CN112214939B - 一种基于正交试验设计的开关柜加热器安装方式优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于正交试验设计的开关柜加热器安装方式优化方法，包括以下步骤：1、选取可以控制和调节的优化开关柜加热器安装方式的主因素作为正交试验的因素，同时确定水平，选择合适的正交表后进行表头设计，将试验中所需要的因素安排到正交表各列中；2、在确定好正交表的基础上，确定试验方案；3、将得到的各试验因素和水平逐一带入到建立的开关柜模型中，计算得到柜内最大相对湿度，同时计算加热器表面的最大场强，建立目标函数Y作为控制条件；4、以Y取最小值对应的影响因素组合为加热器最优的安装方式。该方法可以高效、准确、全面地得到开关柜加热器最优安装方式的影响因素组合，进而得到开关柜加热器最优的安装方式。
Description
技术领域
本发明属于电力开关柜技术领域，具体涉及一种基于正交试验设计的开关柜加热器安装方式优化方法。
背景技术
开关柜是电力系统非常重要的电气设备，作为电力系统中连接电网的核心元件，其是否能够安全稳定的运行在一定程度上影响着电网的可靠性。开关柜凝露现象是开关柜存在安全隐患的一种表现，近年来，由凝露现象造成的开关柜设备安全事故已多次发生在我国的不同地区，严重威胁着电气开关柜设备的安全运行。尤其在高温高湿或低温高湿等情况下，凝露现象极易产生。开展开关柜凝露的防治，对改善开关柜内部环境，提高电网供电的可靠性与供电质量，解决由凝露引起的开关柜安全事故问题具有重要意义。
由于开关柜内部结构复杂，环境湿度大，各隔室之间密封处理，柜内水汽难以有效排除，常常会凝结出水珠覆盖在绝缘材料表面，产生凝露，使电气绝缘性能下降，引发设备绝缘闪络和腐蚀零件，进而造成绝缘击穿和短路燃烧事故。目前，一般开关柜采用加热器烘烤的方法给开关柜除湿，且少数只对开关柜加热器的位置进行了仿真研究。然而只对加热器的位置进行研究没有综合考虑加热器放入开关柜后对其他方面的影响，例如开关柜内的电场强度，安装后的加热器可能会造成柜内电场畸变。还有可能存在加热除湿效果不佳的情况，这就需要多台加热器不同位置进行除湿。因此，除了考虑加热器的安装位置外，也需要对加热器的数量、功率大小、外界相对湿度等因素加以考虑，使开关柜加热器的安装方式达到最优。目前尚无该方面的技术报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于正交试验设计的开关柜加热器安装方式优化方法，该方法可以高效、准确、全面地得到开关柜加热器最优安装方式的影响因素组合，进而得到开关柜加热器最优的安装方式。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于正交试验设计的开关柜加热器安装方式优化方法，包括以下步骤：
步骤1：选取可以控制和调节的优化开关柜加热器安装方式的主因素作为正交试验的因素，同时确定水平，选择合适的正交表后进行表头设计，将试验中所需要的因素安排到正交表各列中；
步骤2：在确定好正交表的基础上，确定试验方案；
步骤3：将得到的各试验因素和水平逐一带入到建立的开关柜模型中，计算得到柜内最大相对湿度，同时计算加热器表面的最大场强，建立目标函数Y作为控制条件；
步骤4：以Y取最小值对应的影响因素组合为加热器最优的安装方式。
进一步地，所述开关柜加热器为通过电阻通电发热的方式对开关柜进行柜内除湿的装置。
进一步地，所述步骤1中，所述因素包括：开关柜加热器的安装面、位置、数量、功率和外界相对湿度。
进一步地，所述步骤1中，各因素的水平分别为：
开关柜加热器的安装面：底部、左侧、右侧；
开关柜加热器的位置：上部、中部、下部；
开关柜加热器的数量：1、2、3；
开关柜加热器的功率：50W、100W、150W；
外界相对湿度：75%、85%、95%。
进一步地，所述步骤1中，所述合适的正交表为既能安排下试验的全部因素，又能使部分水平组合数尽可能减少，通过选取的因素、水平和评价指标的选择来确定正交表。
进一步地，所述步骤1中，所述表头的设计方法为：各因素随机排列，不考虑各因素之间的交互作用。
进一步地，所述步骤2中，所述确定试验方案是指将选取正交表的每列中的每个水平数字换成相应因素的实际水平值，即得到试验的具体方案。
