CN111143979B

CN111143979B - 存储器、盆式绝缘子热力学模型构建方法、装置和设备

Info

Publication number: CN111143979B
Application number: CN201911295525.1A
Authority: CN
Inventors: 高凯; 徐鹏; 陆启宇; 夏昊天; 关永刚
Original assignee: Tsinghua University; State Grid Shanghai Electric Power Co Ltd; East China Power Test and Research Institute Co Ltd
Current assignee: Tsinghua University; State Grid Shanghai Electric Power Co Ltd; East China Power Test and Research Institute Co Ltd
Priority date: 2019-12-16
Filing date: 2019-12-16
Publication date: 2022-08-16
Anticipated expiration: 2039-12-16
Also published as: CN111143979A

Abstract

本发明公开了存储器、盆式绝缘子热力学模型构建方法、装置和设备，其中所述方法包括：获取盆式绝缘子的属性参数；将盆式绝缘子的本体结构逻辑划分为中心导体部分和环氧树脂绝缘部分；并进一步将环氧树脂绝缘部分逻辑划分为多个环状绝缘子部分；根据对盆式绝缘子的本体结构的逻辑划分结果确定多个热源；热源包括设于中心导体部分的主热源、设于SF₆气体与环氧树脂绝缘部分的对流边界的多个第一副热源、设于GIS外壳向盆式绝缘子发生热传导的位置的第二副热源；根据属性参数和热源，通过有限元法构建盆式绝缘子的热力学模型。本发明无需对盆式绝缘子两侧的气室进行建模，在节约了大量的计算工作量的前提下获得了准确度较好的盆式绝缘子的热力学模拟结果。

Description

存储器、盆式绝缘子热力学模型构建方法、装置和设备

技术领域

本发明涉及电气工程领域，特别涉及存储器、盆式绝缘子热力学模型构建方法、设备和装置。

背景技术

气体绝缘金属封闭开关设备(Gas Insulated Switchgear,GIS)具有占地面积小、故障概率低、安全性能高、环境影响小、便于安装维护等优点，可以大幅提高供电可靠性。但是，GIS全封闭的结构使其内部的异常发热、局部放电等轻微故障不易及早发现而导致绝缘击穿等恶性事故的发生。

盆式绝缘子是GIS设备中极为重要的绝缘部件，用来对GIS中的高电压通流导体进行支撑固定，使其对外壳、对地绝缘，从而保证设备的安全稳定运行。在盆式绝缘子两边有与通流导体连接的电连接点，在GIS运行过程中，接触不良会导致接触电阻增大，产生的异常发热会加快电连接处的接触老化速度，以及盆式绝缘子的绝缘老化速度，从而增大发生机械故障或绝缘故障的概率。

有限元法(Finite Element Method，FEM)是用来模拟仿真并且解决工程力学、热学、电磁学等多种实际工程问题的一种方法，可以解决用数值解析方法无法解决的问题和具有不规则边界条件和不规则结构形状的复杂问题。运用有限元法对仿真模型进行结构场、流体场、热场、电磁场等多物理场进行分析的软件，在诸多学术研究领域以及工业领域有着广泛的应用。用户可以使用该类软件进行仿真模型的建立或导入、物理场边界条件的设置、求解类型的设置以及网格的剖分等操作，在计算完毕后，还可以对计算结果进行后期处理，以得到预期的图像或曲线结果。

发明人经过研究发现，现有技术中，所构建的用于GIS设备中盆式绝缘子的热力学模型需要通过大量的计算成本才能获得准确度较好的热力学模拟结果。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明的目的在于通过较低的计算成本来获得准确度较好的盆式绝缘子的热力学模拟结果。

本发明提供了一种盆式绝缘子热力学模型构建方法，包括步骤：

S11、获取所述盆式绝缘子的属性参数，所述属性参数包括尺寸、材料、比热容、导热率和辐射率；

S12、将所述盆式绝缘子的本体结构逻辑划分为中心导体部分和环氧树脂绝缘部分；并进一步将所述环氧树脂绝缘部分逻辑划分为多个环状绝缘子部分；

S13、根据对所述盆式绝缘子的本体结构的逻辑划分结果确定多个热源；所述热源包括：设于所述中心导体部分的主热源、设于SF₆气体与所述环氧树脂绝缘部分的对流边界的多个第一副热源、设于GIS外壳向所述盆式绝缘子发生热传导的位置的第二副热源；所述主热源用来模拟中心导体产生的热量；多个所述第一副热源分别用于模拟SF₆通过对流传递给各环状绝缘子部分的热量；所述第二副热源用于模拟GIS外壳传导至所述环氧树脂绝缘部分的热量；

