CN111624447B - 高压电缆接头短路电弧产生的爆炸波能测量和估算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高压电缆接头短路电弧爆炸波能的测量和估算方法,该方法包括:在高压电缆接头外部加装带泄能孔的防爆保护装置,进行人工短路引弧试验,测量从保护装置泄能孔溢出的爆炸波能;对爆炸过程进行仿真计算,以爆炸波能测试得到的压力冲击波测试结果为依据,得到短路电弧产生总的爆炸波能。本发明在试验测量数据的基础上,结合有限元仿真计算,得到高电压、大电流条件下短路电弧引起爆炸波能的能量大小,为高压电缆接头保护装置的设计提供可靠依据。
Description
技术领域
本发明涉及高压电缆接头防爆领域,尤其涉及一种高压电缆接头短路电弧产生的爆炸波能测量和估算方法。
背景技术
随着国民经济的高速增长,人们对供电可靠性的要求也越来越高,高压电缆供电以其较高的可靠性优势,被越来越多地应用在输电领域。但是由于高压电缆接头结构复杂,需现场安装且安装工艺水平参差不齐,高压电缆接头成为高压电力电缆运行的薄弱环节。当高压电缆接头出现故障时,将会导致电缆接头发生烧毁、爆炸事故。为降低高压电缆接头短路电弧造成的破坏程度,一般做法是在接头部位加装保护装置,以起到防爆、防火的作用,而防爆装置的设计首先要得到高压电缆接头短路电弧的爆炸波能量大小。
高压电缆接头内部故障电弧对外界产生破坏效应的主要因素有高温(气体加热)、电弧通道膨胀产生的爆炸波和固体材料炸裂产生的喷溅物,气体加热产生的高温由于作用时间较短,对外界影响较小;固体喷溅物大部分可由高压电缆接头保护装置过滤掉。因而对外界影响较大的因素即是电弧通道膨胀产生的爆炸波。同时,短路电弧产生的爆炸波也是检验保护装置防爆性能的依据。
针对高压电缆接头短路能量测量,由于电压、电流值较高,作用时间短且波形变化复杂,直接测量短路回路的电压、电流波形进而计算短路能量的方法并不可取,且总的电弧能量中仅有一小部分形成爆炸波能,通过电测法无法得到爆炸波能的大小。目前对爆炸冲击波的测量主要是通过测量距爆炸源一定距离的冲击波超压的方法进行。然而,对于高压电缆接头内部发生电弧爆炸产生的爆炸波的能级没有测量先例,且当高压电缆接头发生短路故障时,由于短路电弧瞬间会造成大量固体飞溅物,对冲击波超压测量仪器造成破坏,故无法直接通过压力传感器测量其电弧的爆炸波能。
发明内容
本发明提供一种高压电缆接头短路电弧产生的爆炸波能测量和估算方法,用以解决高压电缆接头短路电弧产生的爆炸波能因能级高、时间短、变化复杂,且爆炸产生大量固体喷溅物而导致的测量技术问题。
为解决上述技术问题,本发明提出的技术方案为:
由于高压电缆接头短路电弧产生的爆炸波能因能级高、时间短、变化复杂,因而,不宜采用电测法,本发明采用冲击波超压的方法测量。另一方面,因接头短路电弧引起的爆炸伴随有固体喷溅物,无法直接使用超声波探头,需要在高压电缆接头加装带泄能孔的防爆保护装置。然而,加装了防爆保护装置之后,该装置又会吸收一部分短路电弧的爆炸波能。因而,本专利提出的测量方法分2部分。
高压电缆接头短路电弧产生的爆炸波能测量和估算方法,包括以下步骤:
1、从高压电缆接头的防爆保护装置泄能孔溢出的爆炸波能测量(试验测量):
(1)试验电源:选择规程规定的12kV/50kA冲击大电流发生器进行试验,冲击大电流持续时间不少于继电保护装置的动作时间,以模拟现场中的高压电缆接头短路故障。
(2)试验前准备工作:
1)接线方法:试验电源的高压端接电缆线芯,接头铜壳引出段接地。在高压电缆接头内部进行人工短路引弧处理,即在接头中间线芯压接管与铜壳之间用一根铜线短接。试验接线方法示意图参见图1。