进一步地，所述步骤3中，采用流体力学计算软件建立开关柜模型，将各组合的试验因素的真实水平带入到已经建立好的开关柜模型中，计算柜内最大相对湿度和加热器表面的最大场强。
进一步地，所述步骤3中，所述目标函数Y=0.7X1+0.2X2+0.1X3，其也为开关柜加热器安装方式最优的评价指标，其中，X1=柜内最大相对湿度/外界相对湿度，X2=加热器表面最大场强/(30kV/cm)，X3=加热器数量*功率/1000W。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明采用正交试验设计试验方案，可用部分试验来代替全部试验，通过对部分试验的结果进行分析，了解全面试验的情况。本方法综合了多种影响开关柜加热器安装方式的因素，避免了单一因素造成的试验结果片面，优化不彻底。且在结果分析处理过程中，虽然采用的正交实验设计，但是不需要进行极差分析和方差分析，更加方便、速度和高效，通过对比法就可得到想要的指标，而指标所对应的影响因素组合即为加热器的最佳安装方式，从而可以高效、准确、全面地得到开关柜加热器最优的安装方式。因此，本发明具有很强的实用性和广阔的应用前景。
附图说明
图1是本发明实施例的方法实现流程图。
图2是本发明实施例中10kV开关柜仿真建模图。
图3是本发明实施例中对加热器的安装位置、大小、功率等五个因素进行正交试验表设计结果。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
参见图1，本发明提供了一种基于正交试验设计的开关柜加热器安装方式优化方法，包括以下步骤：
步骤1：选取可以控制和调节的优化开关柜加热器安装方式的主因素作为正交试验的因素，同时确定水平，选择合适的正交表后进行表头设计，将试验中所需要的因素安排到正交表各列中。
其中，所述开关柜加热器是指为防止开关柜柜内发生凝露，通过电阻通电发热的方式为开关柜进行柜内除湿的装置，一般功率大小为50W、100W和150W。所述正交试验设计是指利用正交表来安排与分析多因素试验的一种设计方法，挑选部分有代表性的水平组合来进行试验，通过对这部分试验结果的分析了解全面试验的情况，找出最优组合。
在本实施例中，因素的选取要有一定的依据性，就是在选取的因素发生变化时，所要生成的指标也要发生变化，正交试验法适用于实验中能人为加以控制和调节的因素。所述合适正交表为要能安排下试验的全部因素，又要使部分水平组合数尽可能减少，通过选取的因素、水平和指标的选择来确定正交表。一般正确的选择是先看水平，然后看主因素，进而进行表头设计，其方法为各因素随机排列，不考虑各因素之间的交互作用。
由于开关柜内系统复杂，隔室较多，可以根据选定隔室所处的正常环境来确定因素和水平，包括：开关柜加热器的安装面（底部、左侧、右侧）、位置（上部、中部、下部）、数量（1、2、3）、功率（50W、100W、150W）、外界相对湿度（75%、85%、95%）。
根据正交表的设计原则和确定的因素与水平，正交表可以采用SPSS或Minitab软件进行设计。本实施例选择了SPSS软件，因为SPSS软件在处理因素交互作用和后处理分析功能比较完善，生成的正交表一共有18种试验方案，采用的L18(37)，L代表正交，18代表试验次数，3代表水平数，7代表最多可以输入的因素数为7。
步骤2：在确定好正交表的基础上，确定试验方案，保证方案分配平均、有效。
其中，所述确定实验方案是指将选取正交表中每列中的每个水平数字换成该因素的实际水平值，即得到试验的具体方案。如功率（50W、100W和150W）的三个量级，填写到已经确定正交表去。
步骤3：将得到的各试验因素和水平逐一带入到建立的开关柜模型中，计算得到柜内最大相对湿度，同时计算加热器表面的最大场强，建立目标函数Y作为控制条件。
其中，构建的目标函数为：
Y=0.7X1+0.2X2+0.1X3
其也是评价开关柜加热器安装方式优化的评价指标。其中，X1=柜内最大相对湿度/外界相对湿度，X2=加热器表面最大场强/(30kV/cm)，X3=加热器数量*功率/1000W（每小时多少耗费多少度电）。在目标函数中，加热器表面的最大场强和柜内最大相对湿度是未知量，可通过软件对建立的开关柜模型进行测量，本实施例中采用流体力学计算软件（EFD软件）建立开关柜模型，将各组合的试验因素的真实水平带入到已经建立好的开关柜模型中，计算柜内最大相对湿度和加热器表面的最大场强（单位：kV/cm）。
