CN112800647A - Gis隔离开关不同接触状态下的多物理场耦合仿真模拟方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了GIS隔离开关不同接触状态下的多物理场耦合仿真模拟方法和系统，设定GIS隔离开关三种典型的接触状态，然后在GIS隔离开关试验平台上，测量得到不同接触状态下的回路电阻；然后建立GIS隔离开关不同接触状态下的几何模型，并设置对应区域的材料属性；通过比较仿真回路电阻与试验回路电阻，调整动静触头的接触情况；然后设置物理场控制方程以及边界条件、初始条件、耦合变量；最后利用有限元法，对求解域进行网格剖分，求解多物理场耦合数学模型。本发明的仿真模拟方法与隔离开关实际工作条件更接近，故仿真结果的准确性可靠性较高。本发明有助于研究GIS隔离开关不同接触状态时的多物理场及其特性，对GIS的安全可靠运行具有重要意义。

Description

GIS隔离开关不同接触状态下的多物理场耦合仿真模拟方法 和系统

技术领域

本发明涉及电力设备状态仿真分析领域，具体为GIS隔离开关不同接触状态下的多物理场耦合仿真模拟方法和系统。

背景技术

随着电力系统的发展演变，气体绝缘开关设备(Gas Insulated Switchgear，GIS)基于自身运行可靠性高、检修周期长、性能稳定、占地面积小等优势，在高电压等级的变电站中得到了广泛的应用。作为GIS中的关键设备，隔离开关可以制造明显的断点，但不具备灭弧的功能。同时隔离开关也是一种典型的机械电气混合式的设备，现场运行过程中容易发生故障。其中，由于长期频繁开断所引发的GIS隔离开关的机械状态劣化、动静触头接触不良是一种典型的故障类型。现有研究表明GIS隔离开关在发生故障的初期，往往伴随着电磁热流多个物理场的交互作用。准确计算GIS隔离开关不同接触状态时的多物理场及其特性，对GIS的安全可靠运行具有重要意义。

现有的针对GIS隔离开关不同接触状态下的多物理场分析研究方法，包含试验方法和仿真方法两种。试验方法本身成本昂贵，且GIS内部的物理量难以测量获得，因此主要用来辅助验证。而现有的仿真方法，往往忽略GIS周围空气域的影响，采用等效对流换热系数来等效，和实际情况存在出入。并且针对隔离开关不同接触状态，现有仿真没有进行明确的阐述说明，导致仿真结果不全面。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种GIS隔离开关不同接触状态下的多物理场耦合仿真模拟方法和系统，本发明能够仿真模拟隔离开关在不同接触状态下其周围的电-磁-热-流多物理场的分布，为实际工程中评估隔离开关的状态提供指导，对GIS隔离开关的安全稳定运行具有重要的意义。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

GIS隔离开关不同接触状态下的多物理场耦合仿真模拟方法，包括建模过程和模拟过程：

所述建模过程包括：

基于GIS隔离开关的不同接触状态，建立GIS隔离开关不同接触状态下的几何模型，所述不同接触状态包括接触良好、半分半合和临界分离，所述几何模型建模的对象包含GIS隔离开关的动触头、静触头、导杆、屏蔽罩、GIS金属外壳、SF₆绝缘气体和外部空气域；

设置所述几何模型中所述对象的材料属性；

基于所述几何模型和各对象的材料属性，计算仿真回路在不同接触状态的回路电阻值，将仿真得到的不同接触状态的回路电阻值与GIS隔离开关在不同接触状态下实测得到的回路电阻值分别对应进行比较，判断是否一致，如果一致，将所述几何模型作为仿真模型，如不一致，调整GIS隔离开关不同接触状态下的几何模型，直至仿真得到的不同接触状态的回路电阻值与实测得到的不同接触状态的回路电阻值一致；