2)被试品:试验前需要对高压电缆接头加装带泄能孔的防爆保护装置。
(3)试验测量装置:针对电弧爆炸产生的自由场冲击波的测量装置,选择自由场冲击波压力传感器和数据采集仪。试验需布置多个距泄能孔不同距离的冲击波超压测量探头,分别记录各个探头的位置及距离防爆保护装置泄能孔的距离。
(4)测量方法:进行高压电缆接头短路燃弧试验,对从泄能孔溢出的爆炸波能进行测量。选取测量结果最优的冲击波超压探头数据(即距离泄能孔一定距离下的气体冲击压力值),作为爆炸过程进行仿真计算的依据。通过对超声波探头测量波形数据的提取,得到距泄能孔一定距离L下,超声波探头测量得到的超声波压力值PM。
2、通过有限元计算,推算高压电缆接头短路电弧产生的爆炸波能(仿真计算):
(1)多物理场耦合方式:电弧产生会引起温度的升高,温升会导致电弧通道的膨胀,致使气体的速度和压强发生改变,气体速度等数据的改变会使传热相关的参数发生进一步变化,最终影响温度场的分布,因此仿真过程中的多物理场耦合方式选择为热-流场耦合。
(2)多物理场耦合方程及边界条件:热-流场耦合方程及边界条件。
1)温度场控制方程及边界条件
根据傅里叶传热定律和能量守恒定律,描述温度场控制方程为
(1)式中:k为导热系数;ρ为材料密度;Cρ为常压热容;Q为热源。温度场所采用的边界条件是最外层设置为物体表面与周围环境进行的对流交换系数,泄能孔设置为开边界。
2)流体场(空气)控制方程及边界条件
(2)、(3)式中,ρ为材料密度;u为流体速度;p为压强;i为单位向量;F为体积力;T为温度。流体场所采用的边界条件是设置泄能孔的边界条件为出口,其他边界设置为壁。
温度-流体的多物理场耦合方式设置为非等温流动,耦合接口分别为流体传热和层流。
(3)仿真模型:参考被试品的真实几何尺寸和材料参数及超声波探头的实际位置,通过有限元计算软件按照实际尺寸搭建仿真模型。
(4)计算方法:
1)仿真中使用位于保护装置中轴线中心的圆形热源模型模拟高压电缆接头绝缘击穿产生的短路电弧爆源。
2)在仿真过程中不断调整电弧仿真模型设定的等效热损耗,计算与相同位置处的气流压力值PS。
3)与压力冲击波测量装置同一位置的压力PM对比,当得到相同位置处的压力冲击波仿真结果PS和实际爆炸波能测试结果PM一致时,选取仿真计算中的等效热源的能量作为短路电弧产生的总的爆炸波能。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解,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是本发明发明内容的试验接线方法示意图;
图2时本发明优选实施例的引弧爆炸试验现场布置图;
图3是本发明优选实施例的高压电缆接头保护装置爆后实物图;
图4是本发明优选实施例的试验实测冲击超压波形图。
图中各标号表示:
1、试验电源(12kV/50kA);2、泄能孔;3、铜壳;4、引弧铜线;5、电缆线芯;6、保护装置;7、绝缘材料;8、220kV电缆接头铝镁合金保护装置;9、测量探头1;10、测量探头2;11、测量探头3;12、监测口;13、泄能孔;14、220kV电缆接头保护装置本体(爆炸后)。
具体实施方式
以下对本发明的实施例进行详细说明,但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
本实施例提出的方法,系将在220kV高压电缆接头外部加装带泄能孔的保护装置,进行人工短路引弧试验,测量从保护装置泄能孔溢出的爆炸波能,通过有限元仿真计算,推算出高压电缆接头短路电弧产生的爆炸波能。该方法执行时具体步骤如下:
1、从高压电缆接头的防爆保护装置泄能孔溢出的爆炸波能的测量(试验测量):
