CN112001101A - 基于有限元的gil电-磁-热-流-力多物理场耦合仿真建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于有限元的GIL电‑磁‑热‑流‑力多物理场耦合仿真建模方法，包括：S1、以GIL设备为研究对象，进行几何建模；S2、根据GIL结构参数和气体参数，进行相应的材料设置；S3、根据所研究对象，选择对应的物理场计算模块及其耦合方式；S4、在各个物理场模块中，设置对应的模型求解边界条件；S5、根据模型尺寸和对应的物理场类型，进行网格剖分；S6、求解GIL多物理场耦合计算模型，计算各个物理场量分布。本发明能够较为准确地计算GIL运行过程中的电场、磁场、热场、流场、热膨胀位移场分布，模拟GIL实际运行过程中的电‑磁‑热‑流‑力效应，可以为设计和运维提供理论依据，对保证GIL的安全可靠运行具有重要的意义。

Description

基于有限元的GIL电-磁-热-流-力多物理场耦合仿真建模 方法

技术领域

本发明涉及电力技术领域，具体涉及一种基于有限元的GIL电-磁-热-流-力多物理场耦合仿真建模方法。

背景技术

气体绝缘输电线路(Gas Insulated Transmis-sion Line,GIL)是一种金属外壳和导体同轴封闭、采用压缩气体(SF6气体或SF6混合气体或压缩空气)绝缘的电能传输设备。随着我国大批水电站建设、输电线江河跨越和城市地下综合管廊建设的开展，GIL因其传输容量大、单位损耗低、受环境影响小、寿命长、运行维护方便和可靠性高等优点得到了越来越多的应用。准确计算GIL运行时涉及的多物理场及其特性，可以为设计和运维提供理论依据，对保证GIL的安全可靠运行具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于有限元的GIL电-磁-热-流-力多物理场耦合仿真建模方法，准确计算GIL运行时涉及的多物理场及其特性，可以模拟GIL的实际运行状况，为GIL设备的设计和运行维护提供理论依据，对保证GIL的安全可靠运行具有重要的意义。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种基于有限元的GIL电-磁-热-流-力多物理场耦合仿真建模方法，包括如下步骤：

S1、以直线GIL单元为研究对象，对GIL本体元件、SF6绝缘气体、外部空气区域进行几何建模；

S2、根据GIL结构参数和气体参数，进行相应的材料设置；

S3、根据所研究对象，选择对应的物理场计算模块及其耦合方式；

S4、在各个物理场模块中，设置对应的模型求解边界条件；

S5、根据模型尺寸和对应的物理场类型，进行网格剖分；

S6、求解GIL多物理场耦合计算模型，计算各个物理场量分布。

本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述的计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述的计算机程序被处理器执行时实现上述建模方法的步骤。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

(1)利用有限元仿真方法模拟GIL的实际运行状况，计算GIL的电磁场分布、温度场分布，流场分布、热膨胀位移分布，相对于解析计算法具有更高的计算精度。

(2)考虑磁场和热场的强耦合关系，热场与流场的强耦合关系，将磁势、温度、气体流速、气体压强进行同步求解，相对于传统的单一物理场计算具有更高的计算精度。

(3)在仿真建模过程中考虑GIL设备外部空气域的自然对流，相对于传统采用对流换热系数等效的方法具有更高的计算精度。

附图说明

图1为本发明基于有限元的GIL电-磁-热-流-力多物理场耦合仿真建模方法流程示意图；

图2为GIL电-磁-热-流-力多物理场计算流程图；

图3为本发明实施例所研究的对象500kV GIL结构尺寸图；

图4为本发明实施例所研究的对象500kV GIL在工况I～IV的温度计算结果与实验对比；

图5为本发明实施例所研究对象500kV GIL在工况IV(SF6气体压强为0.35MPa，负荷电流为5600A，环境温度为24℃)的多物理场仿真计算结果。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，一种基于有限元的GIL电-磁-热-流-力多物理场耦合仿真建模方法，包括以下步骤：

S1、以直线GIL单元为研究对象，对GIL本体元件、SF6绝缘气体、外部空气区域进行几何建模；

S2、根据GIL结构参数和气体参数，进行相应的材料设置；

S3、根据所研究对象，选择对应的物理场计算模块及其耦合方式；

S4、在各个物理场模块中，设置对应的模型求解边界条件；

S5、根据模型尺寸和对应的物理场类型，进行网格剖分；

S6、求解GIL多物理场耦合计算模型，计算各个物理场量分布。

更具体地，在步骤S1中，建立的几何模型区域包括导体、绝缘气体、盆式绝缘子、外壳、外部空气区域，其中外部空气域为圆柱体。

更具体地，在步骤S2中，导体、绝缘气体、盆式绝缘子、外壳对应的材料分别为铝合金A5005-0、SF₆、环氧树脂、铝合金A6063-T5。

更具体地，在步骤S3中，所选择的物理场计算模块包含：静电、磁场、固体传热、层流、固体力学，对应的多物理场耦合接口包含：电磁热、非等温流动、温度耦合、热膨胀。

更具体地，在步骤S4中，模型求解的边界条件为：静电场中设置导体表面高电位，外壳接地为零电位；磁场中设置导体负荷电流；热场中设置GIL各元件表面为热辐射边界，外部空气域足够远处温度为环境温度；层流场中设置各元件表面为壁面，并添加重力条件。

