CN112257195A - 10kV高压开关柜防爆安全设计方法 - Google Patents
10kV高压开关柜防爆安全设计方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN112257195A CN112257195A CN202011083469.8A CN202011083469A CN112257195A CN 112257195 A CN112257195 A CN 112257195A CN 202011083469 A CN202011083469 A CN 202011083469A CN 112257195 A CN112257195 A CN 112257195A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- switch cabinet
- explosion
- cabinet
- cabin
- stress
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 72
- 238000013461 design Methods 0.000 title claims abstract description 45
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims abstract description 39
- 230000008569 process Effects 0.000 claims abstract description 36
- 238000004088 simulation Methods 0.000 claims abstract description 35
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims abstract description 33
- 238000004880 explosion Methods 0.000 claims abstract description 32
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims abstract description 27
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims abstract description 25
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims abstract description 23
- 230000009471 action Effects 0.000 claims abstract description 17
- 230000008859 change Effects 0.000 claims abstract description 15
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 claims abstract description 14
- 238000009826 distribution Methods 0.000 claims abstract description 14
- 238000000926 separation method Methods 0.000 claims abstract description 6
- 238000002955 isolation Methods 0.000 claims abstract description 5
- 239000004677 Nylon Substances 0.000 claims description 32
- 229920001778 nylon Polymers 0.000 claims description 32
- 238000010891 electric arc Methods 0.000 claims description 15
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 12
- 238000012360 testing method Methods 0.000 claims description 10
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 239000010959 steel Substances 0.000 claims description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims description 4
- 238000007789 sealing Methods 0.000 claims description 4
- 239000011148 porous material Substances 0.000 claims description 3
- 208000013201 Stress fracture Diseases 0.000 claims description 2
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 10