所述模拟过程包括：

设置仿真模型中各对象的物理场控制方程、边界条件、初始条件和物理场耦合关系，并进行求解，得到GIS隔离开关的多物理场分布特性。

优选的，实测GIS隔离开关在不同接触状态的回路电阻值时，在GIS隔离开关试验平台上，采用电桥测量的方法测量不同接触状态下的回路电阻；

实测时，通过操纵手动操作机构来设置试验平台中的GIS隔离开关不同接触状态，操纵手动操作机构时，通过控制连杆转动角度量化动触头和静触头之间的间距。

优选的：

当GIS隔离开关的接触状态为接触良好时，动触头和静触头处于完全合闸的状态；

当GIS隔离开关的接触状态为临界分离时，动触头和静触头处于回路临界断开的状态；

当GIS隔离开关的接触状态为半分半合时，动触头和静触头处于回路完全合闸和临界断开中间的状态。

优选的，建立GIS隔离开关不同接触状态下的几何模型时，GIS外部的空气域，采用圆柱筒的几何结构建模。

优选的，建立GIS隔离开关不同接触状态下的几何模型时：

当GIS隔离开关的接触状态为接触良好时，对动触头和静触头的几何建模要使得触头间的接触面积达到最大；

当GIS隔离开关的接触状态为临界分离时，对动触头和静触头的几何建模要使得触头间的接触面积最小；

当GIS隔离开关的接触状态为半分半合时，对动触头和静触头的几何建模要使得触头间的接触面积是最大接触面积的一半。

优选的，所述材料属性包括：电导率、相对磁导率、相对介电常数、参考电阻率、电阻率温度系数、参考温度、密度、导热系数、恒压热容、比热率和动力黏度。

优选的，计算仿真回路在不同接触状态的回路电阻值时，在仿真回路两端加上电压源，测量回路电流求得电阻；或者在仿真回路两端加上电流源，测量两端电压差求得电阻；

将仿真得到的不同接触状态的回路电阻值与GIS隔离开关在不同接触状态下实测得到的回路电阻值分别对应进行比较时，仿真回路回路电阻值较大时，微调增加动触头和静触头之间的接触面积，仿真回路回路电阻值较小时，微调减小动触头和静触头之间的接触面积；

仿真回路回路电阻值与GIS隔离开关在不同接触状态下实测得到的回路电阻值差值小于预设值时(预设值一般可取10μΩ)，则判断仿真回路回路电阻值与GIS隔离开关在不同接触状态下实测得到的回路电阻值一致。

优选的：

所述物理场的控制方程包含电磁场中的麦克斯韦方程、温度场中的广义传热方程、对流换热方程和辐射传热方程以及流体场中的连续性方程和动量守恒方程；

其中：依据电磁场麦克斯韦方程组，导体区域的控制方程为：

其中，A₁和

分别为导体区域的矢量位函数和标量位函数，σ₁为导体的电导率，J为外施电流密度，μ₀为真空磁导率，

为哈密顿算子，j为虚数单位，ω为角频率；

非导体区域的控制方程为：

其中，A₂和

分别为非导体区域的矢量位函数和标量位函数，σ₂为该区域材料对应的电导率，μ_r为该区域材料的相对磁导率；

固体中热量传递的控制方程为：

其中，ρ为密度，c为比热容，T为温度，t为时间，k为导热系数，Q为热源；

流体中热量传递的控制方程为：

其中，u为流体的速度；

流固表面对流换热方程为：

q＝hΔT

其中，q为热流密度，h为对流换热系数，ΔT为流体和物体表面的温差；

导杆与GIS金属外壳之间、GIS金属外壳与外界环境之间辐射换热方程为：

其中，Q_f为辐射换热量，ε₁为导杆表面发射系数，S₁为导杆表面积，δ为黑体辐射常数，T₁为导杆表面温度，T₂为GIS金属外壳表面温度；

GIS隔离开关中流体场的流动模型选择层流物理模型，其控制方程为：

其中，η为流体动力黏度，g为重力加速度；

针对GIS隔离开关中，物理场之间耦合关系如下：

在电磁热双向耦合中，将电磁场中的电磁体积损耗密度设置为温度场中的热源，导杆和GIS金属外壳所用铝合金材料的电阻，随温度的变化关系如下所示：

其中，E为电场强度，α为电阻率温度系数，σ_ref、T_ref分别为参考电导率和参考温度；

在流场和温度场之间的耦合中，流体密度、导热系数、动力黏度随温度的变化关系如下所示：

其中，P为流体的压强，K₁为流体的摩尔质量，K₂为通用的气体常数，ρ_ref、k_ref、η_ref分别为参考密度、参考导热系数、参考动力黏度，S为苏士兰常数。

优选的：

采用有限元法对仿真模型中各对象的物理场控制方程、边界条件、初始条件和物理场耦合关系进行求解；

求解时，在进行三维空间网格剖分时，针对导杆、GIS金属外壳、外部空气域采用先用三角形网格剖分面，再将面单元扫掠成体单元的网格剖分方式；对于动触头、静触头、屏蔽罩和SF₆绝缘气体采用自由四面体网格剖分。