更具体地，在步骤S5中，对导体、绝缘气体、盆式绝缘子、外壳采用扫掠的方式剖分，对外部空气域采用自由四面体网格剖分，在各壁面设置边界层网格。

更具体地，如图2所示，步骤S6包括以下步骤：

S61、独立求解GIL静电场，根据所设的静电场边界条件，求解变量为电势，并进一步求解电场分布，电场控制方程如下：

式中，

为拉普拉斯算子；φ为电位；ρ_s为电荷密度；ε为介电常数；Ω₁为有源电荷分布区域；Ω₂为无源电荷分布区域。

S62、联合求解GIL磁-热-流场，根据所设的磁场、固体传热、层流边界条件，求解变量为矢量磁势、温度、流速和压力；

(1)磁场控制方程如下：

式中，A为矢量磁位；μ为磁导率；J_s为外电流密度；Ω₃为有激励源区域；Ω₄为无激励源区域；

(2)固体传热中热传导、热对流、热辐射控制方程分别如下：

式中，ρ为微元体的密度；c为比热容；λ为导热系数；Φ为单位时间内单位体积中的生成热；T为温度；t为时间；ΔT为流体与物体表面的温度差；h为物体表面的对流换热系数；q为表面热流密度；A₁为表面积；T₁为被包围物体表面温度；ε₁为物体表面辐射率；T₂为空腔物体的表面温度；σ为斯忒藩-玻尔兹曼常量；

(3)层流场中满足质量守恒、动量守恒和能量守恒，控制方程分别如下：

式中，c_p为气体定压比热容；p为流场压力；η为流体动力黏度；v为流速；F为体积力。

S63、在所求解的磁-热-流场的基础上，采用顺序耦合的方法，将温度场计算结果耦合到结构力学中，用于求解GIL轴向的热膨胀位移，求解变量为位移，结构力学控制方程如下：

式中，f_i为外力；σ为应力张量；u为位移；μ为阻尼系数；ε为应变张量；

为弹性应变分量；

为热应变分量。

更具体地，在步骤S62中：

(1)磁热和热场为强耦合关系，通过将磁场计算的电磁损耗作为热源耦合到固体传热中，并定义GIL中心导体和外壳材料电阻率与温度关系，如下式所示：

式中，J为电流密度；Q_v为单位体积电磁损耗；α为电导率的温度系数；σ_ref和T_ref分别为电导率的参考电导率和参考温度，一般取20℃时的参数；

(2)热场和层流场为强耦合关系，通过理想气体状态方程可将热场和流场耦合，气体流速、压强、温度作为因变量同时求解，理想气体状态方程中气体密度为气体压力和气体温度的函数，如下：

式中，M为气体摩尔质量，R为理想气体常数；

(3)在电磁热源的基础上，考虑流体流动区域流速变化对热传导的影响，如下式所示：

更具体地，在步骤S63中，热应变分量的计算公式如下：

ε^Th＝α_p(T-T_am)。

式中，α_p为热膨胀系数，T_am为环境温度。

下面以500kV GIL直线单元作为研究对象，验证本发明的建模方法。500kV GIL直线单元的结构如图3所示，运行工况如表1所示，温度计算结果与实验数据对比如图4所示，工况IV的多物理场计算结果如图5所示。

表1 500kV GIL运行工况

由图4可知，本申请所研究的GIL直线单元温度场仿真计算结果与GIL单元升温实验数据值基本一致，可以验证本申请计算结果的正确性。

另外，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccess Memory)等。

上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于有限元的GIL电-磁-热-流-力多物理场耦合仿真建模方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、以直线GIL单元为研究对象，对GIL本体元件、SF6绝缘气体、外部空气区域进行几何建模；

S2、根据GIL结构参数和气体参数，进行相应的材料设置；

S3、根据所研究对象，选择对应的物理场计算模块及其耦合方式；

S4、在各个物理场模块中，设置对应的模型求解边界条件；

S5、根据模型尺寸和对应的物理场类型，进行网格剖分；

S6、求解GIL多物理场耦合计算模型，计算各个物理场量分布。

2.根据权利要求1所述的基于有限元的GIL电-磁-热-流-力多物理场耦合仿真建模方法，其特征在于：在步骤S1中，建立的几何模型区域包括导体、绝缘气体、盆式绝缘子、外壳、外部空气区域，其中外部空气域为圆柱体。

