CN113591264B - 一种高压开关的温度计算方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高压开关的温度计算方法及装置。方法包括：建立高压开关模型，包括通流导体、绝缘子、封闭壳体；确定预设电流、预设温度；根据预设温度得到通流导体和封闭壳体的电阻率；根据电阻率、预设电流、电磁场模型计算出在交流电场下高压开关模型的电流密度分布、以及电场强度分布；进而得到通流导体的发热损耗、封闭壳体的发热损耗、绝缘子的介质损耗；进而结合热传导模型得到高压开关的温度分布；温度分布收敛，则结束计算，不收敛，则更新预设温度，直至收敛。本发明结合电磁场以及温度场计算出高压开关的温度分布，更加符合实际。
Description
技术领域
本发明涉及一种高压开关的温度计算方法及装置，属于高压电器仿真技术领域。
背景技术
承载电流是高压开关的基本工作工况，高压开关通入电流后温度将会上升，进而影响高压开关的性能，因此温升的研究对高压开关设备的研发设计与安全运行具有重大意义。
传统的高压开关的设计方法为通过反复试验后，进行样机修改。该方法会耗费巨大的人力、物力，不仅造成研发成本的增加，且研发周期较长。为了提高产品设计性能、缩短研发周期，仿真技术在高压开关研发中得到越来越多的应用。
为此，随着场域分析技术的发展和计算机性能的提高，有人提出将数值方法应用于高压开关设备仿真分析，例如：通过热网络法进行开关设备的热分析，而且还有人提出利用有限元方法进行热分析，建立了交流接触器的热分析模型，对其温度场进行了仿真计算。
然而，现有的仿真技术，主要是对单一物理场特性参数的研究。对于高压开关设备运行工况复杂，涉及到结构力学性能、电磁场、温度场及气流场等诸多物理场问题，单一物理场的分析方法，无法全面评价高压开关的运行工况，温度仿真结果并不准确，甚至会顾此失彼，得出错误的结论。
发明内容
本申请的目的在于提供一种高压开关的温度计算方法及装置，用以解决温度仿真计算方法不准确的问题。
为实现上述目的，本申请提出了一种高压开关的温度计算方法的技术方案，包括以下步骤：
1)获取高压开关模型的预设电流、高压开关的预设温度；高压开关模型包括通流导体、绝缘子、封闭壳体；
2)根据预设温度得到通流导体和封闭壳体的电阻率；
3)根据电阻率、预设电流、电磁场模型计算出在交流电场下高压开关模型的电流密度分布、以及电场强度分布；
4)根据通流导体的电阻率、以及通流导体的电流密度分布得到通流导体的发热损耗；根据封闭壳体的电阻率、以及封闭壳体的电流密度分布得到封闭壳体的发热损耗；根据绝缘子的电场强度分布得到绝缘子的介质损耗；
5)根据通流导体的发热损耗、封闭壳体的发热损耗、绝缘子的介质损耗，结合热传导模型得到高压开关的温度分布；
6)根据温度分布结果和预设温度判断温度分布是否收敛，若温度分布结果和预设温度的相对差值小于设定值，则收敛，结束计算；若温度分布结果和预设温度的相对差值大于等于设定值，则不收敛，根据温度分布结果更新预设温度，重复步骤1)～步骤5)，直至收敛，结束计算。
另外，本申请还提出一种高压开关的温度计算装置的技术方案，包括处理器、存储器以及存储在所述存储器中并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器在执行所述计算机程序时实现上述高压开关的温度计算方法的技术方案。
本发明的高压开关的温度计算方法及装置的技术方案的有益效果是：高压开关的通流导体在通入交流电时，产生电磁场，导致封闭壳体在电磁感应下产生感应电流，因此，本发明中的欧姆发热包括通流导体和封闭壳体两部分的发热损耗，再加上绝缘子的介质损耗，构成了高压开关在通入交流电时的热量来源，进而结合内部的热传导模型最终分析出高压开关的整体温度分布。本发明结合电磁场以及温度场计算出高压开关的温度分布，全面的评价高压开关的运行情况，得到的温度计算结果更加符合实际，更加准确。
进一步的，上述高压开关的温度计算方法及装置中，为了更加准确的进行散热分析，结合气流场对温度分布进行修正，所述步骤5)中还包括将高压开关的温度分布进行修正的步骤：