步骤4：对计算得到的控制条件结合试验目的进行分析，确定Y取最小值对应的影响因素组合即为加热器最优的安装方式。
采用控制条件Y作为评估指标来评价开关柜加热器安装方式优化。以正交表各因素水平组合计算的加热器表面的最大电场强度和柜内最大的相对湿度作为输入，运行控制函数，输出结果Y。运用对比法，Y越小，即所对应的影响因素组合为加热器最优的安装方式。
下面以2020年XX省XX市10kV高压开关柜为例，进一步说明本发明的实施效果。
1）获取XX省XX市10 kV高压开关柜材料尺寸数据，在流体力学软件中建立仿真模型，如图2所示，由于电缆室内湿度较大，所以重点对电缆室进行加热器安装方式的效果对比与分析。
2）选取影响开关柜加热器安装方式的因素，确定水平，根据正交制定原则来制定正交表，如表1所示。
3）以正交表各试验因素水平组合为输入，带入建立开关柜电缆室仿真模型进行计算，以各试验得到的柜内最大相对湿度和加热器表面的最大电场强度为输出，计算结果如图3的表1所示。
4）运行目标函数Y，将得到的各试验柜内最大相对湿度和加热器表面最大电场强度带入函数，相继得出各试验组合输出Y值，计算结果如表1所示。当Y取最小值，所对应的影响因素组合即为加热器最优的安装方式，即底部下侧安装2台100W的加热器时效果最佳，此时Y最小，Y=0.59。
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种基于正交试验设计的开关柜加热器安装方式优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：选取可控和可调的优化开关柜加热器安装方式的主因素作为正交试验的因素，同时确定水平，选择正交表后进行表头设计，将试验中所需要的因素安排到正交表各列中；
步骤2：在确定好正交表的基础上，确定试验方案；
步骤3：将得到的各试验因素和水平逐一带入到建立的开关柜模型中，计算得到柜内最大相对湿度，同时计算加热器表面的最大场强，建立目标函数Y作为控制条件；
步骤4：以Y取最小值对应的影响因素组合为加热器最优的安装方式；
所述步骤2中，所述确定试验方案是指将选取正交表的每列中的每个水平数字换成相应因素的实际水平值，即得到试验的具体方案；
所述步骤3中，所述目标函数Y=0.7X1+0.2X2+0.1X3，其也为开关柜加热器安装方式最优的评价指标，其中，X1=柜内最大相对湿度/外界相对湿度，X2=加热器表面最大场强/(30kV/cm)，X3=加热器数量*功率/1000W。
2.根据权利要求1所述的一种基于正交试验设计的开关柜加热器安装方式优化方法，其特征在于，所述开关柜加热器为通过电阻通电发热的方式对开关柜进行柜内除湿的装置。
3.根据权利要求1所述的一种基于正交试验设计的开关柜加热器安装方式优化方法，其特征在于，所述步骤1中，所述因素包括：开关柜加热器的安装面、位置、数量、功率和外界相对湿度。
4.根据权利要求3所述的一种基于正交试验设计的开关柜加热器安装方式优化方法，其特征在于，所述步骤1中，各因素的水平分别为：
开关柜加热器的安装面：底部、左侧、右侧；
开关柜加热器的位置：上部、中部、下部；
开关柜加热器的数量：1、2、3；
开关柜加热器的功率：50W、100W、150W；
外界相对湿度：75%、85%、95%。
5.根据权利要求1所述的一种基于正交试验设计的开关柜加热器安装方式优化方法，其特征在于，所述步骤1中，所述正交表为既能安排下试验的全部因素，又能使部分水平组合数减少，通过选取的因素、水平和评价指标的选择来确定正交表。
6.根据权利要求1所述的一种基于正交试验设计的开关柜加热器安装方式优化方法，其特征在于，所述步骤1中，所述表头的设计方法为：各因素随机排列，不考虑各因素之间的交互作用。
7.根据权利要求1所述的一种基于正交试验设计的开关柜加热器安装方式优化方法，其特征在于，所述步骤3中，采用流体力学计算软件建立开关柜模型，将各组合的试验因素的真实水平带入到已经建立好的开关柜模型中，计算柜内最大相对湿度和加热器表面的最大场强。
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