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 5
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 4
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 3
- 208000010392 Bone Fractures Diseases 0.000 description 2
- 206010017076 Fracture Diseases 0.000 description 2
- 230000001808 coupling effect Effects 0.000 description 2
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 2
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 2
- 238000004134 energy conservation Methods 0.000 description 2
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000002265 prevention Effects 0.000 description 2
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 2
- 206010000369 Accident Diseases 0.000 description 1
- FJMNNXLGOUYVHO-UHFFFAOYSA-N aluminum zinc Chemical compound [Al].[Zn] FJMNNXLGOUYVHO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000005094 computer simulation Methods 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 238000010924 continuous production Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 210000001503 joint Anatomy 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000003014 reinforcing effect Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 230000035939 shock Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
- G06F30/10—Geometric CAD
- G06F30/17—Mechanical parametric or variational design
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
- G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
- G06F30/23—Design optimisation, verification or simulation using finite element methods [FEM] or finite difference methods [FDM]
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
- G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
- G06F30/28—Design optimisation, verification or simulation using fluid dynamics, e.g. using Navier-Stokes equations or computational fluid dynamics [CFD]
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F2113/00—Details relating to the application field
- G06F2113/08—Fluids
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F2119/00—Details relating to the type or aim of the analysis or the optimisation
- G06F2119/08—Thermal analysis or thermal optimisation
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F2119/00—Details relating to the type or aim of the analysis or the optimisation
- G06F2119/14—Force analysis or force optimisation, e.g. static or dynamic forces