S14、根据所述属性参数和热源，通过有限元法构建所述盆式绝缘子的热力学模型。

优选的，在本发明实施例中，所述通过有限元法构建所述盆式绝缘子的热力学模型，还包括：

对网格剖分进行优化，包括细化用于整体剖分所述盆式绝缘子的网格。

优选的，在本发明实施例中，所述对网格剖分进行优化，还包括：

对所述盆式绝缘子表面上方预设范围内的网格进行加密。

优选的，在本发明实施例中，还包括：

根据实际运行或试验中得到的盆式绝缘子温度数据，校正所述热力学模型中的各所述热源的输入值。

优选的，在本发明实施例中，还包括：

根据预设规则，以所述盆式绝缘子的实际运行工况为参数生成各所述热源的等效热源值；所述预设规则包括：等效热源值与负荷电流值的平方存在近似的正比关系。

优选的，在本发明实施例中，所述将所述环氧树脂绝缘部分逻辑划分为多个环状绝缘子部分，包括：

将所述环氧树脂绝缘部分逻辑划分为三个环状绝缘子部分。

在本发明的另一面，还提供了一种盆式绝缘子热力学模型构建装置，包括：

属性获取单元，用于获取所述盆式绝缘子的属性参数，所述属性参数包括尺寸、材料、比热容、导热率和辐射率；

逻辑划分单元，用于将所述盆式绝缘子的本体结构逻辑划分为中心导体部分和环氧树脂绝缘部分；并进一步将所述环氧树脂绝缘部分逻辑划分为多个环状绝缘子部分；

热源确定单元，用于根据对所述盆式绝缘子的本体结构的逻辑划分结果确定多个热源；所述热源包括：设于所述中心导体部分的主热源、设于SF₆气体与所述环氧树脂绝缘部分的对流边界的多个第一副热源、设于GIS外壳向所述盆式绝缘子发生热传导的位置的第二副热源；所述主热源用来模拟中心导体产生的热量；多个所述第一副热源分别用于模拟SF₆通过对流传递给各环状绝缘子部分的热量；所述第二副热源用于模拟GIS外壳传导至所述环氧树脂绝缘部分的热量；

模型生成单元，用于根据所述属性参数和热源，通过有限元法生成所述盆式绝缘子的热力学模型。

优选的，在本发明实施例中，还包括：

校正单元，用于根据实际运行或试验中得到的盆式绝缘子温度数据，校正所述热力学模型中的各所述热源的输入值。

在本发明实施例的另一面，还提供了一种存储器，包括软件程序，所述软件程序适于由处理器执行上述盆式绝缘子热力学模型构建方法的步骤。

本发明实施例的另一面，还提供了一种盆式绝缘子热力学模型构建设备，所述盆式绝缘子热力学模型构建设备包括存储在存储器上的计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被计算机执行时，使所述计算机执行以上各个方面所述的方法，并实现相同的技术效果。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

在本发明中，为了获得准确度较好的盆式绝缘子的热力学模拟结果，在构建盆式绝缘子的热力学模型时，在获得了盆式绝缘子的尺寸、材料、比热容、导热率和辐射率等属性参数的基础上，还考虑了盆式绝缘子的多个受热因素(包括中心导体产生的热量、SF₆通过对流传递给各环状绝缘子部分的热量，以及，GIS外壳传导至环氧树脂绝缘部分的热量)，从而可以根据盆式绝缘子的自身结构的特性确定了多个热源；接着，再根据多个热源对于盆式绝缘子各部分的热传导特性，来通过有限元法构建盆式绝缘子的热力学模型。

由上可以看出，本发明实施例中的热力学模型考虑了盆式绝缘子的多个受热因素，其热力学模拟结果能够全面而准确的模拟出盆式绝缘子实际的温度分布结果。

综上所述，本发明实施例中的热力学模型使用等效热源注入的方式模拟实际运行中存在的对流传热和辐射传热，其计算量只涉及盆式绝缘子本身的热传导计算，并不像现有技术中那样涉及GIS内部气体对流，因此也就无需对盆式绝缘子两侧的气室进行建模，由此也就在节约了大量的计算工作量的前提下获得了准确度较好的盆式绝缘子的热力学模拟结果。