本发明还提供了GIS隔离开关不同接触状态下的多物理场耦合仿真模拟系统，包括建模模块和模拟模块，其中：

建模模块：用于基于GIS隔离开关的不同接触状态，建立GIS隔离开关不同接触状态下的几何模型，所述不同接触状态包括接触良好、半分半合和临界分离，所述几何模型建模的对象包含GIS隔离开关的动触头、静触头、导杆、屏蔽罩、GIS金属外壳、SF₆绝缘气体和外部空气域；

设置所述几何模型中所述对象的材料属性；

基于所述几何模型和各对象的材料属性，计算仿真回路在不同接触状态的回路电阻值，将仿真得到的不同接触状态的回路电阻值与GIS隔离开关在不同接触状态下实测得到的回路电阻值分别对应进行比较，判断是否一致，如果一致，将所述几何模型作为仿真模型，如不一致，调整GIS隔离开关不同接触状态下的几何模型，直至仿真得到的不同接触状态的回路电阻值与实测得到的不同接触状态的回路电阻值一致；

模拟模块：用于设置仿真模型中各对象的物理场控制方程、边界条件、初始条件和物理场耦合关系，并进行求解，得到GIS隔离开关的多物理场分布特性。

本发明的有益效果在于：

本发明GIS隔离开关不同接触状态下的多物理场耦合仿真模拟方法能够用来研究隔离开关不同接触状态时的电、磁、热、流多物理参量的分布特征。本发明选取了三种典型的隔离开关动静触头的接触状态，能够有代表性的反映动静触头接触状态对场量的影响趋势。在对仿真模型隔离开关接触状态的设置时，基于试验回路实测的回路电阻，并将GIS外界空气作为计算域，考虑了电磁场、温度场、流体场双向耦合的情况，与隔离开关实际工作条件更接近，故仿真结果的准确性可靠性较高。总体来说，本发明有助于研究GIS隔离开关不同接触状态时的多物理场及其特性，对GIS的安全可靠运行具有重要意义。

附图说明

图1为本发明GIS隔离开关不同接触状态下的多物理场耦合仿真模拟方法的流程图。

图2(a)为本发明中GIS隔离开关处于接触良好状态时的示意图。

图2(b)为本发明中GIS隔离开关处于半分半合状态时的示意图。

图2(c)为本发明中GIS隔离开关处于临界分离状态时的示意图。

图3为本发明实施例中单相220kV GIS隔离开关几何建模整体图。

图4为本发明中多物理场耦合关系示意图。

图中，1-动触头，2-静触头，3-连杆。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的具体实施例进行详细说明。

参照图1，本发明提出的GIS隔离开关不同接触状态下的多物理场耦合仿真模拟方法，包括以下步骤：

(1)设定GIS隔离开关三种典型的接触状态，在GIS隔离开关试验平台上，测量不同接触状态下的回路电阻；所述三种典型的接触状态分别为接触良好、半分半合和临界分离。

(2)基于步骤(1)中规定的隔离开关的不同接触状态，建立GIS隔离开关不同接触状态下的几何模型。几何建模的对象包含隔离开关动触头、静触头、导杆、屏蔽罩、GIS金属外壳、SF₆绝缘气体和外部空气域；

(3)针对步骤(2)中建立的不同接触状态下GIS隔离开关的几何模型，设置动触头、静触头、导杆、屏蔽罩、GIS金属外壳、SF6绝缘气体和外部空气域的材料属性；

(4)基于步骤(2)中建立的几何模型和步骤(3)中设置的材料属性，计算仿真回路的回路电阻值，将该回路电阻值与步骤(1)中测量的回路电阻值进行比较，判断是否一致。如不一致，返回步骤(2)，对动触头和静触头接触处的几何形状进行调整，直至达到一致；

(5)在步骤(4)的基础上，设置不同求解区域的物理场控制方程、边界条件、初始条件、物理场耦合关系。物理场的控制方程包含电磁场中的麦克斯韦方程、温度场中的广义传热方程、对流换热方程和辐射传热方程以及流体场中的连续性方程和动量守恒方程；