(1)试验电源:按GB/T3906-2006《3.6kV~40.5kV交流金属封闭开关设备和控制设备中内部电弧试验》的相关规定,试验电源装置选择额定电压12kV、额定电流为50kA。对220kV电压等级,从发生接地短路故障到继电保护装置使断路器跳开所需要的时间在130ms以内。由于冲击大电流持续时间不少于继电保护装置动作时间,为了更加严苛的对实际220kV高压电缆接头电弧爆炸进行模拟,试验中设定短路持续时间为t=200ms,以模拟现场中的高压电缆接头短路故障。
(2)试验前准备工作:
1)接线方法:试验电源的高压端接电缆线芯,接头铜壳引出段接地。在高压电缆接头内部进行人工短路引弧处理,即在接头中间线芯压接管与铜壳之间用一根0.5mm铜线短接。
2)被试品:加装带泄能孔保护装置的220kV高压电缆接头。220kV高压电缆接头保护装置采用5系铝镁合金材料,其中泄能孔开口直径为16cm,装置壁厚为8mm。保护装置内置截面为2500m2的220kV电缆及成套电缆接头装置。
(3)试验测量装置:针对电弧爆炸产生的自由场冲击波的测量选择为TP-RSB05P型自由场冲击波压力传感器和数据采集仪DH5960。试验需布置了多个距泄能孔不同距离的冲击波超压测量探头1、2、3,距离防爆保护装置泄能孔的距离分别为L1=1.286m、L2=1.686m、L3=2.186m。引弧爆炸试验现场布置参见图2。
(4)测量方法:进行高压电缆接头短路燃弧试验,经过电弧爆炸波能测试后的试验现象参见图3。依据现场观察到的试验现象,在电弧爆炸过程中,保护装置外壳完好,泄能孔外覆盖的薄膜被冲开,说明爆炸产生的冲击波能仅通过泄能孔排出。由于电弧产生过程中的电磁干扰,冲击波超压测量探头1、2均被损坏,仅探头3测得了有效数据。通过对超声波探头测量波形数据的提取,得到距泄能孔L3=2.186m处,超声波探头测量得到的超声波压力值PM=0.252Mpa。实测冲击波超压波形图参见图4。
2、通过有限元计算,推算高压电缆接头短路电弧爆炸波能(仿真计算);
(1)多物理场耦合方式:电弧产生会引起温度升高,温升会导致电弧通道的膨胀,致使气体的速度与压强发生改变,气体速度等数据的改变会使传热相关的参数发生进一步变化,最终影响温度场的分布,因此仿真过程中的多物理场耦合方式选择为选择热-流场耦合。
(2)多物理场耦合方程及边界条件:热-流场耦合方程及边界条件。
1)温度场控制方程及边界条件
根据傅里叶传热定律和能量守恒定律,描述温度场控制方程为
(1)式中:k为导热系数;ρ为材料密度;Cρ为常压热容;Q为热源。温度场所采用的边界条件是最外层设置为物体表面与周围环境进行的对流交换系数,泄能孔设置为开边界。
2)流体场(空气)控制方程及边界条件
(2)、(3)式中,ρ为材料密度;u为流体速度;p为压强;i为单位向量;F为体积力;T为温度。流体场所采用的边界条件是设置泄能孔的边界条件为出口,其他边界设置为壁。
温度-流体的多物理场耦合方式设置为非等温流动,耦合接口分别为流体传热和层流。
(3)仿真模型:参考被试品的真实几何尺寸和材料参数及超声波探头的实际位置(即距离泄能孔L3=2.186m处),通过有限元计算软件按照实际尺寸搭建二维化仿真模型。
(4)计算方法:(a)仿真中使用位于保护装置中轴线中心的半径为4.4mm的圆形热源模型模拟220kV高压电缆接头绝缘击穿产生的短路电弧爆源。(b)在仿真过程中不断调整电弧仿真模型设定的等效热损耗,计算与超声波探头相同位置处的气流压力值PS;(c)与压力冲击波测量装置同一位置的压力PM一致时,选取仿真计算中的等效热源的能量作为短路电弧产生的总的爆炸波能。此时,等效热源的能量为4.5×105J。