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Geometry (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Evolutionary Computation (AREA)
- Mathematical Analysis (AREA)
- Pure & Applied Mathematics (AREA)
- Mathematical Optimization (AREA)
- Computational Mathematics (AREA)
- Algebra (AREA)
- Computing Systems (AREA)
- Fluid Mechanics (AREA)
- Mathematical Physics (AREA)
- Patch Boards (AREA)
Abstract
本发明公开了一种10kV高压开关柜防爆安全设计方法，该方法包括：在实际开关柜现有的防爆设计(隔离舱室分别加泄压板)的基础上，针对其内部发生短路电弧引起的爆炸冲击过程，基于温度场、流体场和位移场耦合的有限元计算方法，利用热源等效和分舱建模方式，对开关柜内部电弧冲击过程进行了仿真计算，兼顾了准确性和灵活性。得到在分隔舱室泄压板动作时刻内，柜体关键及薄弱部位压力分布随时间的变化关系，分析柜体的抵受性能，并得出开关柜关键部位(柜体厚度、柜门螺栓数量)安全设计方法，为10kV高压开关柜的安全设计提供方法指导。本发明可在现有开关柜的防爆设计基础上，进一步提升开关柜的运行安全性。
Description
技术领域
本发明涉及10kV高压开关柜防爆领域，尤其涉及一种由内部短路电弧引起的防爆安全设计方法。
背景技术
10kV开关柜以其操作方便、运行可靠等优点，迅速在电力系统中普及。然而，由于10kV开关柜的密封结构，内部短路电弧引起地爆炸、失火事故是影响其安全运行的主要问题。为降低10kV开关柜内部短路电弧造成的事故损失，GB 3906—2006和IEC 62271-2003中，均将10kV开关柜内部电弧燃弧试验列为强制性试验，检验开关柜的柜体承受内部电弧燃弧产生的爆炸冲击波的性能。生产厂家在10kV开关柜内部普遍采用分隔舱室，分别配有泄能装置，并在柜门处安装加强螺栓，以起到防爆效果。
然而，实际运行中，10kV开关柜发生爆炸失火的事故仍是有发生。据统计，仅手车柜型式的开关柜，全国每年因短路电弧烧毁就多达200多面。其中，电缆接头的电弧故障约占总事故的25％。可见，10kV开关柜内部电弧故障引发的爆炸事故仍是不可忽视的一大隐患。
针对开关设备内部短路电弧冲击过程计算，大多通过开关设备内部发生短路电弧故障引起柜内压力上升的多种简化数值计算方法，并通过现场试验与数值计算等，分析模型压力上升情况。但该方法大多针对简单的封闭容器内部短路电弧引起的爆炸压力进行研究，没有体现开关柜的实际结构，所得结果不够准确。
基于流体动力学(CFD)的仿真计算方法是近些年来尝试采用的方法，该方法采用磁流体动力学原理，建立与实际接近的电弧等离子模型，获得的压力数值精确度高，但计算量较大，对实际开关柜的应用有限。因此，有必要对实际开关柜内部短路电弧冲击过程的实用性仿真计算方法开展进一步研究，并对薄弱和关键部件的安全设计提出建议。
在实际开关柜现有的防爆设计(隔离舱室分别加泄压板)的基础上，针对其内部发生短路电弧引起的爆炸冲击过程，基于温度场、流体场和位移场耦合的有限元计算方法，利用热源等效和分舱建模方式，对开关柜内部电弧冲击过程进行了仿真计算，兼顾了准确性和灵活性。得到在分隔舱室泄压板动作时刻内，柜体关键及薄弱部位压力分布随时间的变化关系，分析柜体的抵受性能，并得出开关柜关键部位(柜体厚度、柜门螺栓数量)安全设计方法，为10kV开关柜的安全设计提供方法指导。
发明内容
本发明提供一种针对10kV高压开关柜防爆安全设计方法，用以解决10kV高压开关柜由于安全设计的理论和方法不足，在发生内部短路电弧爆炸时，造成周围人员的伤亡和设备损坏的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
在实际开关柜现有的防爆设计(隔离舱室分别加泄压板)的基础上，针对其内部发生短路电弧引起的爆炸冲击过程，基于温度场、流体场和位移场耦合的有限元计算方法，利用热源等效和分舱建模方式，对开关柜内部电弧冲击过程进行了仿真计算，兼顾了准确性和灵活性。得到在分隔舱室泄压板动作时刻内，柜体关键及薄弱部位压力分布随时间的变化关系，分析柜体的抵受性能，并得出开关柜关键部位(柜体厚度、柜门螺栓数量)安全设计方法，因而本专利提出的安全设计方法分2个步骤。
10kV高压开关柜防爆安全设计方法，包括以下步骤：
1、利用热源等效和分舱建模方式，通过多物理场耦合的有限元计算方法，得到短路电弧爆炸波能冲击下的舱室泄压板动作时刻tmax(仿真计算)：
(1)爆源等效：仿真中以各隔舱室中短路电弧实际发生位置为参考，以圆形热源模型模拟短路电弧爆源，以试验实测的电弧能量数据作为爆源的等效能量。
(2)多物理场耦合方式：开关柜内部短路电弧引起的爆炸过程是由电弧高温引起的周围气体温度升高，气体膨胀，然后通过开关柜泄能装置泄能，从物理过程分析，这一过程是由温度场、流体场、位移场相互耦合作用的结果，因此仿真过程中的多物理场耦合方式选择为热-流-固场耦合。