(6)对步骤(5)中的多物理场耦合数学模型进行求解，获得GIS隔离开关的多物理场分布特性。

其中步骤(1)包括如下步骤：

S1-1，设定待研究的GIS隔离开关接触状态一共为三种，分别为接触良好、半分半合和临界分离。

S1-2，在包含GIS隔离开关的实物试验平台上，对上述三种接触状态下的回路电阻采用电桥测量的方法进行测量。

S1-3，通过操纵手动操作机构来设置试验平台中的GIS隔离开关不同接触状态，具体来说即通过控制连杆转动角度量化动触头和静触头之间的间距来设置，参照图2(a)～图2(c)：

接触良好时，通过控制连杆转动角度将动触头和静触头转动到完全合闸的状态，然后测量试验回路的电阻。

临界分离时，通过控制连杆转动角度将动触头和静触头转动到试验回路临界断开的状态，然后测量试验回路的电阻。

半分半合时，通过控制连杆转动角度将动触头和静触头转动到试验回路完全合闸和临界断开中间的状态，然后测量试验回路的电阻。

所述步骤(2)包括如下步骤：

S2-1，基于试验平台中的GIS隔离开关，建立GIS隔离开关不同接触状态下的几何模型。需要建模的几何区域(即对象)包含隔离开关动触头、静触头、导杆、屏蔽罩、GIS金属外壳、SF₆绝缘气体和外部空气域。

S2-2，对GIS外部的空气域，采用圆柱筒的几何结构建模。

S2-3，建立接触良好状态的几何模型时，对隔离开关动触头和静触头的几何建模要使得触头间的接触面积达到最大；

S2-4，建立临界分离状态的几何模型时，对隔离开关动触头和静触头的几何建模要使得触头间的接触面积尽可能小；

S2-5，建立半分半合状态的几何模型时，对隔离开关动触头和静触头的几何建模要使得触头间的接触面积是最大接触面积的一半；

所述步骤(3)包括如下步骤：

S3-1，对步骤(2)中建立的几何模型区域设置材料，需要设置材料属性的部位包括导杆、动触头、静触头、屏蔽罩、绝缘盆、SF₆绝缘气体和外壳和外部空气，其中外壳和导杆采用的材料为铝合金2024-T6，绝缘盆采用的材料为环氧树脂。需设置的材料属性包括：电导率、相对磁导率、相对介电常数、参考电阻率、电阻率温度系数、参考温度、密度、导热系数、恒压热容、比热率和动力黏度。

所述步骤(4)包括如下步骤：

S4-1，在给几何模型赋予材料属性后，求解出仿真回路的回路电阻；

求解仿真回路回路电阻时，在仿真回路两端加上电压源，测量回路电流求得电阻；也可在仿真回路两端加上电流源，测量两端电压差求得电阻；

S4-2，将仿真回路的电阻值，同试验回路电桥测量得到的电阻值进行比较，仿真回路值较大时则微调增加动触头和静触头之间的接触面积，仿真回路值较小时则微调减小动触头和静触头之间的接触面积。最终调整的结果，使得仿真回路电阻值与试验回路电阻值差值小于10μΩ时。