高压开关的温度分布包括高压开关内部和外表面的温度分布；高压开关内部包括通流导体、绝缘子、封闭壳体内部以及内表面；高压开关外表面包括封闭壳体外表面；
结合高压开关内部的温度分布和内部对流模型对高压开关内部的温度进行修正；结合高压开关外表面的温度分布和外部热交换模型对高压开关外表面的温度进行修正，进而得到高压开关修正后的温度分布；外部热交换模型包括外部对流模型和辐射模型。
进一步的，上述高压开关的温度计算方法及装置中，所述步骤6)中，温度分布结果为温度分布中的最大温度或者温度的平均值。
进一步的，上述高压开关的温度计算方法及装置中，所述设定值为1％。
进一步的，上述高压开关的温度计算方法及装置中，所述步骤2)中，所述电阻率的计算过程为：
σ＝α(T-20)+σ20℃；
其中，σ为预设温度下的电阻率；α为温度系数；T为预设温度；σ20℃为20℃下的电阻率。
进一步的，上述高压开关的温度计算方法及装置中，所述步骤3)中，电磁场模型为：
其中，H为磁场强度；J为电流密度；E为电场强度；B为磁感应强度；D为电通量密度；ρδ为电荷密度；t为时间；ε为介电常数；μ为磁导率；σ为预设温度下的电阻率。
进一步的，上述高压开关的温度计算方法及装置中，所述步骤4)中，发热损耗的计算过程为：
qσ＝σJ2；
其中，qσ为发热损耗；σ为预设温度下的电阻率；J为电流密度。
进一步的，上述高压开关的温度计算方法及装置中，所述步骤4)中，介质损耗的计算过程为：
qd＝E2fεtanδ；
其中，qd为介质损耗；E为电场强度；f为预设电流频率；ε为介电常数；tanδ为绝缘材料介质的损耗角正切值。
进一步的，上述高压开关的温度计算方法及装置中，所述热传导模型为：
其中，(x,y,z)为位置坐标；Ts为固体温度；λs为固体热传导系数；q为损耗。
附图说明
图1是本发明高压开关的温度计算方法的流程图；
图2是本发明高压开关模型的结构示意图；
图3是本发明高压开关的温度计算装置的结构示意图；
图中：1为通流导体、2为绝缘子、3为封闭壳体。
具体实施方式
高压开关的温度计算方法实施例：
本发明的主要构思在于，高压开关在运行时，承载电流会产生温升，稳态温升是由发热与散热两方面共同作用的结果。因此首先建立了包括通流导体、绝缘子和封闭壳体的简化的高压开关模型，其次对高压开关模型在交流电场下的发热损耗和介质损(即发热)耗进行计算，最后，根据发热损耗、介质损耗，结合热传导模型确定高压开关的温度分布。本发明对高压开关温度的计算结合了电磁场、温度场，通过多种物理场的计算得到更加准确的分析结果。
本发明的温度计算只要涉及两个方面的计算：发热源和热量传输，发热主要涉及到绝缘介质的介质损耗以及电阻的欧姆发热；热量传输主要涉及到热传导、对流和辐射，因此，高压开关的温度计算方法如图1所示，包括以下步骤：
1)建立如图2所示的高压开关模型，设置边界条件。
高压开关模型为一个简化的模型，包括通流导体1、绝缘子2、以及封闭壳体3，内部的空白区域表示气体。
电流从通流导体1中流过，产生欧姆发热；封闭壳体3在通过导体中电流的电磁感应下，产生感应电流，从而产生欧姆发热；绝缘子2在交流电场的作用下，会产生介质损耗发热。
边界条件为：外部环境温度；外部空气流动速度等。
2)确定通入高压开关模型的预设电流、高压开关的预设温度(预设温度也即初始化温度)。
3)根据步骤2)中的预设温度得到通流导体1和封闭壳体3的电阻率。
绝大多数导体的电阻率会受到温度的影响，在-100～200℃范围内，导体电阻率的变化与温度变化一般成线性关系，电阻率与温度的关系如下：
σ＝α(T-20)+σ20℃；
其中，σ为预设温度下的电阻率；α为温度系数；T为预设温度；σ20℃为20℃下的电阻率。
本实施例中，初始化温度为20℃，也即不管是通流导体1还是封闭壳体3，电阻率为20℃下的电阻率。
4)根据电阻率、预设电流、电磁场模型计算出在交流电场下高压开关模型的电流密度分布、以及电场强度分布。