(3)多物理场耦合方程及边界条件：热-流-固多物理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，描述温度场的控制方程为：
式中：Q为热源；Cp为常压热容；ρ为材料密度；k为导热系数。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。
2)流体场(空气)控制方程及边界条件
电流体动力学中流体运动受惯性力、粘性力和电场力的支配，这些力影响流体的运动。
式中，ρ为材料密度；u为流体速度；p为压强；L为单位向量；F为体积力；T为温度。流场所采用的边界条件是设置边界为壁。
3)应力场(柜体)控制方程及边界条件
式中，ρ为材料密度；Fv为体积力。柜体的表面设置为壁。
4)温度-流体-位移场的耦合过程及耦合方程
温度场和位移场的耦合过程为：应力在温度的影响下发生变化，导致固体结构产生形变。而固体结构发生的形变反过来又会影响温度场的数值离散求解区域大小。这一过程的耦合方程为：
εinel＝α0(T-Tref) (5)
式中，ε为弹性系数，α0为热膨胀系数。
温度场与流场耦合过程为：温度会影响流场中材料的相关参数，而流场在变化过程中影响温度传递。
流场和位移场耦合过程为：空气受热膨胀后对外壁产生压力，使外壁发生形变，反过来又会影响空气的流速。这一过程的耦合方程为：
σsolid·n＝σfluid·n (6)
σfluid＝-ρfluidL+μ(▽ufluid+(▽ufluid)T) (7)
式中，σ为应力。
(4)仿真简化计算条件
由于实际开关柜各隔舱室结构复杂且尺度较大，不同类型的零部件众多，直接对实际开关柜各隔舱室进行仿真计算，不仅建模复杂而且模型的网格剖分将过于细化，大大降低了计算效率。因此，有必要对实际开关柜各隔舱室结构在不影响准确范围的条件下，进行简化处理，以适应于开关柜各隔舱室短路电弧冲击过程计算。
1)去掉对隔舱室气体流动影响较小的零部件，同时将这些零部件去掉后剩余的孔隙作封闭处理；
2)为了更直观地体现高温高压气体对隔舱室柜体的冲击效果，对各隔舱室内部作空腔处理，以此来校验柜体的极限冲击抵受性能。
3)在整个燃弧过程中，各隔舱室的表面作绝热处理，气体参数如密度、热容、粘度等都随着温度的变化而变化。
4)根据试验过程可知，各隔舱室底部固定不动，故仿真时在各隔舱室底部施加固定约束。
(5)仿真模型：根据厂家生产原型以及材料承受的电场强度，在COMSOLMultiphysics仿真软件中按照1:1的比例建立三维仿真模型。
(6)舱室短路电弧爆炸波能冲击下的泄压板动作时刻tmax计算方法：
1)计算舱室从发生短路电弧产生后，舱室上盖板尼龙铆钉处应力随时间变化函数关系，并绘制关系曲线图graphx。
2)舱室上盖板的泄压板一般采用n1个尼龙铆钉固定。单个尼龙铆钉的断裂应力计算公式如下：
式中：F1为尼龙铆钉的极限拉力,S1为尼龙铆钉应力作用面积。
3)将式(9)得到的尼龙铆钉极限断裂应力作为依据，在图graphx中分别得到各尼龙铆钉极限应力断裂所对应时间tmax1及tmax2，选取数值大的作为泄压板的动作时间tmax。
2、10kV高压开关柜防爆安全设计方法(安全设计)：
舱室内短路电弧爆炸持续过程中，泄压板未动作时，可以将舱室看成一个密闭的环境。电弧能量会迅速扩散，使周围环境温度骤然升高，舱室的压力骤增，可能导致柜体撕裂或柜门被冲开，严重威胁到运维人员的生命安全和周围设备的正常运行。泄压板一旦打开，舱室内部迅速泄能，因此，舱室承受压力最大的时刻即为泄压板的动作时刻。安全设计的关键在于校核泄压板动作时刻下，柜体强度设计和柜门强度设计。
(1)舱室柜体强度的安全设计方法：
1)通过对柜体应力分布的仿真计算，找到泄压板完全打开时刻对应柜体应力最大点σg所在位置。
2)选择不同厚度的壳体，分别计算在泄压板动作时刻tmax，最大应力点所承受的最大的应力值σg。
3)柜体材料能承受的极限断裂应力值为σj,当σg＜σj时，则柜体厚度可以承受住短路电弧引起爆炸的冲击。由于开关柜柜体一般采用优质钢板，σj一般取值为3.2×108N/m2。
(2)舱室柜门安全设计方法：
1)通过仿真计算，找到泄压板在完全打开时刻tmax，舱室柜门对应压力最大点Pk所在位置。
2)计算从短路电弧产生后，压力最大点Pk随时间变化曲线图。找出tmax时刻对应的Pk大小。
3)通过式(1)得到单个铆钉的最大拉裂力FM。
FM＝σM*SM (10)
式中：σM为螺栓的抗拉强度,SM为螺栓的应力截面积。
4)通过式(2)可以得到柜门所需螺栓数n。
式中：Sg为舱室柜门面积。
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是本发明优选实施例的电缆室三维仿真模型图；
图2时本发明优选实施例的电缆室上盖板泄压板铆钉分布图；
图3是本发明优选实施例的电缆室泄压板尼龙铆钉处应力随时间变化图；
图4是本发明优选实施例的电缆室柜体应力最大点分布图。
图5是本发明优选实施例的电缆室应力最带点随柜体厚度变化曲线图。
图6是本发明优选实施例的电缆室柜门压力最大点分布图。
图7是本发明优选实施例的电缆室柜门压力最大点随时间变化曲线图。
图中各标号表示：
1、上盖板泄压板；2、爆源；3、电缆室正面中部斜板连接处；4、后柜门；5、尼龙铆钉1；6、尼龙铆钉2；7、尼龙铆钉3；8、
尼龙铆钉；9、
金属铆钉；10、泄压板；11、上盖板；12、铆钉1；13、铆钉2；14、
尼龙铆钉断裂应力参考线；15、柜体应力最大点；16、柜门压力最大点。