3.根据权利要求2所述的基于有限元的GIL电-磁-热-流-力多物理场耦合仿真建模方法，其特征在于：在步骤S2中，导体、绝缘气体、盆式绝缘子、外壳对应的材料分别为铝合金A5005-0、SF₆、环氧树脂、铝合金A6063-T5。

4.根据权利要求2所述的基于有限元的GIL电-磁-热-流-力多物理场耦合仿真建模方法，其特征在于：在步骤S3中，所选择的物理场计算模块包含：静电、磁场、固体传热、层流、固体力学，对应的多物理场耦合接口包含：电磁热、非等温流动、温度耦合、热膨胀。

5.根据权利要求2所述的基于有限元的GIL电-磁-热-流-力多物理场耦合仿真建模方法，其特征在于：在步骤S4中，模型求解的边界条件为：静电场中设置导体表面高电位，外壳接地为零电位；磁场中设置导体负荷电流；热场中设置GIL各元件表面为热辐射边界，外部空气域足够远处温度为环境温度；层流场中设置各元件表面为壁面，并添加重力条件。

6.根据权利要求2所述的基于有限元的GIL电-磁-热-流-力多物理场耦合仿真建模方法，其特征在于：在步骤S5中，对导体、绝缘气体、盆式绝缘子、外壳采用扫掠的方式剖分，对外部空气域采用自由四面体网格剖分，在各壁面设置边界层网格。

7.根据权利要求6所述的基于有限元的GIL电-磁-热-流-力多物理场耦合仿真建模方法，其特征在于：步骤S6包括以下步骤：

S61、独立求解GIL静电场，根据所设的静电场边界条件，求解变量为电势，并进一步求解电场分布，电场控制方程如下：

式中，

为拉普拉斯算子；φ为电位；ρ_s为电荷密度；ε为介电常数；Ω₁为有源电荷分布区域；Ω₂为无源电荷分布区域；

S62、联合求解GIL磁-热-流场，根据所设的磁场、固体传热、层流边界条件，求解变量为矢量磁势、温度、流速和压力；

(1)磁场控制方程如下：

式中，A为矢量磁位；μ为磁导率；J_s为外电流密度；Ω₃为有激励源区域；Ω₄为无激励源区域；

(2)固体传热中热传导、热对流、热辐射控制方程分别如下：

式中，ρ为微元体的密度；c为比热容；λ为导热系数；Φ为单位时间内单位体积中的生成热；T为温度；t为时间；ΔT为流体与物体表面的温度差；h为物体表面的对流换热系数；q为表面热流密度；A₁为表面积；T₁为被包围物体表面温度；ε₁为物体表面辐射率；T₂为空腔物体的表面温度；σ为斯忒藩-玻尔兹曼常量；

(3)层流场中满足质量守恒、动量守恒和能量守恒，控制方程分别如下：

式中，c_p为气体定压比热容；p为流场压力；η为流体动力黏度；v为流速；F为体积力；

S63、在所求解的磁-热-流场的基础上，采用顺序耦合的方法，将温度场计算结果耦合到结构力学中，用于求解GIL轴向的热膨胀位移，求解变量为位移，结构力学控制方程如下：

式中，f_i为外力；σ为应力张量；u为位移；μ为阻尼系数；ε为应变张量；

为弹性应变分量；

为热应变分量。

8.根据权利要求7所述的基于有限元的GIL电-磁-热-流-力多物理场耦合仿真建模方法，其特征在于：在步骤S62中：

(1)磁热和热场为强耦合关系，通过将磁场计算的电磁损耗作为热源耦合到固体传热中，并定义GIL中心导体和外壳材料电阻率与温度关系，如下式所示：

式中，J为电流密度；Q_v为单位体积电磁损耗；α为电导率的温度系数；σ_ref和T_ref分别为电导率的参考电导率和参考温度；

(2)热场和流场为强耦合关系，通过理想气体状态方程可将热场和流场耦合，气体流速、压强、温度作为因变量同时求解，理想气体状态方程中气体密度为气体压力和气体温度的函数，如下：

式中，M为气体摩尔质量，R为理想气体常数；

(3)在电磁热源的基础上，考虑流体流动区域流速变化对热传导的影响，如下式所示：

9.根据权利要求7所述的基于有限元的GIL电-磁-热-流-力多物理场耦合仿真建模方法，其特征在于：在步骤S63中，热应变分量的计算公式如下：

ε^Th＝α_p(T-T_am)。

式中，α_p为热膨胀系数，T_am为环境温度。

10.一种计算机可读存储介质，所述的计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述的计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-9任一建模方法的步骤。

Images