从通流导体1的端部输入输出预设电流值。初始条件下，电流密度分布假设成均匀分布，当进行电磁场计算时，电流密度会按照下面的电磁场模型进行分布，最终得到的总电流值与输入的电流值保持相等时的电流密度分布和电场强度分布即为计算出的电流密度分布、以及电场强度分布。
电磁场模型为：
其中，H为磁场强度；J为电流密度；E为电场强度；B为磁感应强度；D为电通量密度；ρδ为电荷密度；t为时间；ε为介电常数；μ为磁导率。这里的介电常数和磁导率针对不同的材料有不同的值，材料包括通流导体1的材料、绝缘子2的材料、以及封闭壳体3的材料，针对不同的材料，计算出不同位置的电流密度分布和电场强度分布。
这里的电流密度分布、以及电场强度分布是指高压开关模型中的每个点的电流密度和电场强度。当交变电流通过通流导体1时，会产生交变磁场，根据电磁感应定律，交变磁场又会产生感应电场，使沿导线截面的电流分布不均匀，靠近通流导体1表面处的电流密度大，越深入通流导体1内部电流密度越小，这就是集肤效应。相比于通直流电的情况，集肤效应导致有效通流面积减小，情形更为复杂。
5)根据通流导体1的电阻率、以及通流导体1的电流密度分布得到通流导体1的发热损耗；根据封闭壳体3的电阻率、以及封闭壳体3的电流密度分布得到封闭壳体3的发热损耗；根据绝缘子2的电场强度分布得到绝缘子2的介质损耗。
发热损耗的计算过程为：
qσ＝σJ2；
其中，qσ为发热损耗；σ为预设温度下的电阻率；J为电流密度。
介质损耗的计算过程为：
qd＝E2fεtanδ；
其中，qd为介质损耗；E为电场强度；f为预设电流频率；ε为介电常数；tanδ为绝缘材料介质的损耗角正切值。
这里计算出的通流导体1的发热损耗为通流导体1每个点(每个点对应一个位置)的发热损耗，包括导体内部的发热损耗和导体表面的发热损耗；封闭壳体3的发热损耗为封闭壳体3每个点的发热损耗，包括壳体内部的发热损耗、壳体内表面的发热损耗和壳体外表面发热损耗；绝缘子2的介质损耗为绝缘子2每个点的介质损耗，包括内部介质损耗和表面介质损耗。
6)根据通流导体1的发热损耗、封闭壳体3的发热损耗、绝缘子2的介质损耗，结合热传导模型计算出高压开关的温度分布。
通流导体1、封闭壳体3以及绝缘子2等固体内部热量传递通过热传导模型进行，其热源是步骤5)中计算得到的损耗。热传导模型为：
建立笛卡尔坐标系，坐标原点为通流导体1左端面圆心处，x轴为导体轴线方向，y方向为重力反方向。其中，(x,y,z)为位置坐标，代表每个点；Ts为固体温度；λs为固体热传导系数；q为损耗，包括发热损耗和介质损耗，不同的损耗计算出不同的温度分布，高压开关的温度分布包括高压开关内部和外表面的温度分布；高压开关内部包括通流导体1、绝缘子2、封闭壳体3内部以及内表面；高压开关外表面包括封闭壳体3外表面。
7)结合高压开关内部的温度分布和内部对流模型对高压开关内部的温度进行修正；结合高压开关外表面的温度分布和外部热交换模型对高压开关外表面的温度进行修正，进而得到高压开关修正后的温度分布；外部热交换模型包括外部对流模型和辐射模型。
对于高压开关内部，其涉及到与内部气体的对流过程，因此，采用内部对流模型对内部的温度进行修正，高压开关外表面涉及到与大气的对流以及辐射的热交换，因此通过包含有外部对流模型以及辐射模型的热交换模型进行高压开关外表面温度的修正。
关于对流模型，包括内部对流模型和外部对流模型两种处理方式：1.对于通流导体1表面、绝缘子2表面以及封闭壳体3的内表面，形状不规则，且布置形式多变，采用内部对流模型进行求解；2.对于封闭壳体3外表面，其形状对位规则的圆筒形结构，采用外部对流模型。当然，在保证内部固体形态规则的情况下，也可以采用外部对流模型进行内部温度的修正。
通流导体1表面、绝缘子2表面以及封闭壳体3的内表面的热量通过内部气体带走热量，封闭壳体3外表面的热量通过对流和辐射传递到大气环境中。
修正过程如下：
在通流导体1与气体、绝缘子2与气体、以及封闭壳体3的内表面与气体的交界面，设定固体和气体侧温度相同，并且通过接触面法向的热传输量相等进行固体温度的修正。
内部对流模型也即控制方程，控制方程为：
其中，ρ为气体密度；u为气体x方向速度；v为气体y方向速度；w为气体z方向速度；p为气体压力；η为气体粘度值；c为气体定压比热容；λs为气体热导率。
