CN112115653A - 一种开关柜泄压通道泄压效率计算方法 - Google Patents
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Abstract
一种开关柜泄压通道泄压效率计算方法，根据实际开关柜结构参数，建立开关柜三维模型；利用计算流体动力学方法，对开关柜内部短路燃弧时隔室的压力升进行计算，获得泄压盖封闭条件下，各隔室内部压力升随时间的变化规律，提取柜门和泄压盖在垂直方向所受压力的大小；根据开关柜泄压盖结构，建立泄压盖有限元应力场计算模型；根据泄压盖材料参数，采用瞬态动力学进行分析，计算泄压盖在压力载荷作用下的动力学响应。计算泄压盖开启条件下，柜门垂直方向的受力随时间的变化规律，并根据封闭条件下柜门的受力情况，计算泄压通道的泄压效率。本发明方法可对开关柜内部发生短路爆炸时泄压通道的泄压效率进行定量分析。
Description
技术领域
本发明涉及开关柜泄压技术领域，具体涉及一种开关柜泄压通道泄压效率计算方法。
背景技术
高压开关柜作为电力系统中重要的控制和保护设备，其安全稳定运行对供电的安全性和可靠性至关重要，而时有发生的内部短路爆炸事故严重威胁设备、建筑物和工作人员的安全。开关柜泄压通道作为重要的泄压装置，顶部一般安装有泄压盖，其一端由金属螺栓固定，另一端由尼龙螺栓固定，当内部发现短路爆炸事故时，顶部的泄压盖在过压力作用下尼龙螺栓断裂，泄压盖开启释放高温高压气体，从而保护开关柜柜体免遭破坏。目前，对开关柜泄压通道泄压效果的评估主要通过隔室内部压力大小的变化进行定性分析，缺乏有效的评估方法。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种开关柜泄压通道泄压效率计算方法，从而可对开关柜内部发生短路爆炸时泄压通道的泄压效率进行定量分析。
本发明采取的技术方案为：
一种开关柜泄压通道泄压效率计算方法，包括以下步骤：
步骤一：根据实际开关柜结构参数，建立开关柜三维模型；
步骤二：利用计算流体动力学方法，对开关柜内部短路燃弧时隔室的压力升进行计算，获得泄压盖封闭条件下，各隔室内部压力升随时间的变化规律，提取柜门和泄压盖在垂直方向所受压力的大小；
步骤三：根据开关柜泄压盖结构，建立泄压盖有限元应力场计算模型；
步骤四：根据泄压盖材料参数，采用瞬态动力学进行分析，计算泄压盖在压力载荷作用下的动力学响应。
步骤五：计算泄压开启条件下，柜门垂直方向的受力随时间的变化规律，并根据封闭条件下柜门的受力情况，计算泄压通道的泄压效率。
本发明一种开关柜泄压通道泄压效率计算方法，通过计算开关柜内部短路爆炸时的压力升和泄压盖的开启时刻，对比泄压盖闭合和开启时柜门所受冲量的大小，来评估泄压通道的泄压效率，弥补现有定性分析的不足。
附图说明
图1为本发明计算方法流程图。
图2为本发明泄压盖开启时刻计算方法流程图。
图3(1)为电缆室三维模型图(立体图)；其中：a为短路故障点。
图3(2)为电缆室三维模型图(正视图)；其中：b为柜门。
图4为电弧功率和能量随时间的变化曲线图；
其中：m表示电弧功率，n表示能量。
图5(1)为2个泄压盖垂直方向所受压力随时间的变化规律图；
图5(2)为柜门垂直方向所受压力随时间的变化规律图。
图6(1)为泄压盖计算模型图；
图6(2)为泄压盖有限元模型图。
图7为尼龙螺栓轴向拉力的变化规律图；
其中：P1表示达到尼龙螺栓②的断裂强度。
图8为泄压盖不同开启数量时柜门垂直方向所受压力曲线图；
其中：P2表示开启时刻7.4ms。
具体实施方式
一种开关柜泄压通道泄压效率计算方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤一：根据实际开关柜结构参数，如电缆室、断路器室、母线室等，建立开关柜三维模型。
步骤二：利用计算流体动力学方法，对开关柜内部短路燃弧时隔室的压力升进行计算，获得泄压盖封闭条件下，各隔室内部压力升随时间的变化规律，提取柜门和泄压盖在垂直方向所受压力的大小。
开关柜内部短路爆炸压力升采用ANSYS CFX工具进行计算，同时，泄压盖开启后，柜门形变一般较小，由于柜门形变引起隔室内部压力升的改变较小，因此，忽略柜体形变对压力升的影响。
步骤三：根据开关柜泄压盖结构，建立泄压盖有限元应力场计算模型。
