CN112257317B - 考虑微环境的高压开关柜绝缘净距离计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑微环境的高压开关柜绝缘净距离计算方法，其步骤为：首先，建立高压开关柜三维有限元几何模型和电‑热‑流多场耦合物理模型，仿真计算高压开关柜的内部热场分布；然后，基于以上仿真对高压开关柜内部的电场的影响规律，依据高压开关柜电场分布和空气流注放电起始判据进行高压开关柜绝缘净距离计算，并与国标和IEC标准中的最小电气安全距离进行对比。本发明基于有限元仿真技术，对高压开关柜的高温、高湿度和污秽等恶劣的工作环境进行可视化重现，并对绝缘隔板在特定环境中吸潮、附灰和凝露行为进行量化计算，获得绝缘隔板的电气参数变化，进而分析对高压开关柜电场分布的影响。

Description

考虑微环境的高压开关柜绝缘净距离计算方法

技术领域

本发明涉及涉及电力系统高压开关柜结构优化技术安全领域，尤其是一种考虑微环境的高压开关柜绝缘净距离计算方法。

背景技术

开关柜作为一种金属封闭式的开关电力设备，在我国应用十分广泛。其作为连接输电网和配电网之间的枢纽道路，对配电网可靠性的提升起到了至关重要的作用。高压开关柜故障频发成为配网可靠性提升的主要障碍。与此同时，随着以空气为主要绝缘介质的开关柜智能化与小型化的发展与应用，开关柜空间尺寸以及占地面积大幅减小，同时复合绝缘的出现以及绝缘要求的提高。

在实际运行过程中，高压开关柜的工作环境恶劣，涉及高温、高湿度和污秽等，绝缘隔板在这样的环境中长期运行会因为吸潮、附灰和凝露等造成开关柜绝缘强度下降。在苛刻的运行工况、不合理的结构设计和绝缘隔板布置下，高压开关柜容易引发绝缘缺陷甚至绝缘故障，严重的影响电力系统的稳定运行。因此，有必要在考虑微环境的前提下，对高压开关柜净距离进行计算，进而为绝缘设计改造提供有效指导。

目前国内外关于开关柜净距离计算的研究没有涉及到温度、湿度、凝露及污秽等微环境的影响，但是微环境会显著影响高压开关柜的绝缘水平，因此需要建立考虑微环境影响的绝缘净距离有效计算方法。

发明内容

本发明的目的在于弥补现有技术的不足之处，提供一种考虑微环境的高压开关柜绝缘净距离计算方法，其可优化绝缘设计，实现高压开关柜安全稳定运行。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种考虑微环境的高压开关柜绝缘净距离计算方法，包括以下步骤：

S1、采用有限元仿真软件COMSOL Multiphysics，根据高压开关柜母线室结构建立三维有限元几何模型；

S2、根据母线室各结构材料物理属性设置材料参数；

S3、对母线室三维有限元几何模型添加电流物理场约束条件，在物理场中对A、B、C三相母排依次设置电压激励U_A＝U₀·sin(100·pi·t)、U_B＝U₀·sin(100·pi·t+120)、U_C＝U₀·sin(100·pi·t+240)，设置金属外壳接地，其中U₀为40.5kV；

S4、对母线室三维有限元几何模型添加固体和流体传热物理场，设置母线为热源，并根据实际测量结果设置ABC三相母排的热功率为P_A、P_B、P_C，母线室外壁设置热通量5W/m²边界条件，内部空气设置湿空气边界条件；

S5、根据母线室结构及物理场特点对母线室进行网格剖分；

S6、建立电-热-流多场耦合物理模型，并对电-热-流多场耦合物理模型进行仿真计算，获取其电、热、流、湿分布；

S7、根据仿真计算得到的高压开关柜电场分布，可以获得空气的碰撞电离系数α和电子粘附系数η分布，将所得α、η分布带入流注起始判据(1)，可以进行流注起始判断；

其中，z_c为临界电子崩长度，由α＝η确定；

S8、改变绝缘距离L，使其刚好不满足流注起始判据，从而确定高压开关柜的最小绝缘净距离L_min。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明基于有限元仿真技术，对高压开关柜的高温、高湿度和污秽等恶劣的工作环境进行可视化重现，并对绝缘隔板在特定环境中吸潮、附灰和凝露行为进行量化计算，获得绝缘隔板的电气参数变化，进而分析对高压开关柜电场分布的影响，故本发明对提升工作环境中的高压开关柜运行稳定性有着重要指导意义。

附图说明

为了使本发明的优点更容易理解，将通过参考在附图中示出的具体实施方式更详细地描述上文简要描述的本发明。可以理解这些附图只描绘了本发明的典型实施方式，因此不应认为是对其保护范围的限制，通过附图以附加的特性和细节来描述和解释本发明。