综上,可估算出220kV高压电缆接头短路电弧产生的爆炸波能为4.5×105J。
以上所述仅为发明的优选实例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种高压电缆接头短路电弧爆炸波能的测量和估算方法,其特征在于,包括:在高压电缆接头外部加装带泄能孔的防爆保护装置,进行人工短路引弧试验,测量从保护装置泄能孔溢出的爆炸波能;
通过有限元仿真计算,估算出高压电缆接头短路电弧产生的爆炸波能,仿真过程中的多物理场耦合方式选择为热-流场耦合,热-流场耦合方程及边界条件如下:
1)温度场控制方程及边界条件:
根据傅里叶传热定律和能量守恒定律,描述温度场控制方程为:
(1)式中:k为导热系数;ρ为材料密度;Cρ为常压热容;Q为热源;温度场所采用的边界条件是最外层设置为物体表面与周围环境进行的对流交换系数,泄能孔设置为开放边界;
2)流体场控制方程及边界条件:
(2)、(3)式中,ρ为材料密度;u为流体速度;p为压强;i为单位向量;F为体积力;T为温度;流体场所采用的边界条件是设置泄能孔的边界条件为出口,其他边界设置为壁;
温度-流体的多物理场耦合方式设置为非等温流动,耦合接口分别为流体传热和层流。
2.根据权利要求1所述的高压电缆接头短路电弧爆炸波能的测量和估算方法,其特征在于,测量从保护装置泄能孔溢出的爆炸波能时,选择规程规定的12kV/50kA冲击大电流发生器进行试验,冲击大电流持续时间不少于保护装置的动作时间,以模拟现场中的高压电缆接头短路故障。
3.根据权利要求2所述的高压电缆接头短路电弧爆炸波能的测量和估算方法,其特征在于,测量从保护装置泄能孔溢出的爆炸波能时,试验前需要对电缆接头和保护装置进行人工短接处理。
4.根据权利要求1所述的高压电缆接头短路电弧爆炸波能的测量和估算方法,其特征在于,测量从保护装置泄能孔溢出的爆炸波能时,针对电弧爆炸产生的自由场冲击波的测量,选择为自由场冲击波压力传感器和数据采集仪;试验需布置多个距泄能孔不同距离的冲击波超压测量探头,分别记录各个探头的位置及距离防爆保护装置泄能孔的距离。
5.根据权利要求1所述的高压电缆接头短路电弧爆炸波能的测量和估算方法,其特征在于,测量从保护装置泄能孔溢出的爆炸波能时,进行高压电缆接头短路燃弧试验,对从泄能孔溢出的爆炸波能进行测量,选取测量结果最优的冲击波超压探头数据作为爆炸过程进行仿真计算的依据,所述冲击波超压探头数据为距离泄能孔一定距离下的气体冲击压力值;通过对超声波探头测量波形数据的提取,得到距泄能孔一定距离L下,超声波探头测量得到的超声波压力值PM。
6.根据权利要求1所述的高压电缆接头短路电弧爆炸波能的测量和估算方法,其特征在于,通过有限元计算,估算高压电缆接头短路电弧产生的爆炸波能的过程中,仿真模型根据被试品的真实几何尺寸和材料参数及超声波探头的实际位置,通过有限元计算软件按照实际尺寸搭建仿真模型。
7.根据权利要求6所述的高压电缆接头短路电弧爆炸波能的测量和估算方法,其特征在于,通过有限元计算,估算高压电缆接头短路电弧产生的爆炸波能的过程中:
1)仿真中使用位于装置中轴线中心的圆形热源模型模拟高压电缆接头绝缘击穿产生的短路电弧爆源;
2)在仿真过程中不断调整电弧模型设定的等效热损耗,计算与超声波探头相同位置处的气流压力值PS;
3)与压力冲击波测量装置同一位置的压力PM值对比,当得到相同位置处的压力冲击波仿真结果PS和实际爆炸波能测试结果PM一致时,选取仿真计算中的等效热源的能量作为短路电弧产生的总的爆炸波能。
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