在泄压盖有限元应力场计算模型时，约束螺栓与泄压盖压接面的自由度，考虑到计算时主要提取螺栓的轴向拉力，而该轴向拉力和螺栓与泄压盖压接面的轴向拉力相等，因此，为了简化计算，可不考虑材质为低碳钢Q235螺栓本身的动力学过程，仅计算螺栓与泄压盖压接面的轴向拉力，即可获得螺栓的轴向拉力大小。
通常情况下，泄压盖开启时间较短，仅15ms左右，使得螺栓断裂泄压盖开启之前，开关柜隔室顶部的位移较小，可忽略不计，而螺栓与泄压盖均固定在柜体顶部，因此，材质为低碳钢Q235螺栓与泄压盖压接部位的位移忽略不计。
将螺栓(材质为低碳钢Q235)所受轴向拉力等效为螺栓(材质为低碳钢Q235)与泄压盖压接面的拉力。
步骤四：根据泄压盖材料参数，采用瞬态动力学进行分析，计算泄压盖在压力载荷作用下的动力学响应，具体流程如图2所示:
4.1将泄压盖垂直方向所受压力作为输入载荷，t＝t0时刻，利用ANSYS计算泄压盖的应力场；
4.2提取螺栓与泄压盖压接表面的轴向拉力F，判断F与尼龙螺栓的临界断裂拉力F临界的大小；
4.3若F≥F临界，则停止计算，输出此时泄压盖所受的压力大小，获得泄压盖的开启力和开启时刻；
4.4若F＜F临界，则令t＝t0+Δt，施加压力载荷继续迭代计算，直至满足F≥F临界时，计算结束，获得泄压盖的开启力和开启时刻。
步骤四中，泄压盖的材质为Q235低碳钢，并使用双线性等向强化模型来模拟材料的非线性特性。由于低碳钢属于非线性材料，达到屈服强度以后应力和应变之间的比例系数不再为弹性模量，因此，使用双线性等向强化模型来模拟材料的非线性特性，通过两个直线段来模拟弹塑性材料的本构关系，即认为材料在屈服之前应力和应变以弹性模量成比例变化，达到屈服强度以后，按比弹性模量小的另一个模量(切线模量)变化。
步骤五：计算泄压开启条件下，柜门垂直方向的受力随时间的变化规律，并根据封闭条件下柜门的受力情况，计算泄压通道的泄压效率，具体方法如下：
Io和Icˊ分别为泄压盖开启和封闭条件下柜门/隔板所受的冲量；Fo和Fcˊ分别为泄压盖开启和封闭条件下柜门/隔板垂直方向所受合力；t0为泄压盖的开启时刻，t为作用时间，其中，ζ越大，说明泄压通道的泄压效果越好。
泄压盖封闭和开启条件下，柜门/隔板垂直方向的受力采用步骤二的方法获得。
柜门/隔板的受力采用步骤二的方法获得，即，利用计算流体动力学方法，对开关柜内部短路燃弧时隔室的压力升进行计算，获得柜门/隔板压力升随时间的变化规律，通过压力升乘以柜门/隔板的表面积得到其垂直方向的受力。
具体算例：
为了对开关柜内部发生短路爆炸时泄压通道的泄压效率进行定量计算，提出一种开关柜泄压通道泄压效率计算方法，以开关柜中电缆室为例，计算包括以下步骤：
(1)：首先根据开关柜结构，建立电缆室三维模型，如图3(1)、图3(2)所示，其顶部含有2个泄压盖，泄压口面积约为960.96cm2，整个柜体为全封闭结构。
(2)：针对建立的图3(1)、图3(2)所示开关柜电缆室计算模型，利用ANSYS CFX对隔室内部发生三相短路爆炸时的压力升进行计算，并提取泄压盖和柜门垂直方向所受的压力大小。
电缆室三相短路故障部位为母线出线位置，如图3(1)所示a处位置，电弧功率和能量随时间的变化曲线如图4所示，将电弧功率作为输入条件，在ANSYS CFX中对泄压盖封闭条件下，隔室中的压力升进行计算，且忽略柜门形变对压力升的影响，得到2个泄压盖和柜门垂直方向的受力随时间的变化规律如图5(1)、图5(2)所示。
(3)：根据开关柜泄压盖结构，建立泄压盖有限元应力场计算模型。
泄压盖材质为Q235低碳钢，厚度为1mm，每个泄压盖采用3个M6×1的低强度尼龙螺栓，5个金属螺栓固定，为简化计算，不考虑螺栓本身的动力学过程，泄压盖开启之前，螺栓与泄压盖压接部位的位移忽略不计，将螺栓所受轴向拉力等效为螺栓与泄压盖压接面的拉力，其计算模型如图6(1)、图6(2)所示；其中，①-③号螺栓与泄压盖压接环面为尼龙螺栓，④-⑧号螺栓与泄压盖压接环面为金属螺栓。
(4)：基于瞬态动力学，采用ANSYS对泄压盖的应力场进行计算，在泄压盖竖直方向加载计算获得的泄压盖动态压力载荷，如图5(1)所示。进行迭代计算，获得尼龙螺栓①-③的轴向拉力随时间的变化状况，判断是否达到尼龙螺栓的断裂拉力1.8kN，具体结果如图7所示。