上述说明仅为本发明技术方案的概述，为了能够更清楚地了解本发明的技术手段并可依据说明书的内容予以实施，同时为了使本发明的上述和其他目的、技术特征以及优点更加易懂，以下列举一个或多个优选实施例，并配合附图详细说明如下。

附图说明

图1是本发明中所述盆式绝缘子热力学模型构建方法的步骤图；

图2是本发明中所述盆式绝缘子的结构示意图；

图3是本发明中所述盆式绝缘子的又一结构示意图；

图4是本发明中所述盆式绝缘子的网格剖分示意图；

图5是本发明中所述盆式绝缘子的受热分布示意图；

图6是本发明中所述热力学模型的计算结果与实验结果的对比示意图；

图7是本发明中所述盆式绝缘子热力学模型构建装置的结构示意图；

图8是本发明中所述盆式绝缘子热力学模型构建系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

除非另有其他明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其他元件或其他组成部分。

在本文中，为了描述的方便，可以使用空间相对术语，诸如“下面”、“下方”、“下”、“上面”、“上方”、“上”等，来描述一个元件或特征与另一元件或特征在附图中的关系。应理解的是，空间相对术语旨在包含除了在图中所绘的方向之外物件在使用或操作中的不同方向。例如，如果在图中的物件被翻转，则被描述为在其他元件或特征“下方”或“下”的元件将取向在所述元件或特征的“上方”。因此，示范性术语“下方”可以包含下方和上方两个方向。物件也可以有其他取向(旋转90度或其他取向)且应对本文使用的空间相对术语作出相应的解释。

在本文中，术语“第一”、“第二”等是用以区别两个不同的元件或部位，并不是用以限定特定的位置或相对关系。换言之，在一些实施例中，术语“第一”、“第二”等也可以彼此互换。

为了能够通过较低的计算成本来获得准确度较好的盆式绝缘子的热力学模拟结果，参考图1，本发明实施例提供了一种盆式绝缘子热力学模型构建方法，包括步骤：

本发明实施例中的盆式绝缘子具体来说可以是GIS盆式绝缘子，为了构建基于有限元法的热力学模型，首先要获取盆式绝缘子的属性参数；属性参数一般需要包括尺寸、材料、比热容、导热率和辐射率等热力学计算相关的参数。

如图2所示，在盆式绝缘子的中心位置(即中间深灰色部分)为中心导体部分；在实际应用中，设于盆式绝缘子内的中心导体及与其相连的导体为GIS主要的发热源，其产生的热量经热传导和SF6气体的对流会使整个盆式绝缘子升温；而盆式绝缘子中环氧树脂绝缘部分则是被加热的部分。由于与中心导体距离和SF6气体对流的影响，盆式绝缘子表面升温幅度与中心导体距离之间存在近似的反比关系，即，整体上来说环氧树脂绝缘部分中距离中心导体部分越远的位置，其升温幅度越小；因此，如图3所示，在本发明实施例中，还进一步的对环氧树脂绝缘部分(即，包括了三个环状带的深灰色部分)进行了细分，将环氧树脂绝缘部分逻辑划分为多个环状绝缘子部分；在实际应用中，环状绝缘子部分的个数与环氧树脂绝缘部分的尺寸相关，即，环氧树脂绝缘部分的尺寸越大，划分出的环状绝缘子部分的个数也应更多；一般情况下，将环氧树脂绝缘部分划分为三个环状绝缘子部分即可。

在本发明实施例中，全方位的考虑了实际工况中导致盆式绝缘子升温的多种因素，其一是作为主热源的中心导体；此外还将SF₆通过对流传递给各环状绝缘子部分造成的加热现象等效为第一副热源，以及，将GIS外壳将环氧树脂绝缘部分传导热量等效为第二副热源。

本发明实施例将盆式绝缘子多种受热因素等效为多个热源(包括主热源、第一副热源和第二副热源)，然后再结合盆式绝缘子的各个属性参数，来构建有限元法的热力学模型，以获得盆式绝缘子的热力学模拟结果。由于本发明实施例中的热力学模型考虑了盆式绝缘子的多个受热因素，所以其热力学模拟结果能够全面而准确的模拟出盆式绝缘子实际的温度分布结果。