所述步骤(5)包括如下步骤：

S5-1，依据电磁场麦克斯韦方程组，导体区域的控制方程为：

其中A₁和

分别为导体区域的矢量位函数和标量位函数，σ₁为导体的电导率，J为外施电流密度，μ₀为真空磁导率，

为哈密顿算子，j为虚数单位，ω为角频率。其中外施电流密度可表示为：

其中I和S分别导杆流过的电流和导杆的横截面积。

非导体区域的控制方程为：

其中A₂和

分别为非导体区域的矢量位函数和标量位函数，σ₂为该区域材料对应的电导率，μ_r为该区域材料的相对磁导率。

S5-2，固体中热量传递的控制方程为：

其中ρ为密度，c为比热容，T为温度，t为时间，k为导热系数，Q为热源。

流体中热量传递的控制方程为：

其中u为流体的速度。

流固表面对流换热方程为：

q＝hΔT

其中q为热流密度，h为对流换热系数，ΔT为流体和物体表面的温差。

导杆与外壳之间、壳体与外界环境之间辐射换热方程为：

其中Q_f为辐射换热量，ε₁为导杆表面发射系数，S₁为导杆表面积，δ为黑体辐射常数，T₁为导杆表面温度，T₂为壳体表面温度。

S5-3，GIS隔离开关中流体场的流动模型选择层流物理模型，其控制方程为：

其中η为流体动力黏度，g为重力加速度。

S5-4，针对GIS隔离开关中，物理场之间耦合关系的设置如下：

在电磁热双向耦合中，将电磁场中的电磁体积损耗密度设置为温度场中的热源。导杆和壳体所用铝合金材料的电阻，随温度的变化关系如下所示：

其中E为电场强度，α为电阻率温度系数，σ_ref、T_ref分别为参考电导率和参考温度。

在流场和温度场之间的耦合中，流体密度、导热系数、动力黏度随温度的变化关系如下所示：

其中，P为流体的压强，K₁为流体的摩尔质量，K₂为通用的气体常数，ρ_ref、k_ref、η_ref分别为参考密度、参考导热系数、参考动力黏度，S为苏士兰常数。

所述步骤(6)包括如下步骤：

S6-1，采用有限元法对步骤(5)中建立的偏微分方程组数学模型进行求解。

S6-2，在进行三维空间网格剖分时，针对导杆、外壳、外部空气域采用先用三角形网格剖分面，再将面单元扫掠成体单元的网格剖分方式。其他区域采用自由四面体网格剖分，将导体和壳体进行网格局部加密处理。

实施例

本实施例GIS隔离开关不同接触状态下的多物理场耦合仿真模拟方法包括如下步骤：

(1)设定单相220kV GIS隔离开关三种典型的接触状态，在单相220kV GIS隔离开关试验平台上，测量不同接触状态下的回路电阻；所述三种典型的接触状态分别为接触良好、半分半合和临界分离。

所述步骤(1)中包括如下步骤：

S1-1，设定待研究的单相220kV GIS隔离开关接触状态一共为三种，分别为接触良好、半分半合和临界分离。

S1-2，在包含单相220kV GIS隔离开关的实物试验平台上，对上述三种接触状态下的回路电阻采用电桥测量的方法进行测量。

S1-3，通过操纵手动操作机构来设置试验平台中的单相220kV GIS隔离开关不同接触状态，具体来说即通过控制连杆转动角度量化动触头和静触头之间的间距来设置，参照图2(a)～图2(c)：

接触良好时，通过控制连杆转动角度将动触头和静触头转动到完全合闸的状态，然后测量试验回路的电阻为0.00769Ω。

临界分离时，通过控制连杆转动角度将动触头和静触头转动到试验回路临界断开的状态，然后测量试验回路的电阻0.01069Ω。

半分半合时，通过控制连杆转动角度将动触头和静触头转动到试验回路完全合闸和临界断开中间的状态，然后测量试验回路的电阻0.00917Ω。

(2)基于步骤(1)中规定的单相220kV GIS隔离开关的不同接触状态，建立GIS隔离开关不同接触状态下的几何模型。几何建模的对象包含隔离开关动触头、静触头、导杆、屏蔽罩、GIS金属外壳、SF₆绝缘气体和外部空气域；

所述步骤(2)包括如下步骤：

S2-1，基于单相220kV GIS隔离开关，建立GIS隔离开关不同接触状态下的几何模型。需要建模的几何区域(即对象)包含隔离开关动触头、静触头、导杆、屏蔽罩、GIS金属外壳、SF₆绝缘气体和外部空气域。几何建模结果如图3所示。本实施例中220kV GIS隔离开关的几何尺寸如下表所示：

S2-2，对GIS外部的空气域，采用圆柱筒的几何结构建模，圆柱筒外径为800mm。

S2-3，建立接触良好状态的几何模型时，对隔离开关动触头和静触头的几何建模要使得触头间的接触面积达到最大；

S2-4，建立临界分离状态的几何模型时，对隔离开关动触头和静触头的几何建模要使得触头间的接触面积尽可能小；

S2-5，建立半分半合状态的几何模型时，对隔离开关动触头和静触头的几何建模要使得触头间的接触面积是最大接触面积的一半；

(3)针对步骤(2)中建立的不同接触状态下GIS隔离开关的几何模型，设置动触头、静触头、导杆、屏蔽罩、GIS金属外壳、SF₆绝缘气体和外部空气域的材料属性；

所述步骤(3)包括如下步骤：

S3-1，对步骤(2)中建立的几何模型区域设置材料，需要设置材料属性的部位包括导杆、动触头、静触头、屏蔽罩、绝缘盆、SF6绝缘气体和外壳和外部空气，其中外壳和导杆采用的材料为铝合金2024-T6，绝缘盆采用的材料为环氧树脂。需设置的材料属性包括：电导率、相对磁导率、相对介电常数、参考电阻率、电阻率温度系数、参考温度、密度、导热系数、恒压热容、比热率和动力黏度。