由图7可知，当燃弧至7.4ms左右时，尼龙螺栓②断裂，其后尼龙螺栓①、③随之断裂，即可认为泄压盖开启，得到泄压盖的开启力为12.94kN，开启时刻为7.4ms。
(5)：计算泄压盖开启条件柜门的受力，具体如图8所示。可知，燃弧至20ms，当一个泄压盖开启时，柜门的最大压力由346kN降为207kN，约降低了40％。而当两个泄压盖均开启时，柜门所受压力降为32kN。
(6)计算泄压通道的泄压效率，得到开启一个泄压盖和开启两个泄压盖时，泄压通道对应的泄压效率分别为0.24和0.56，泄压效率提高了1.3倍；因此，当泄压盖均能正常开启时，泄压效率较高，柜门在短路爆炸引起的超压作用下，不会发生破坏。
Claims (7)
1.一种开关柜泄压通道泄压效率计算方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一：根据实际开关柜结构参数，建立开关柜三维模型；
步骤二：利用计算流体动力学方法，对开关柜内部短路燃弧时隔室的压力升进行计算，获得泄压盖封闭条件下，各隔室内部压力升随时间的变化规律，提取柜门和泄压盖在垂直方向所受压力的大小；
步骤三：根据开关柜泄压盖结构，建立泄压盖有限元应力场计算模型；
步骤四：根据泄压盖材料参数，采用瞬态动力学进行分析，计算泄压盖在压力载荷作用下的动力学响应；
步骤五：计算泄压开启条件下，柜门垂直方向的受力随时间的变化规律，并根据封闭条件下柜门的受力情况，计算泄压通道的泄压效率。
2.根据权利要求1所述一种开关柜泄压通道泄压效率计算方法，其特征在于：所述步骤二中，开关柜内部短路爆炸压力升采用ANSYS CFX工具进行计算，且忽略柜体形变对压力升的影响。
3.根据权利要求1所述一种开关柜泄压通道泄压效率计算方法，其特征在于：所述步骤三中，在泄压盖有限元应力场计算模型时，为了简化计算，可不考虑螺栓本身的动力学过程，泄压盖开启之前，螺栓与泄压盖压接部位的位移忽略不计，将螺栓所受轴向拉力等效为螺栓与泄压盖压接面的拉力。
4.根据权利要求1所述一种开关柜泄压通道泄压效率计算方法，其特征在于：所述步骤四包括以下步骤：
4.1将泄压盖垂直方向所受压力作为输入载荷，t＝t0时刻，利用ANSYS计算泄压盖的应力场；
4.2提取螺栓与泄压盖压接表面的轴向拉力F，判断F与尼龙螺栓的临界断裂拉力F临界的大小；
4.3若F≥F临界，则停止计算，输出此时泄压盖所受的压力大小，获得泄压盖的开启力和开启时刻；
4.4若F＜F临界，则令t＝t0+Δt，施加压力载荷继续迭代计算，直至满足F≥F临界时，计算结束，获得泄压盖的开启力和开启时刻。
5.根据权利要求1或4所述一种开关柜泄压通道泄压效率计算方法，其特征在于：所述步骤四中，泄压盖的材质为Q235低碳钢，并使用双线性等向强化模型来模拟材料的非线性特性。
6.根据权利要求1所述一种开关柜泄压通道泄压效率计算方法，其特征在于：所涉步骤五中，泄压通道的泄压效率，具体方法如下：
Io和Icˊ分别为泄压盖开启和封闭条件下柜门/隔板所受的冲量；Fo和Fcˊ分别为泄压盖开启和封闭条件下柜门/隔板垂直方向所受合力；t0为泄压盖的开启时刻，t为作用时间，其中ζ越大，说明泄压通道的泄压效果越好。
7.根据权利要求1或6所述一种开关柜泄压通道泄压效率计算方法，其特征在于：所涉步骤五中，泄压盖封闭和开启条件下，柜门/隔板垂直方向的受力采用步骤二的方法获得。
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| CN108197406A (zh) * | 2018-01-25 | 2018-06-22 | 北京石油化工学院 | 一种室内天然气爆炸强度的评估方法 |
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|---|
| 朱东升;: "开关设备内部电弧故障的分析及应用", 电工电气, no. 9, pages 32 - 34 * |
| 顾志旭等: "应力释放罩对固体发动机药柱结构完整性的影响", 固体火箭技术, vol. 37, no. 1, pages 57 - 62 * |
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