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，系实际开关柜现有的防爆设计(隔离腔室分别加泄压板)的基础上，针对其内部发生短路电弧引起的爆炸冲击过程，基于温度场、流体场和位移场耦合的有限元计算方法，利用热源等效和分舱建模方式，对开关柜各隔舱室内部电弧冲击过程进行了仿真计算，兼顾了准确性和灵活性。得到在分隔舱室泄压板动作时刻内，柜体关键及薄弱部位压力分布随时间的变化关系，分析柜体的抵受性能，并得出开关柜关键部位(柜体厚度、柜门螺栓数量)安全设计方法。
本实施例以参考KYN28-12型开关柜电缆室的实际尺寸为例，其他两个高压室(母线室、断路器室)的仿真建模和安全设计方法与此相同，该方法执行时具体步骤如下：
1、利用热源等效和分舱建模方式，通过多物理场耦合的有限元计算方法，得到短路电弧爆炸波能冲击下的舱室泄压板动作时刻tmax(仿真计算)：
(1)爆源等效：采用开关柜柜体的规格为800*1400*2250mm2的开关柜，试验测试的冲击电流等级为31.5kA，试验时间为1s。通过测量内燃弧试验中电缆室三相电弧电压电流，对得到随时间变化的电弧电压和电流进行积分，估算出开关柜电缆室总的电弧能量为30.6MWs。因而，仿真中首先把电弧等效为半径为4.4mm的热源球体，对应的电弧能量换算至该球体的能量热损耗密度即为8.5785×1013W/m3。
由于电缆室短路电弧多是由于电缆终端接头处缺陷导致容易发生局部放电，最后导致接头击穿，进而引发电弧放电，为了使仿真结果和爆炸实际情况更为相符，将热源位置设置在电缆室的电缆中间相终端接头处。
(2)多物理场耦合方式：开关柜内部短路电弧引起的爆炸过程是由电弧高温引起的周围气体温度升高，气体膨胀，然后通过开关柜泄能装置泄能，从物理过程分析，这一过程是由温度场、流体场、位移场相互耦合作用的结果，因此仿真过程中的多物理场耦合方式选择为热-流-固场耦合。
(3)多物理场耦合方程及边界条件：热-流-固多物理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，描述温度场的控制方程为：
式中：Q为热源；Cp为常压热容；ρ为材料密度；k为导热系数。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。
2)流体场(空气)控制方程及边界条件
电流体动力学中流体运动受惯性力、粘性力和电场力的支配，这些力影响流体的运动。
式中，ρ为材料密度；u为流体速度；p为压强；L为单位向量；F为体积力；T为温度。流场所采用的边界条件是设置边界为壁。
3)应力场(柜体)控制方程及边界条件
式中，ρ为材料密度；Fv为体积力。柜体的表面设置为壁。
4)温度-流体-位移场的耦合过程及耦合方程
温度场和位移场的耦合过程为：应力在温度的影响下发生变化，导致固体结构产生形变。而固体结构发生的形变反过来又会影响温度场的数值离散求解区域大小。这一过程的耦合方程为：
εinel＝α0(T-Tref) (5)
式中，ε为弹性系数，α0为热膨胀系数。
温度场与流场耦合过程为：温度会影响流场中材料的相关参数，而流场在变化过程中影响温度传递。
流场和位移场耦合过程为：空气受热膨胀后对外壁产生压力，使外壁发生形变，反过来又会影响空气的流速。这一过程的耦合方程为：
σsolid·n＝σfluid·n (6)
σfluid＝-ρfluidL+μ(▽ufluid+(▽ufluid)T) (7)
式中，σ为应力。
(4)仿真简化计算条件
由于实际开关柜结构复杂且尺度较大，不同类型的零部件众多，直接对实际开关柜进行仿真计算，不仅建模复杂而且模型的网格剖分将过于细化，大大降低了计算效率。因此，有必要对实际开关柜结构在不影响准确范围的条件下，进行简化处理，以适应于开关柜短路电弧冲击过程计算。
1)去掉对隔室气体流动影响较小的零部件，同时将这些零部件去掉后剩余的孔隙作封闭处理；
2)为了更直观地体现高温高压气体对开关柜柜体的冲击效果，对开关柜内部作空腔处理，以此来校验柜体的极限冲击抵受性能。
3)在整个燃弧过程中，开关柜各个室的表面作绝热处理，气体参数如密度、热容、粘度等都随着温度的变化而变化。
4)根据试验过程可知，开关柜底部固定不动，故仿真时在开关柜底部施加固定约束。
(5)仿真模型：参考KYN28-12型开关柜电缆室的实际几何尺寸，根据厂家生产原型以及材料承受的电场强度，在COMSOL Multiphysics仿真软件中按照1:1的比例建立了三维仿真模型。KYN28-12型开关柜电缆室采用覆铝锌优质钢板，高2250mm，宽800mm，深570mm。电缆室三维仿真模型图参见1。
(6)短路电弧爆炸波能冲击下的泄压板动作时刻tmax计算方法：
以(5)中建立的模型为计算实例，通过有限元三层迭代后，得到了泄压板尼龙铆钉所在位置的应力随时间变化图(尼龙铆钉1，3由于位置对称，应力变化规律一致)，电缆室上盖板泄压板铆钉所在位置示意图参见图2。根据尼龙铆钉的实际数据，得到其极限断裂应力为σx＝0.25Mpa。计算结果参见图3。由图3可知，泄压板尼龙铆钉2处应力达到极限断裂应力时刻为t＝9.9ms；此时，尼龙铆钉2处的应力值为σ2＝0.258MPa大于σx＝0.25MPa，尼龙铆钉2断裂；在t＝10.5ms时刻，尼龙铆钉1处的应力值为σ1＝0.251MPa大于σx＝0.25MPa，尼龙铆钉1断裂。由于尼龙铆钉1、3所处位置对称，所受应力大小相同，尼龙铆钉1达到断裂应力时刻，也为尼龙铆钉3发生断裂时刻，此刻，泄压板完全打开，内部膨胀气体迅速释放，腔体内承受的压力迅速下降。因而，选择t＝0ms至t＝10.5ms之间的时间段进行开关柜柜体安全设计参考时段。