主要的材料属性设置如下表所示：

外壳和导杆的参考电阻率设置为0.029×10^-6Ω·m，电阻率温度系数设置为3.8×10^-3K^-1，参考温度设置为293.15K。

(4)基于步骤(2)中建立的几何模型和步骤(3)中设置的材料属性，计算仿真回路的回路电阻值，将该回路电阻值与步骤(1)中测量的回路电阻值进行比较，判断是否一致。如不一致，返回步骤(2)，对动触头和静触头接触处的几何形状进行调整，直至达到一致；

所述步骤(4)包括如下步骤：

S4-1，在给几何模型赋予材料属性后，求解出仿真回路的回路电阻；

求解仿真回路回路电阻时，在仿真回路两端加上电压源，测量回路电流求得电阻；

S4-2，将仿真回路的电阻值，同试验回路电桥测量得到的电阻值进行比较，仿真回路值较大时则微调增加动触头和静触头之间的接触面积，仿真回路值较小时则微调减小动触头和静触头之间的接触面积。最终调整使得仿真回路电阻值与试验回路电阻值差值小于10μΩ。

(5)在步骤(4)的基础上，设置不同求解区域的物理场控制方程、边界条件、初始条件、物理场耦合关系。物理场的控制方程包含电磁场中的麦克斯韦方程、温度场中的广义传热方程、对流换热方程和辐射传热方程以及流体场中的连续性方程和动量守恒方程；

所述步骤(5)包括如下步骤：

S5-1，导体区域的控制方程为：

其中A₁和

分别为导体区域的矢量位函数和标量位函数，σ₁为导体的电导率，电导率为关于温度的函数详见后文，J为外施电流密度，μ₀为真空磁导率，值为1，

为哈密顿算子，j为虚数单位，ω为角频率，值为314.159。其中外施电流密度可表示为：

其中I和S分别导杆流过的电流和导杆的横截面积。

非导体区域的控制方程为：

其中A₂和

分别为非导体区域的矢量位函数和标量位函数，σ₂为该区域材料对应的电导率，μ_r为该区域材料的相对磁导率值为1。

S5-2，导杆、屏蔽罩及金属外壳中热量传递的控制方程为：

其中ρ为密度，c为比热容，T为温度，t为时间，k为导热系数，Q为热源，热源为电磁体积损耗密度详见后文。

SF₆和空气中热量传递的控制方程为：

其中u为流体的速度。

流固表面对流换热方程为：

q＝hΔT

其中q为热流密度，h为对流换热系数，ΔT为流体和物体表面的温差。

导杆与外壳之间、壳体与外界环境之间辐射换热方程为：

其中Q_f为辐射换热量，ε₁为导杆表面发射系数0.8，S₁为导杆表面积，δ为黑体辐射常数，值为5.67×10^-8W/(m²·K⁴)，T₁为导杆表面温度，T₂为壳体表面温度。

S5-3，GIS隔离开关中流体场的流动模型选择层流物理模型，其控制方程为：

其中η为流体动力黏度，g为重力加速度。

S5-4，如图4所示，针对220kV GIS隔离开关中，物理场之间耦合关系的设置如下：

将导杆区域电磁场中的电磁体积损耗密度设置为温度场中的热源。导杆和壳体所用铝合金材料的电阻，随温度的变化关系如下所示：

其中E为电场强度，α为3.8×10^-3K^-1，σ_ref为0.029×10^-6Ω·m，T_ref为293.15K。

在流场和温度场之间的耦合中，流体密度、导热系数、动力黏度随温度的变化关系如下所示：

对于空气而言，P为0.1MPa，K₁为28.9634g/mol，K₂为8.31J/(mol·K)，ρ_ref、k_ref、η_ref分别为参考密度、参考导热系数、参考动力黏度，S为苏士兰常数。

(6)对步骤(5)中的多物理场耦合数学模型进行求解，获得GIS隔离开关的多物理场分布特性。

所述步骤(6)包括如下步骤：

S6-1，采用有限元法对步骤(5)中建立的偏微分方程组数学模型进行求解。

S6-2，在进行三维空间网格剖分时，针对导杆、外壳、外部空气域采用先用三角形网格剖分面，再将面单元扫掠成体单元的网格剖分方式。其他区域采用自由四面体网格剖分，将导体和壳体进行网格局部加密处理。

