CN113128059B - 一种高压套管内部缺陷的热等效分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高压套管内部缺陷的热等效分析方法，首先将高压套管多层结构简化为多层柱状简化模型，再将多层柱状简化模型等效为单层柱状等效模型，并将高压套管内部缺陷等效为单层柱状等效模型的内部热源；根据高压套管的材料组成，分别确定多层柱状简化模型各层的热导率等材料参数，并根据多层平壁稳定传热过程，确定单层柱状等效模型的等效热导率，由此将高压套管多层传热分析等效为单层传热分析。本发明极大简化了对高压套管的热分析过程，是一种精确、高效、快速的高压套管内部缺陷热分析方法，对高压套管内部缺陷热分析具有重要意义。

Description

一种高压套管内部缺陷的热等效分析方法

技术领域

本发明属于高压套管内部缺陷热分析技术领域，具体涉及一种高压套管内部缺陷的热等效分析方法的设计。

背景技术

电力系统在我国经济社会发展中具有重要作用。套管为在高压电力系统中起到绝缘和支撑作用的器件，其良好的服役性能是保障高压电力系统安全、稳定运行的必要条件。然而，随着电压等级的提升和电力需求剧增，高压套管绝缘电阻降低，发生沿面闪络，导致内部缺陷扩展、发热，已成为威胁电力系统安全运行的关键问题。高压套管内部缺陷常导致高压套管发热，甚至造成套管失效，因此有必要掌握高压套管内部热缺陷，并对高压套管热状态进行分析，对于预防套管故障、保障电力系统安全可靠运行具有重要意义。

然而高压套管有多层包覆绝缘结构，对套管的热解析分析计算繁琐复杂，在内部出现热缺陷时难以直接有效求解，目前对多层结构下套管的热分析多采用有限元等数值求解方法，但该类方法仅能得到数值近似解，难以得到精确解。

发明内容

本发明的目的是为了简化高压套管的热分析过程，并对套管内部热缺陷进行精确解析，提出了一种高压套管内部缺陷的热等效分析方法。

本发明的技术方案为：一种高压套管内部缺陷的热等效分析方法，包括以下步骤：

S1、将高压套管多层结构简化为多层柱状简化模型。

S2、根据高压套管的材料组成，分别确定多层柱状简化模型中各层的热导率和厚度。

S3、将多层柱状简化模型等效为单层柱状等效模型，并将高压套管内部缺陷等效为单层柱状等效模型的内部热源。

S4、根据多层柱状简化模型中各层的热导率和厚度确定单层柱状等效模型的等效热导率，将高压套管的多层传热问题等效为单层传热问题，实现采用单层柱状等效模型对高压套管多层传热结构的等效热分析。

进一步地，步骤S1中简化得到的多层柱状简化模型包括依次设置的导电杆层、电容层、绝缘纸层、绝缘筒层和瓷套层。

进一步地，步骤S4中单层柱状等效模型的等效热导率λ_e的计算公式为：

其中λ₁,λ₂,λ₃,λ₄,λ₅分别表示导电杆层、电容层、绝缘纸层、绝缘筒层和瓷套层的热导率，δ₁,δ₂,δ₃,δ₄,δ₅分别表示导电杆层、电容层、绝缘纸层、绝缘筒层和瓷套层的厚度，δ_e＝δ₁+δ₂+δ₃+δ₄+δ₅表示单层柱状等效模型的等效层厚度。

进一步地，步骤S4中采用单层柱状等效模型对高压套管多层传热结构的等效热分析公式为：

其中q表示多层柱状简化模型中的单位面积热流，t₁,t₆分别表示多层柱状简化模型两侧的表面温度。

本发明的有益效果是：本发明首先将高压套管多层结构简化为多层柱状简化模型，再将多层柱状简化模型等效为单层柱状等效模型，并将高压套管内部缺陷等效为单层柱状等效模型的内部热源；根据高压套管的材料组成，分别确定多层柱状简化模型各层的热导率等材料参数，并根据多层平壁稳定传热过程，确定单层柱状等效模型的等效热导率，由此将高压套管多层传热分析等效为单层传热分析。本发明极大简化了对高压套管的热分析过程，是一种精确、高效、快速的高压套管内部缺陷热分析方法，对高压套管内部缺陷热分析具有重要意义。