内部对流也即和内部的气体进行对流，内部气体的状态方程为：
其中，p为气体压力；ρ为气体密度；T为气体温度
在通流导体1与气体交界面上，有如下设定：
Tf＝Ts；
其中，Tf为交界面上气体侧的温度，Ts为交界面上固体侧的温度,n为交界面法向向量。
在封闭壳体3外表面，设定封闭壳体3法向热传输量与通过对流及辐射传热的热量相等，首先，对所有固体和气体初始化温度，对气体区域在另外初始化气流速度、压力，采用有限体积法对整个求解域进行离散，采用迭代求解法对下述方程组进行迭代求解。
筒体外部(也即封闭壳体3的外表面)与环境之间的热交换模型进行计算：
其中，q1为筒体外部对流传输的热量，q2为筒体外部通过辐射传递的热量。其中，
筒体外部的外部对流模型，采用牛顿冷却公式进行计算：
q1＝h(Tw-Te)；
其中，h为对流换热系数，能够根据封闭壳体3的筒壁尺寸和表面状况进行确定，Tw为封闭壳体3的外表面温度，Te为外部环境温度(可以进行设定)。
物体通过电磁波向四周传递能量的方式称为辐射。工程中通常将所研究的对象当成灰体处理(即发热率和吸收率相等的物体)，在单位时间内通过辐射向四周发射的能量如下：
其中，ε1为表面发射率；σ0为斯特潘-玻尔兹曼常量；T1为封闭壳体3的外表面温度，T2为外部环境温度。
通过上述计算，可以得到修正后的高压开关任意位置的温度，进而得到修正后的高压开关的温度分布。
8)根据修正后的温度分布结果和预设温度判断温度分布是否收敛，若修正后的温度分布结果和预设温度的相对差值小于设定值，则收敛，结束计算；若修正后的温度分布结果和预设温度的相对差值大于等于设定值，则不收敛，根据修正后的温度分布结果更新预设温度，重复步骤2)～步骤7)，直至收敛，结束计算。
这里的修正后的温度分布结果可以为温度分布中的最大温度或者温度的平均值，在不收敛，需要更新预设温度时，可以直接将修正后的最大温度或者平均值作为新的预设温度进行计算。
本实施例中，为了保证温度分布结果的准确性，设定值为1％，当然该设定值可以根据需要进行设置，本发明不做限制。
上述实施例中，为了提高温度计算的准确性，通过热传递模型计算出温度分布后，通过对流模型以及辐射模型对温度分布进行修正，作为其他实施方式，在保证热传递结果准确的情况下，也可不进行修正。
本发明涉及多种物理场的耦合计算，极大地提高了仿真计算的精度，能够有效指导产品通流能力设计，降低了设计周期，具有重大的技术意义。
高压开关的温度计算装置实施例：
高压开关的温度计算装置，如图3所示，包括处理器、存储器以及存储在所述存储器中并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器在执行所述计算机程序时实现高压开关的温度计算方法。
高压开关的温度计算方法的具体实施过程以及效果在上述高压开关的温度计算方法实施例中介绍，这里不做赘述。
也就是说，以上高压开关的温度计算方法实施例中的方法应理解可由计算机程序指令实现高压开关的温度计算方法的流程。可提供这些计算机程序指令到处理器(如通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备等)，使得通过处理器执行这些指令产生用于实现上述方法流程所指定的功能。
本实施例所指的处理器是指微处理器MCU或可编程逻辑器件FPGA等的处理装置；
本实施例所指的存储器用于存储实现高压开关的温度计算方法而形成的计算机程序指令，包括用于存储信息的物理装置，通常是将信息数字化后再以利用电、磁或者光学等方式的媒体加以存储。例如：利用电能方式存储信息的各式存储器，RAM、ROM等；利用磁能方式存储信息的的各式存储器，硬盘、软盘、磁带、磁芯存储器、磁泡存储器、U盘；利用光学方式存储信息的各式存储器，CD或DVD。当然，还有其他方式的存储器，例如量子存储器、石墨烯存储器等等。
通过上述存储有实现高压开关的温度计算方法而形成的计算机程序指令的存储器、处理器构成的高压开关的温度计算装置，在计算机中由处理器执行相应的程序指令来实现，计算机可使用windows操作系统、linux系统、或其他，例如使用android、iOS系统程序设计语言在智能终端实现，以及基于量子计算机的处理逻辑实现等。