本发明的仿真模拟方法与隔离开关实际工作条件更接近，故仿真结果的准确性可靠性较高。总体来说，本发明有助于研究GIS隔离开关不同接触状态时的多物理场及其特性，对GIS的安全可靠运行具有重要意义。

Claims (10)

1.GIS隔离开关不同接触状态下的多物理场耦合仿真模拟方法，其特征在于，包括建模过程和模拟过程：

所述建模过程包括：

基于GIS隔离开关的不同接触状态，建立GIS隔离开关不同接触状态下的几何模型，所述不同接触状态包括接触良好、半分半合和临界分离，所述几何模型建模的对象包含GIS隔离开关的动触头、静触头、导杆、屏蔽罩、GIS金属外壳、SF₆绝缘气体和外部空气域；

设置所述几何模型中所述对象的材料属性；

基于所述几何模型和各对象的材料属性，计算仿真回路在不同接触状态的回路电阻值，将仿真得到的不同接触状态的回路电阻值与GIS隔离开关在不同接触状态下实测得到的回路电阻值分别对应进行比较，判断是否一致，如果一致，将所述几何模型作为仿真模型，如不一致，调整GIS隔离开关不同接触状态下的几何模型，直至仿真得到的不同接触状态的回路电阻值与实测得到的不同接触状态的回路电阻值一致；

所述模拟过程包括：

设置仿真模型中各对象的物理场控制方程、边界条件、初始条件和物理场耦合关系，并进行求解，得到GIS隔离开关的多物理场分布特性。

2.根据权利要求1所述的GIS隔离开关不同接触状态下的多物理场耦合仿真模拟方法，其特征在于，实测GIS隔离开关在不同接触状态的回路电阻值时，在GIS隔离开关试验平台上，采用电桥测量的方法测量不同接触状态下的回路电阻；

实测时，通过操纵手动操作机构来设置试验平台中的GIS隔离开关不同接触状态，操纵手动操作机构时，通过控制连杆转动角度量化动触头和静触头之间的间距。

3.根据权利要求1或2所述的GIS隔离开关不同接触状态下的多物理场耦合仿真模拟方法，其特征在于：

当GIS隔离开关的接触状态为接触良好时，动触头和静触头处于完全合闸的状态；

当GIS隔离开关的接触状态为临界分离时，动触头和静触头处于回路临界断开的状态；

当GIS隔离开关的接触状态为半分半合时，动触头和静触头处于回路完全合闸和临界断开中间的状态。

4.根据权利要求1所述的GIS隔离开关不同接触状态下的多物理场耦合仿真模拟方法，其特征在于，建立GIS隔离开关不同接触状态下的几何模型时，GIS外部的空气域，采用圆柱筒的几何结构建模。

5.根据权利要求1所述的GIS隔离开关不同接触状态下的多物理场耦合仿真模拟方法，其特征在于，建立GIS隔离开关不同接触状态下的几何模型时：

当GIS隔离开关的接触状态为接触良好时，对动触头和静触头的几何建模要使得触头间的接触面积达到最大；

当GIS隔离开关的接触状态为临界分离时，对动触头和静触头的几何建模要使得触头间的接触面积最小；

当GIS隔离开关的接触状态为半分半合时，对动触头和静触头的几何建模要使得触头间的接触面积是最大接触面积的一半。

6.根据权利要求1所述的GIS隔离开关不同接触状态下的多物理场耦合仿真模拟方法，其特征在于，所述材料属性包括：电导率、相对磁导率、相对介电常数、参考电阻率、电阻率温度系数、参考温度、密度、导热系数、恒压热容、比热率和动力黏度。

7.根据权利要求1所述的GIS隔离开关不同接触状态下的多物理场耦合仿真模拟方法，其特征在于，计算仿真回路在不同接触状态的回路电阻值时，在仿真回路两端加上电压源，测量回路电流求得电阻；或者在仿真回路两端加上电流源，测量两端电压差求得电阻；

将仿真得到的不同接触状态的回路电阻值与GIS隔离开关在不同接触状态下实测得到的回路电阻值分别对应进行比较时，仿真回路回路电阻值较大时，微调增加动触头和静触头之间的接触面积，仿真回路回路电阻值较小时，微调减小动触头和静触头之间的接触面积；