本发明实施例中的热力学模型(即热力学仿真模型)使用等效热源注入的方式模拟实际运行中存在的对流传热和辐射传热，其计算量只涉及盆式绝缘子本身的热传导计算，并不像现有技术中那样涉及GIS内部气体对流，因此也就无需对盆式绝缘子两侧的气室进行建模，由此也就在节约了大量的计算工作量的前提下获得了准确度较好的盆式绝缘子的热力学模拟结果。

为了进一步的提高热力学模拟结果的精确度，本发明实施例在通过有限元法构建所述盆式绝缘子的热力学模型过程中，还可以对网格剖分进行优化，具体可以包括细化用于整体剖分所述盆式绝缘子的网格。进一步的，对网格剖分进行优化的方式中，还可以如图4所示，还包括：可以对盆式绝缘子表面上方预设范围(如，可以是盆式绝缘子表面上方一个±9°的扇形范围，即深灰色示出的部分)内的网格进行加密。在实际应用中，可以采用仿真软件预设的“极细化”网格对盆式绝缘子整体进行剖分来对网格剖分进行优化，接着，再对盆式绝缘子表面上方预设范围内的网格进行加密。需要说明的是，本发明实施例中所提及的预设范围的大小，本领域技术人员可以根据实际需要进行设定，在此并不做具体的限定。

在本发明实施例中，还可以包括校正热源的输入值的步骤来进一步提高热力学模型所生成模拟结果的精确性，具体的可以是根据实际运行或试验中得到的盆式绝缘子温度数据来校正热力学模型中的各热源的输入值。当热源输入值通过实际运行或试验中得到的盆式绝缘子温度数据进行校正后，校正完成后，不需要再修改热力学模型。

优选的，在本发明实施例中，还包括根据预设规则，以所述盆式绝缘子的实际运行工况为参数生成各所述热源的等效热源值；所述预设规则包括：等效热源值与负荷电流值的平方存在近似的正比关系。具体来说，等效热源值的大小与负荷电流的平方存在近似的正比关系，计算结果的误差在工程允许范围内，故可以在额定负荷电流下完成校正后，根据实际运行工况较快地得到等效热源的参数，避免了频繁、重复的校正工作。

如图5所示，在一个实现本发明实施例中技术方案的具体实例中，通过温升试验测得的盆式绝缘子温度数据对仿真模型进行校正，确定在主回路通过1200A电流的条件下，导体热源1.5W，SF₆热源由内至外分别为4.2W、4.5W、6.8W，外壳热源3W。铜的表面辐射率为0.13，环氧树脂的表面辐射率为0.95。图5为通过颜色示出的盆式绝缘子的温度分布示意图；

对环氧树脂绝缘部分的网格加密部分，沿径向由内至外取测量线，通过本发明实施例中热力学模型所得到的温度数据，将该计算所得温度数据与标准温升试验中热稳定后的盆式绝缘子温度数据进行对比，对比如图6所示；可见，本发明实施例中热力学模型所得结果与其对应真型GIS样机的试验结果基本一致，因此验证了本发明实施例中热力学模型具有较高的准确性和精确性。

在本发明实施例的另一面，如图7所示，还提供一种盆式绝缘子热力学模型构建装置，包括：

属性获取单元01，用于获取所述盆式绝缘子的属性参数，所述属性参数包括尺寸、材料、比热容、导热率和辐射率；

逻辑划分单元02，用于将所述盆式绝缘子的本体结构逻辑划分为中心导体部分和环氧树脂绝缘部分；并进一步将所述环氧树脂绝缘部分逻辑划分为多个环状绝缘子部分；

热源确定单元03，用于根据对所述盆式绝缘子的本体结构的逻辑划分结果确定多个热源；所述热源包括：设于所述中心导体部分的主热源、设于SF₆气体与所述环氧树脂绝缘部分的对流边界的多个第一副热源、设于GIS外壳向所述盆式绝缘子发生热传导的位置的第二副热源；所述主热源用来模拟中心导体产生的热量；多个所述第一副热源分别用于模拟SF₆通过对流传递给各环状绝缘子部分的热量；所述第二副热源用于模拟GIS外壳传导至所述环氧树脂绝缘部分的热量；

