度值，记录此时的电阻率。

例如步骤3)中的反演温度值如果小于实际温度值，则说明高压开关的接触电阻增大，高压开关疑似出现故障，此时调节通流反演模型中的电阻率，观察得到的反演温度的变化。由于电阻率的调整会直接导致电阻的变化，因此当调整到某个电阻率时，如果出现反演温度等于实际温度，则说明此电阻率对应的电阻即为当前的实际电阻。同时步骤3)中导入模型的状态参数可以是对高压开关某一位置的检测数据，得到的反演温度是对应位置的反演温度，然后与该位置的实际检测温度进行比较。

4)将记录的电阻率和系统最大负荷时对应的状态参数输入通流反演模型进行反演，根据反演得到的温度值判断高压开关在系统最大负荷时是否具有通流能力，如果温度高于阈值则不具有通流能力，如果低于阈值则具有通流能力。

步骤4)中提到的最大负荷时对应的状态参数在不同时间段相差可能会很大，例如当前季节为冬季，而步骤4)中最大负荷发生时是在夏季，则对应最大负荷的状态参数(例如环境温度、光照等参数)与冬季相差较大，输入通流反演模型后得到的反演温度如果没有超过设定的温度阈值，则说明高压开关在最大负荷状态时具有通流能力，反之，如果反演温度大于温度阈值，则说明高压开关在最大负荷时温度太高，不具有通流能力，需要断开高压开关。

下面给出一个具体实施例。

电磁场仿真模型输入是电流、电阻率以及前一步计算得到的导体温度，其中导体温度的作用是对电阻率进行修正，修正公式如公式(1)所示。

ρ＝α(T-20)+ρ_20℃ (1)

式中，ρ为实际温度T时导体的电阻率；α为电阻温度系数；T为导体实际温度；ρ_20℃为20摄氏度时导体的电阻率。

电磁场仿真模型通过欧姆定理以及maxwell方程求解电流以及发热功率在断路器导体物理空间的分布，欧姆定律如公式(2)所示。

Q＝∫ρJ²dv (2)

式中，Q为发热功率；J为电流密度；V为体积。

Maxwell方程组如公式(3)所示。

式中D为电通量密度，B为磁感应强度，pho为电荷密度。其中：

D＝σE (4)

式中σ为电导率。

仿真得到的发热损耗分布如图2所示，图2中导体上不同灰度部分代表热损耗不同，例如中间黑色区域热损耗较小，上端浅灰色区域热损耗较大。

将电磁场仿真获得的发热功率场数据传递到CFD仿真模型中去，CFD仿真模型通过求解流体控制方程组，从而获得断路器内部的温度场、气流场等数据。流体控制方程组如公式(5)至公式(10)所示。

质量守恒方程为：

动量守恒方程为：

能量守恒方程为：

理想气体方程为：

仿真获得的温度分布如图3至图6所示，图3为导体正视切面的温度分布图，图4是导体侧视切面的温度分布图，图5是导体俯视切面的温度分布图，图6是导体三维视角的温度分布图。图3至图6中导体各个视图的中间深灰色部分代表温度较高的分布区域。

CFD仿真模型将仿真获得的导体温度场分布数据传递到电磁场仿真模型，电磁场仿真模型根据温度变化，结合电阻温度系数从新计算导体电阻率，重新进行电磁场仿真，获得新的发热功率分布，即获得新的温度分布，计算平均值后从而得到反演温度。

本发明能够实时监测评估高压开关的通流状态，分析故障情况，进行故障定位，从而提出故障检修方案，能够实现故障的实施预警与快速精准检修，具备广阔的市场前景。

在其他实施例中，改变仿真模型的建立方法，或者状态参数数量或类型的改变，这样形成的技术方案是对上述实施例进行微调形成的，这种技术方案仍落入本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种高压开关通流故障的反演方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)建立高压开关的通流反演模型：

将高压开关初始的状态参数输入高压开关的电磁场仿真模型得到高压开关的热量分布，将所述热量分布输入用于仿真温度场和气流场的CFD仿真模型进行CFD计算得到高压开关的反演温度；调整所述电磁场仿真模型中高压开关的电阻温度系数，再次计算高压开关的热量分布和温度分布；迭代若干次直到所述反演温度收敛，最终得到高压开关的通流反演模型，所述通流反演模型用于输入高压开关的状态参数，输出反演温度；

2)将监测到的高压开关的状态参数代入所述高压开关的通流反演模型，将得到的反演温度值与监测到的实际温度值进行比较，若所述反演温度值与所述实际温度值不同，则调整所述电磁场仿真模型中的电阻率，计算反演温度值，直至反演温度值等于所述实际温度值，记录此时的电阻率；

3)将记录的电阻率和系统最大负荷时对应的状态参数输入所述通流反演模型进行反演，根据反演得到的温度值判断高压开关在系统最大负荷时是否具有通流能力。

2.根据权利要求1所述的高压开关通流故障的反演方法，其特征在于：所述状态参数包括电流、内部温度、风速、光照以及环境温度。

3.根据权利要求1或2所述的高压开关通流故障的反演方法，其特征在于：采用有限元技术建立所述电磁场仿真模型。

4.一种高压开关通流故障的反演装置，包括处理器和存储器，其特征在于：所述存储器存储有所述处理器实现如下方法的指令：

1)建立高压开关的通流反演模型：

将高压开关初始的状态参数输入高压开关的电磁场仿真模型得到高压开关的热量分布，将所述热量分布输入用于仿真温度场和气流场的CFD仿真模型进行CFD计算得到高压开关的反演温度；调整所述电磁场仿真模型中高压开关的电阻温度系数，再次计算高压开关的热量分布和温度分布；迭代若干次直到所述反演温度收敛，最终得到高压开关的通流反演模型，所述通流反演模型用于输入高压开关的状态参数，输出反演温度；

2)将监测到的高压开关的状态参数代入所述高压开关的通流反演模型，将得到的反演温度值与监测到的实际温度值进行比较，若所述反演温度值与所述实际温度值不同，则调整所述电磁场仿真模型中的电阻率，计算反演温度值，直至反演温度值等于所述实际温度值，记录此时的电阻率；

3)将记录的电阻率和系统最大负荷时对应的状态参数输入所述通流反演模型进行反演，根据反演得到的温度值判断高压开关在系统最大负荷时是否具有通流能力。

5.根据权利要求4所述的高压开关通流故障的反演装置，其特征在于：所述状态参数包括电流、内部温度、风速、光照以及环境温度。

6.根据权利要求4或5所述的高压开关通流故障的反演装置，其特征在于：采用有限元技术建立所述电磁场仿真模型。

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