仿真回路回路电阻值与GIS隔离开关在不同接触状态下实测得到的回路电阻值差值小于预设值时，则判断仿真回路回路电阻值与GIS隔离开关在不同接触状态下实测得到的回路电阻值一致。

8.根据权利要求1所述的GIS隔离开关不同接触状态下的多物理场耦合仿真模拟方法，其特征在于：

所述物理场的控制方程包含电磁场中的麦克斯韦方程、温度场中的广义传热方程、对流换热方程和辐射传热方程以及流体场中的连续性方程和动量守恒方程；

其中：依据电磁场麦克斯韦方程组，导体区域的控制方程为：

其中，A₁和

分别为导体区域的矢量位函数和标量位函数，σ₁为导体的电导率，J为外施电流密度，μ₀为真空磁导率，

为哈密顿算子，j为虚数单位，ω为角频率；

非导体区域的控制方程为：

其中，A₂和

分别为非导体区域的矢量位函数和标量位函数，σ₂为该区域材料对应的电导率，μ_r为该区域材料的相对磁导率；

固体中热量传递的控制方程为：

其中，ρ为密度，c为比热容，T为温度，t为时间，k为导热系数，Q为热源；

流体中热量传递的控制方程为：

其中，u为流体的速度；

流固表面对流换热方程为：

q＝hΔT

其中，q为热流密度，h为对流换热系数，ΔT为流体和物体表面的温差；

导杆与GIS金属外壳之间、GIS金属外壳与外界环境之间辐射换热方程为：

其中，Q_f为辐射换热量，ε₁为导杆表面发射系数，S₁为导杆表面积，δ为黑体辐射常数，T₁为导杆表面温度，T₂为GIS金属外壳表面温度；

GIS隔离开关中流体场的流动模型选择层流物理模型，其控制方程为：

其中，η为流体动力黏度，g为重力加速度；

针对GIS隔离开关中，物理场之间耦合关系如下：

在电磁热双向耦合中，将电磁场中的电磁体积损耗密度设置为温度场中的热源，导杆和GIS金属外壳所用铝合金材料的电阻，随温度的变化关系如下所示：

其中，E为电场强度，α为电阻率温度系数，σ_ref、T_ref分别为参考电导率和参考温度；

在流场和温度场之间的耦合中，流体密度、导热系数、动力黏度随温度的变化关系如下所示：

其中，P为流体的压强，K₁为流体的摩尔质量，K₂为通用的气体常数，ρ_ref、k_ref、η_ref分别为参考密度、参考导热系数、参考动力黏度，S为苏士兰常数。

9.根据权利要求1所述的GIS隔离开关不同接触状态下的多物理场耦合仿真模拟方法，其特征在于：

采用有限元法对仿真模型中各对象的物理场控制方程、边界条件、初始条件和物理场耦合关系进行求解；

求解时，在进行三维空间网格剖分时，针对导杆、GIS金属外壳、外部空气域采用先用三角形网格剖分面，再将面单元扫掠成体单元的网格剖分方式；对于动触头、静触头、屏蔽罩和SF₆绝缘气体采用自由四面体网格剖分。

10.GIS隔离开关不同接触状态下的多物理场耦合仿真模拟系统，其特征在于，包括建模模块和模拟模块，其中：

建模模块：用于基于GIS隔离开关的不同接触状态，建立GIS隔离开关不同接触状态下的几何模型，所述不同接触状态包括接触良好、半分半合和临界分离，所述几何模型建模的对象包含GIS隔离开关的动触头、静触头、导杆、屏蔽罩、GIS金属外壳、SF₆绝缘气体和外部空气域；

设置所述几何模型中所述对象的材料属性；

基于所述几何模型和各对象的材料属性，计算仿真回路在不同接触状态的回路电阻值，将仿真得到的不同接触状态的回路电阻值与GIS隔离开关在不同接触状态下实测得到的回路电阻值分别对应进行比较，判断是否一致，如果一致，将所述几何模型作为仿真模型，如不一致，调整GIS隔离开关不同接触状态下的几何模型，直至仿真得到的不同接触状态的回路电阻值与实测得到的不同接触状态的回路电阻值一致；

模拟模块：用于设置仿真模型中各对象的物理场控制方程、边界条件、初始条件和物理场耦合关系，并进行求解，得到GIS隔离开关的多物理场分布特性。

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