附图说明

图1所示为本发明实施例提供的一种高压套管内部缺陷的热等效分析方法流程图。

图2所示为本发明实施例提供的高压套管多层结构简化流程示意图。

图3所示为本发明实施例提供的多层结构传热模型等效结构示意图。

具体实施方式

现在将参考附图来详细描述本发明的示例性实施方式。应当理解，附图中示出和描述的实施方式仅仅是示例性的，意在阐释本发明的原理和精神，而并非限制本发明的范围。

本发明实施例提供了一种高压套管内部缺陷的热等效分析方法，如图1所示，包括以下步骤S1～S4：

S1、将高压套管多层结构简化为多层柱状简化模型，其简化过程如图2(a)～2(c)所示。

本发明实施例中，如图2(c)所示，多层柱状简化模型包括依次设置的导电杆层、电容层、绝缘纸层、绝缘筒层和瓷套层。

S2、根据高压套管的材料组成，分别确定多层柱状简化模型中各层的热导率和厚度。

S3、将多层柱状简化模型等效为单层柱状等效模型，其等效过程如图2(c)～2(d)所示，并将高压套管内部缺陷等效为单层柱状等效模型的内部热源。

S4、根据多层柱状简化模型中各层的热导率和厚度确定单层柱状等效模型的等效热导率，将高压套管的多层传热问题等效为单层传热问题，实现采用单层柱状等效模型对高压套管多层传热结构的等效热分析。

本发明实施例中，单层柱状等效模型的等效热导率的具体确定方法如下：

首先以单层平壁传热模型为例，如图3(a)所示，其平壁厚度为δ，热导率为λ，平壁两侧表面温度分别为t₁,t₂，根据热传导傅里叶定律，流过平壁单位面积热流为q＝λ(t₁-t₂)/δ，即t₁-t₂＝qδ/λ，由此单层平壁传热模型中单位面积热流可表示为：

进一步的，根据单层传热分析方法，对于多层平壁传热模型，本发明实施例中以3层为例，如图3(b)所示，各层边界温度分别为t₁,t₂,t₃,t₄，各层热导率分别为λ₁,λ₂,λ₃，各层的厚度分别为δ₁,δ₂,δ₃，流过其单位面积的热流可用公式(2)表示：

由公式(2)可得

整理可得多层平壁传热模型的单位面积热流为

进一步的，上述多层平壁传热模型中单位面积热流可表示为公式(3)：

其中，

δ_e＝δ₁+δ₂+δ₃。

对比单层平壁传热模型和多层平壁传热模型中单位面积热流表达式，即公式(1)和公式(3)，表明多层平壁传热模型可由热导率为λ_e的单层平壁等效结构来进行等效，从而实现采用单层等效传热模型对多层传热结构的等效热分析。

将上述方法应用到本发明实施例的高压套管多层结构中，其简化得到的多层柱状简化模型即为一个5层平壁传热模型，其中导电杆层、电容层、绝缘纸层、绝缘筒层和瓷套层的热导率分别为λ₁,λ₂,λ₃,λ₄,λ₅，导电杆层、电容层、绝缘纸层、绝缘筒层和瓷套层的厚度分别为δ₁,δ₂,δ₃,δ₄,δ₅，导电杆层、电容层、绝缘纸层、绝缘筒层和瓷套层边界温度分别为t₁,t₂,t₃,t₄,t₅,t₆。则单层柱状等效模型的等效热导率λ_e的计算公式为：

其中δ_e＝δ₁+δ₂+δ₃+δ₄+δ₅表示单层柱状等效模型的等效层厚度。

因此采用单层柱状等效模型对高压套管多层传热结构的等效热分析公式为：

其中q表示多层柱状简化模型中的单位面积热流，t₁,t₆即可表示多层柱状简化模型两侧的表面温度。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种高压套管内部缺陷的热等效分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将高压套管多层结构简化为多层柱状简化模型；

S2、根据高压套管的材料组成，分别确定多层柱状简化模型中各层的热导率和厚度；

S3、将多层柱状简化模型等效为单层柱状等效模型，并将高压套管内部缺陷等效为单层柱状等效模型的内部热源；

S4、根据多层柱状简化模型中各层的热导率和厚度确定单层柱状等效模型的等效热导率，将高压套管的多层传热问题等效为单层传热问题，实现采用单层柱状等效模型对高压套管多层传热结构的等效热分析；

所述步骤S1中简化得到的多层柱状简化模型包括依次设置的导电杆层、电容层、绝缘纸层、绝缘筒层和瓷套层；

所述步骤S4中单层柱状等效模型的等效热导率λ_e的计算公式为：

其中λ₁,λ₂,λ₃,λ₄,λ₅分别表示导电杆层、电容层、绝缘纸层、绝缘筒层和瓷套层的热导率，δ₁,δ₂,δ₃,δ₄,δ₅分别表示导电杆层、电容层、绝缘纸层、绝缘筒层和瓷套层的厚度，δ_e＝δ₁+δ₂+δ₃+δ₄+δ₅表示单层柱状等效模型的等效层厚度。

2.根据权利要求1所述的高压套管内部缺陷的热等效分析方法，其特征在于，所述步骤S4中采用单层柱状等效模型对高压套管多层传热结构的等效热分析公式为：

其中q表示多层柱状简化模型中的单位面积热流，t₁,t₆分别表示多层柱状简化模型两侧的表面温度。

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