图1为仿真计算的高压开关柜母线室模型图；

图2为仿真计算的高压开关柜母线室网格剖分图；

图3为用于高压开关柜母线室的热场仿真结果图；

图4为用于高压开关柜母线室的流场仿真结果图；

图5为用于高压开关柜母线室的湿度场仿真结果图；

图6为用于高压开关柜母线室的电场仿真结果图。

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，本发明实施方式可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明实施方式发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

为了彻底了解本发明实施方式，将在下列的描述中提出详细的结构。显然，本发明实施方式的施行并不限定于本领域的技术人员所熟习的特殊细节。本发明的较佳实施方式详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。

在本发明的描述中，术语“内侧”、“外侧”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

下面结合附图对本发明的实施例作进一步详细的说明：

参见图1至图6，本发明提供的一种考虑微环境的高压开关柜绝缘净距离计算方法，首先，建立高压开关柜三维有限元几何模型和电-热-流多场耦合物理模型，仿真计算高压开关柜的内部热场分布；然后，基于以上仿真对高压开关柜内部的电场的影响规律，依据高压开关柜电场分布和空气流注放电起始判据进行高压开关柜绝缘净距离计算，并与国标和IEC标准中的最小电气安全距离进行对比。具体步骤如下：

S1、采用有限元仿真软件COMSOL Multiphysics，根据高压开关柜母线室结构建立三维有限元几何模型。

S2、根据母线室各结构材料物理属性设置材料参数。

S3、对母线室三维有限元几何模型添加电流物理场约束条件，在物理场中对A、B、C三相母排依次设置电压激励U_A＝U₀·sin(100·pi·t)、U_B＝U₀·sin(100·pi·t+120)、U_C＝U₀·sin(100·pi·t+240)，设置金属外壳接地，其中U₀为40.5kV。

S4、对母线室三维有限元几何模型添加固体和流体传热物理场，设置母线为热源，并根据实际测量结果设置ABC三相母排的热功率为P_A、P_B、P_C，其中P_A可设为25.3W、P_B可设为19.7W、P_C可设为16.2W，母线室外壁设置热通量5W/m²边界条件，内部空气设置湿空气边界条件。

S5、根据母线室结构及物理场特点对母线室进行网格剖分。

S6、建立电-热-流多场耦合物理模型，并对电-热-流多场耦合物理模型进行仿真计算，获取其电、热、流、湿分布。

S7、根据仿真计算得到的高压开关柜电场分布，可以获得空气的碰撞电离系数α和电子粘附系数η分布，将所得α、η分布带入流注起始判据(1)，可以进行流注起始判断；

其中，z_c为临界电子崩长度，由α＝η确定。

S8、改变绝缘距离L，使其刚好不满足流注起始判据，从而确定高压开关柜的最小绝缘净距离L_min。

综上所述，本发明的内容并不局限在上述的实施例中，本领域的技术人员可以在本发明的技术指导思想之内提出其他的实施例，但这些实施例都包括在本发明的范围之内。

Claims (1)

1.一种考虑微环境的高压开关柜绝缘净距离计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、采用有限元仿真软件COMSOL Multiphysics，根据高压开关柜母线室结构建立三维有限元几何模型；

S2、根据母线室各结构材料物理属性设置材料参数；

S3、对母线室三维有限元几何模型添加电流物理场约束条件，在物理场中对A、B、C三相母排依次设置电压激励U_A＝U₀·sin(100·pi·t)、U_B＝U₀·sin(100·pi·t+120)、U_C＝U₀·sin(100·pi·t+240)，设置金属外壳接地，其中U₀为40.5kV；

S4、对母线室三维有限元几何模型添加固体和流体传热物理场，设置母线为热源，并根据实际测量结果设置ABC三相母排的热功率为P_A、P_B、P_C，母线室外壁设置热通量5W/m²边界条件，内部空气设置湿空气边界条件；

S5、根据母线室结构及物理场特点对母线室进行网格剖分；

S6、建立电-热-流多场耦合物理模型，并对电-热-流多场耦合物理模型进行仿真计算，获取其电、热、流、湿分布；

S7、根据仿真计算得到的高压开关柜电场分布，可以获得空气的碰撞电离系数α和电子粘附系数η分布，将所得α、η分布带入流注起始判据(1)，可以进行流注起始判断；

其中，z_c为临界电子崩长度，由α＝η确定；

S8、改变绝缘距离L，使其刚好不满足流注起始判据，从而确定高压开关柜的最小绝缘净距离L_min。

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