作为其他实施方式，高压开关的温度计算装置还可以包括其他的处理硬件，如数据库或多级缓存、GPU等，本发明并不对高压开关的温度计算装置的结构做具体的限定。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和
/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (9)
1.一种高压开关的温度计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)获取高压开关模型的预设电流、高压开关的预设温度；高压开关模型包括通流导体、绝缘子、封闭壳体；
2)根据预设温度得到通流导体和封闭壳体的电阻率；所述电阻率的计算过程为：
σ＝α(T-20)+σ20℃；
其中，σ为预设温度下的电阻率；α为温度系数；T为预设温度；σ20℃为20℃下的电阻率；
3)根据电阻率、预设电流、电磁场模型计算出在交流电场下高压开关模型的电流密度分布、以及电场强度分布；
4)根据通流导体的电阻率、以及通流导体的电流密度分布得到通流导体的发热损耗；根据封闭壳体的电阻率、以及封闭壳体的电流密度分布得到封闭壳体的发热损耗；根据绝缘子的电场强度分布得到绝缘子的介质损耗；
5)根据通流导体的发热损耗、封闭壳体的发热损耗、绝缘子的介质损耗，结合热传导模型得到高压开关的温度分布；
6)根据温度分布结果和预设温度判断温度分布是否收敛，若温度分布结果和预设温度的相对差值小于设定值，则收敛，结束计算；若温度分布结果和预设温度的相对差值大于等于设定值，则不收敛，根据温度分布结果更新预设温度，重复步骤1)～步骤5)，直至收敛，结束计算。
2.根据权利要求1所述的高压开关的温度计算方法，其特征在于，所述步骤5)中还包括将高压开关的温度分布进行修正的步骤：
高压开关的温度分布包括高压开关内部和外表面的温度分布；高压开关内部包括通流导体、绝缘子、封闭壳体内部以及内表面；高压开关外表面包括封闭壳体外表面；
结合高压开关内部的温度分布和内部对流模型对高压开关内部的温度进行修正；结合高压开关外表面的温度分布和外部热交换模型对高压开关外表面的温度进行修正，进而得到高压开关修正后的温度分布；外部热交换模型包括外部对流模型和辐射模型。
3.根据权利要求1所述的高压开关的温度计算方法，其特征在于，所述步骤6)中，温度分布结果为温度分布中的最大温度或者温度的平均值。
4.根据权利要求1或3所述的高压开关的温度计算方法，其特征在于，所述设定值为1％。
5.根据权利要求1所述的高压开关的温度计算方法，其特征在于，所述步骤3)中，电磁场模型为：
其中，H为磁场强度；J为电流密度；E为电场强度；B为磁感应强度；D为电通量密度；ρδ为电荷密度；t为时间；ε为介电常数；μ为磁导率；σ为预设温度下的电阻率。
6.根据权利要求1所述的高压开关的温度计算方法，其特征在于，所述步骤4)中，发热损耗的计算过程为：
qσ＝σJ2；
其中，qσ为发热损耗；σ为预设温度下的电阻率；J为电流密度。
7.根据权利要求1所述的高压开关的温度计算方法，其特征在于，所述步骤4)中，介质损耗的计算过程为：
qd＝E2fεtand；
其中，qd为介质损耗；E为电场强度；f为预设电流频率；ε为介电常数；tand为绝缘材料介质的损耗角正切值。
8.根据权利要求1所述的高压开关的温度计算方法，其特征在于，所述热传导模型为：
其中，(x,y,z)为位置坐标；Ts为固体温度；λs为固体热传导系数；q为损耗。
9.一种高压开关的温度计算装置，其特征在于，包括处理器、存储器以及存储在所述存储器中并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器在执行所述计算机程序时实现如权利要求1-8中任一项所述的高压开关的温度计算方法。
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