模型生成单元04，用于根据所述属性参数和热源，通过有限元法生成所述盆式绝缘子的热力学模型。

由于本发明实施例中盆式绝缘子热力学模型构建装置的工作原理和有益效果已经在图1所对应的盆式绝缘子热力学模型构建方法中也进行了记载和说明，因此可以相互参照，在此就不再过多赘述。

在本发明实施例中，还提供了一种存储器，其中，存储器包括软件程序，软件程序适于处理器执行图1所对应的盆式绝缘子热力学模型构建方法中的各个步骤。

本发明实施例可以通过软件程序的方式来实现，即，通过编写用于实现图1所对应的盆式绝缘子热力学模型构建方法中的各个步骤的软件程序(及指令集)，所述软件程序存储于存储设备中，存储设备设于计算机设备中，从而可以由计算机设备的处理器调用该软件程序以实现本发明实施例的目的。

本发明实施例的另一面，还提供了一种盆式绝缘子热力学模型构建设备，该盆式绝缘子热力学模型构建设备所包括的存储器中，包括有相应的计算机程序产品，所述计算机程序产品所包括程序指令被计算机执行时，可使所述计算机执行以上各个方面所述的盆式绝缘子热力学模型构建方法，并实现相同的技术效果。

图8是本发明实施例作为电子设备的盆式绝缘子热力学模型构建设备的硬件结构示意图，如图8所示，该设备包括一个或多个处理器610、总线630以及存储器620。以一个处理器610为例，该设备还可以包括：输入装置640、输出装置650。

处理器610、存储器620、输入装置640和输出装置650可以通过总线或者其他方式连接，图8中以通过总线连接为例。

存储器620作为一种非暂态计算机可读存储介质，可用于存储非暂态软件程序、非暂态计算机可执行程序以及模块。处理器610通过运行存储在存储器620中的非暂态软件程序、指令以及模块，从而执行电子设备的各种功能应用以及数据处理，即实现上述方法实施例的处理方法。

存储器620可以包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需要的应用程序；存储数据区可存储数据等。此外，存储器620可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非暂态存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非暂态固态存储器件。在一些实施例中，存储器620可选包括相对于处理器610远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至处理装置。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。

输入装置640可接收输入的数字或字符信息，以及产生信号输入。输出装置650可包括显示屏等显示设备。

所述一个或者多个模块存储在所述存储器620中，当被所述一个或者多个处理器610执行时，执行：

上述产品可执行本发明实施例所提供的方法，具备执行方法相应的功能模块和有益效果。未在本实施例中详尽描述的技术细节，可参见本发明实施例所提供的方法。

在本发明所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储设备中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储设备包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、ReRAM、MRAM、PCM、NAND Flash，NOR Flash，Memristor、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种盆式绝缘子热力学模型构建方法，其特征在于，包括步骤：

2.根据权利要求1所述盆式绝缘子热力学模型构建方法，其特征在于，所述通过有限元法构建所述盆式绝缘子的热力学模型，还包括：

3.根据权利要求2所述盆式绝缘子热力学模型构建方法，其特征在于，所述对网格剖分进行优化，还包括：

对所述盆式绝缘子表面上方预设范围内的网格进行加密。

4.根据权利要求1所述盆式绝缘子热力学模型构建方法，其特征在于，还包括：

5.根据权利要求4所述盆式绝缘子热力学模型构建方法，其特征在于，还包括：

6.根据权利要求1所述盆式绝缘子热力学模型构建方法，其特征在于，所述将所述环氧树脂绝缘部分逻辑划分为多个环状绝缘子部分，包括：

将所述环氧树脂绝缘部分逻辑划分为三个环状绝缘子部分。

7.一种盆式绝缘子热力学模型构建装置，其特征在于，包括：

8.一种存储器，其特征在于，包括软件程序，所述软件程序适于由处理器执行如权利要求1至6中任一所述盆式绝缘子热力学模型构建方法的步骤。

9.一种盆式绝缘子热力学模型构建设备，其特征在于，包括总线、处理器和如权利要求8中所述存储器；

所述总线用于连接所述存储器和所述处理器；

所述处理器用于执行所述存储器中的指令集。