2、10kV高压开关柜电缆室防爆安全设计方法(安全设计)：
电缆室内短路电弧爆炸持续过程中，泄压板未动作时，可以将电缆室看成一个密闭的环境。电弧能量会迅速扩散，使周围环境温度骤然升高，电缆室的压力骤增，可能导致柜体撕裂或柜门被冲开，严重威胁到运维人员的生命安全和周围设备的正常运行。泄压板一旦打开，电缆室内部迅速泄能，因此，电缆室承受压力最大的时刻即为泄压板的动作时刻。安全设计的关键在于校核泄压板动作时刻下，柜体强度设计和柜门强度设计。
(1)电缆室柜体强度安全设计方法：
通过仿真计算得到开关柜电缆室发生短路电弧冲击过程应力点分布，当泄压板完全打开时刻，即t＝10.5ms时，在电缆室完全密封条件下，选择热源功率为2.857×1013W/m3，选择壁厚为5mm进行仿真，计算在10.5ms时刻电缆室最大应力点分布情况参见4所示。由图4可知，电缆室内壁应力畸变最明显的位置为电缆室正面中部斜板连接处。
在确认了电缆室的发生短路电弧冲击时的最大应力点分布后，计算在t＝10.5ms时刻，不同厚度柜体最大应力点所对应的应力值σg。绘制最大应力点对应应力σg随柜体厚度变化关系图。应力最大点随柜体壁厚变化曲线图参见图5。
由图5可知，随着柜体厚度的增加，柜体承受的最大应力值逐渐下降。当t＝10.5ms，装置密封时，保护装置的厚度为2mm时，其保护装置最大应力值约为1.5×108N/m2。小于钢板能承受的极限应力值3.2×108N/m2，且保留了53.1％的防爆裕度，可以确保柜体承受短路电弧冲击而不发生破裂。
在图5中，壁厚和最大应力值得变化规律可知，当壁厚大于2mm时，最大应力值随壁厚的增加而下降的趋势变缓。因而，考虑生产成本以及实际运行需要，开关柜柜体壁厚选择2mm。
(2)电缆室后柜门安全设计方法：
通过仿真计算得到电缆室发生短路电弧冲击过程，压力点分布。当t＝10.5ms时刻，在电缆室完全密封条件下，选择热源功率为8.5785×1013W/m3，选择壁厚为2mm进行仿真，计算在10.5ms时刻电缆室后柜门最大压力点分布情况，柜门所受压力最大点分布图参见图6。
由图6可知，后柜门压力最大点PK位置位于柜门左下侧处。继而，计算得到从t＝0至t＝10.5ms，压力最大点Pk随时间变化曲线图，柜门压力最大点随时间变化曲线图参见图7。
由图7可知，当tq＝10.5ms时，对应的Pk＝1.01Mpa。
通过式(10)得到单个螺栓的最大拉裂力FM＝46400N，通过式(11)求出柜门所需螺栓数n＝19.5个，即柜门所需M10螺栓数大于等于20个时，可以承受住短路电弧引起的爆炸冲击。
综上，得到了优质钢板柜体壁厚为2mm安全设计建议；针对防爆薄弱部位的后柜门，给出后柜门至少需要20个高强度M10螺栓的安全建议。因此，本发明可在现有开关柜的防爆设计基础上，进一步提升开关柜的运行安全性。
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10kV高压开关柜防爆安全设计方法，其特征在于，包括：在实际开关柜现有的防爆设计(隔离舱室分别加泄压板)的基础上，针对其内部发生短路电弧引起的爆炸冲击过程，基于温度场、流体场和位移场耦合的有限元计算方法，利用热源等效和分舱建模方式，对开关柜内部电弧冲击过程进行了仿真计算；得到在分隔舱室泄压板动作时刻，并计算柜体关键及薄弱部位压力分布随时间的变化关系；分析柜体的抵受性能，并得出开关柜关键部位(柜体厚度、柜门螺栓数量)安全设计方法。
2.根据权利要求1所述的10kV高压开关柜防爆安全设计方法，其特征在于,仿真中以各隔舱室中短路电弧实际发生位置为参考，以圆形热源模型模拟短路电弧爆源，以试验实测的电弧能量数据作为爆源的等效能量。
3.根据权利要求1所述的10kV高压开关柜防爆安全设计方法，其特征在于，仿真过程中的多物理场耦合方式选择为热力场-流体场-位移场3个物理场相互耦合，并设置了相应的耦合方程和边界条件。
4.根据权利要求1所述的10kV高压开关柜防爆安全设计方法，其特征在于，仿真简化计算条件为：
1)去掉对隔舱室气体流动影响较小的零部件，同时将这些零部件去掉后剩余的孔隙作封闭处理；
2)为了更直观地体现高温高压气体对隔舱室柜体的冲击效果，对各隔舱室内部作空腔处理，以此来校验柜体的极限冲击抵受性能。
3)在整个燃弧过程中，各隔舱室的表面作绝热处理，气体参数如密度、热容、粘度等都随着温度的变化而变化。
4)根据试验过程可知，各隔舱室底部固定不动，故仿真时在各隔舱室底部施加固定约束。
5.根据权利要求1所述的10kV高压开关柜防爆安全设计方法，其特征在于，舱室短路电弧爆炸波能冲击下的泄压板动作时刻tmax计算方法为：
1)计算舱室从发生短路电弧产生后，舱室上盖板尼龙铆钉处应力随时间变化函数关系，并绘制关系曲线图graphx。
2)舱室上盖板的泄压板一般采用n1个尼龙铆钉固定。单个尼龙铆钉的断裂应力计算公式如下：
式中：F1为尼龙铆钉的极限拉力,S1为尼龙铆钉应力作用面积。
3)将式(9)得到的尼龙铆钉极限断裂应力作为依据，在图graphx中分别得到各尼龙铆钉极限应力断裂所对应时间tmax1及tmax2，选取数值大的作为泄压板的动作时间tmax。
6.根据权利要求1所述的10kV高压开关柜防爆安全设计方法，其特征在于，舱室柜体强度的安全设计方法为：
1)通过对体应力分布的仿真计算，找到泄压板完全打开时刻对应柜体应力最大点σg所在位置。
2)选择不同厚度的壳体，分别计算在泄压板动作时刻tmax，最大应力点所承受的最大的应力值σg。
3)柜体材料能承受的极限断裂应力值为σj,当σg＜σj时，则柜体厚度可以承受住短路电弧引起爆炸的冲击。由于开关柜柜体一般采用优质钢板，σj一般取值为3.2×108N/m2。
7.根据权利要求1所述的10kV高压开关柜防爆安全设计方法，其特征在于，舱室柜门安全设计方法为：
1)通过仿真计算，找到泄压板在完全打开时刻tmax，舱室柜门对应压力最大点Pk所在位置。
2)计算从短路电弧产生后，压力最大点Pk随时间变化曲线图。找出tmax时刻对应的Pk大小。
3)通过式(1)得到单个铆钉的最大拉裂力FM。
FM＝σM*SM (10)
式中：σM为螺栓的抗拉强度,SM为螺栓的应力截面积。
4)通过式(2)可以得到柜门所需螺栓数n。
式中：Sg为舱室柜门面积。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202011083469.8A CN112257195A (zh) | 2020-10-12 | 2020-10-12 | 10kV高压开关柜防爆安全设计方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202011083469.8A CN112257195A (zh) | 2020-10-12 | 2020-10-12 | 10kV高压开关柜防爆安全设计方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN112257195A true CN112257195A (zh) | 2021-01-22 |
Family
ID=74242381
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202011083469.8A Pending CN112257195A (zh) | 2020-10-12 | 2020-10-12 | 10kV高压开关柜防爆安全设计方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN112257195A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113078576A (zh) * | 2021-04-02 | 2021-07-06 | 长沙理工大学 | 10kV高压开关柜安全性能提升方法 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20170315036A1 (en) * | 2016-05-25 | 2017-11-02 | East China University Of Science And Technology | Design method of high-temperature nickel-based bolts based on damage tolerance theory |
| CN109408874A (zh) * | 2018-09-14 | 2019-03-01 | 广东电网有限责任公司 | 高压电缆接头防爆装置的端头部位弯曲弧度仿真方法 |
| CN110188450A (zh) * | 2019-05-27 | 2019-08-30 | 三峡大学 | 基于电弧能量热等效的开关柜内部短路燃弧压力升计算方法 |
| CN111624447A (zh) * | 2020-05-22 | 2020-09-04 | 长沙理工大学 | 高压电缆接头短路电弧产生的爆炸波能测量和估算方法 |
-
2020
- 2020-10-12 CN CN202011083469.8A patent/CN112257195A/zh active Pending
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20170315036A1 (en) * | 2016-05-25 | 2017-11-02 | East China University Of Science And Technology | Design method of high-temperature nickel-based bolts based on damage tolerance theory |
| CN109408874A (zh) * | 2018-09-14 | 2019-03-01 | 广东电网有限责任公司 | 高压电缆接头防爆装置的端头部位弯曲弧度仿真方法 |
| CN110188450A (zh) * | 2019-05-27 | 2019-08-30 | 三峡大学 | 基于电弧能量热等效的开关柜内部短路燃弧压力升计算方法 |
| CN111624447A (zh) * | 2020-05-22 | 2020-09-04 | 长沙理工大学 | 高压电缆接头短路电弧产生的爆炸波能测量和估算方法 |
Non-Patent Citations (5)
| Title |
|---|
| 于庆瑞等: "耐受内部电弧故障级中压开关柜的研究", 《电气制造》 * |
| 吐松江.卡日等: "中压开关柜三维电场有限元分析", 《计算机仿真》 * |
| 吴田等: "中压开关柜内部电弧压力升计算――模型简化方法研究", 《高压电器》 * |
| 左涛: "KYN44-12开关柜内部电弧故障的结构设计", 《科协论坛(下半月)》 * |
| 黎鹏等: "封闭容器内部短路燃弧爆炸压力效应计算", 《爆炸与冲击》 * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113078576A (zh) * | 2021-04-02 | 2021-07-06 | 长沙理工大学 | 10kV高压开关柜安全性能提升方法 |
| CN113078576B (zh) * | 2021-04-02 | 2023-08-22 | 长沙理工大学 | 10kV高压开关柜安全性能提升方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Chemartin et al. | Direct effects of lightning on aircraft structure: analysis of the thermal, electrical and mechanical constraints | |
| CN109408874B (zh) | 高压电缆接头防爆装置的端头部位弯曲弧度仿真方法 | |
| CN112257195A (zh) | 10kV高压开关柜防爆安全设计方法 | |
| CN111624447B (zh) | 高压电缆接头短路电弧产生的爆炸波能测量和估算方法 | |
| Kumar et al. | Internal arc fault simulation in medium voltage panel for thermal and structural withstand | |
| CN107565078A (zh) | 一种防止锂离子电池燃烧爆炸的方法 | |
| Liu et al. | Thermal runaway-induced current interrupt device and vent activation behaviour in an 18650 lithium-ion battery cap using the Johnson-Cook criterion | |
| CN110176744B (zh) | 高压电缆接头金属防爆装置及端头部参数确定方法及系统 | |
| CN106887804A (zh) | 用于冷却高压设备中的热气体的装置 | |
| CN204441787U (zh) | 一种固定式环网开关柜 | |
| CN206976835U (zh) | 一种夹心式iac级高压开关柜柜体 | |
| CN113078576B (zh) | 10kV高压开关柜安全性能提升方法 | |
| Bai et al. | Research on centrifugal compressor disk containment of auxiliary power unit | |
| CN112380739B (zh) | 一种外部加载冲击压力载荷的固体发动机冲击起爆仿真评估方法 | |
| CN112115653B (zh) | 一种开关柜泄压通道泄压效率计算方法 | |
| CN201622983U (zh) | 一种快速大电流保险装置 | |
| Luo et al. | A study of pressure development and oil-immersed transformer tank deformation during an arcing event considering strong FSI | |
| Kumar et al. | Internal arc fault simulation using CFD to predict thermal behavior in switchgear | |
| Kim et al. | Simulation of pressure relief valve movement in the compression volume of a self-blast interrupter | |
| CA3096873A1 (en) | Method of designing a switchgear with arc-flash simulation and energy transmission thereof | |
| Hoagland et al. | ARC flash pressure door ejection measurement | |
| Lee et al. | Thermal behavior simulation by internal arc energy in switchgear | |
| Johansson et al. | Design and testing of an arc resistant power transformer with a reinforced turret | |
| Li et al. | Pressure rise calculation during short circuit fault in a closed container based on arc energy equivalent method | |
| Cheng et al. | Experimental Study on Fault Process of High Energy Arch Discharge in the Oil Chamber of OLTC |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20210122 |