CN113962169A - 考虑背景流体影响下的gis击穿放电超声波数值模拟方法 - Google Patents

考虑背景流体影响下的gis击穿放电超声波数值模拟方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种考虑背景流体影响下的GIS击穿放电超声波数值模拟方法，该方法包括：步骤1：根据已有的GIS实物模型建立其相对应的数值物理模型；步骤2：进行电‑磁‑热‑流多物理场耦合仿真计算，获得稳态时GIS内SF6气体的温度分布结果、压力分布结果和流速分布结果；步骤3：通过弱形式的偏微分方程，将CFD计算网格下的温度、压力和流速分布结果映射至声场网格；步骤4：根据参数设置时SF6气体的密度随温度和压力变化的函数，最终获得SF6气体密度、压力和流速随空间变化的线性欧拉方程；步骤5：获得背景流体影响下的声压瞬时分布结果。与现有技术相比，本发明具有提高GIS内击穿放电超声波模拟的精度等优点。

Description

考虑背景流体影响下的GIS击穿放电超声波数值模拟方法
技术领域
本发明涉及GIS击穿放电超声波数值模拟领域，尤其是涉及一种考虑背景流体影响下的GIS击穿放电超声波数值模拟方法。
背景技术
气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)是电力系统中的一种重要设备。因为其具有安全性高、占地面积小等特点而被广泛应用于输变电工程领域。但是GIS为一种全封闭式结构，设备内部如果出现了缺陷，不容易进行排查。因此，在GIS设备投运前一般会进行耐压击穿试验，通过检测击穿放电信号来排除可能存在的缺陷。目前，通过在外壳上布置压电式超声传感器检测击穿放电时产生的超声波信号来定位缺陷位置是一种常用的方式，但是因为超声波信号在GIS内衰减的幅度较大，传感器通常只能检测到微弱的信号，若传感器距离击穿放电点较远甚至无法检测到放电信号。因此，近年来开始有学者通过数值方法来模拟GIS产生放电后，超声波在GIS内的传播过程以及研究声波信号在传播中的衰减特性等，以此来优化超声传感器的布置位置，提高检测精度。
目前，通过数值方法对超声波传播过程进行仿真的研究在变压器中较多，GIS中较少。但无论是在变压器还是GIS中，现有的研究通常都是通过求解声波的波动方程来模拟超声波信号的瞬时传播过程。这种方法假设背景流体(如变压器油，SF6绝缘气体)为一种静止的均匀介质，即没有考虑背景流体的流动和分布的不均匀性对声波传播的影响，忽略了由此造成的声压信号的衰减，模拟结果与实际结果存在一定的偏差。
因此，急需一种仿真精度更高的考虑背景流体流动和分布不均匀性影响的GIS击穿放电超声波数值模拟的方法。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种考虑背景流体影响下的GIS击穿放电超声波数值模拟方法，旨在考虑SF6气体的流动和分布不均匀性对声压计算结果的影响，提高GIS内击穿放电超声波模拟的精度，为对超声波在GIS内的传播仿真提供了一种新的方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
根据本发明的一个方面，提供了一种考虑背景流体影响下的GIS击穿放电超声波数值模拟方法，该方法包括以下步骤：
步骤1：根据已有的GIS实物模型建立其相对应的数值物理模型，考虑实际工况中存在的多物理场影响因素，将SF6气体物性参数设置为随温度或压力变化的函数，确保电-磁-热-流多物理场耦合计算结果的精度；
步骤2：进行电-磁-热-流多物理场耦合仿真计算，获得稳态时GIS内SF6气体的温度分布结果、压力分布结果和流速分布结果；
步骤3：通过弱形式的偏微分方程，将CFD计算网格下的温度、压力和流速分布结果映射至声场网格；
步骤4：根据参数设置时SF6气体的密度随温度和压力变化的函数，最终获得SF6气体密度、压力和流速随空间变化的线性欧拉方程；
步骤5：通过在声场网格中求解气体密度、压力和流速随空间变化的线性欧拉方程获得背景流体影响下的声压瞬时分布结果。
作为优选的技术方案，所述的步骤1中的考虑实际工况中存在的多物理场影响因素，具体包括：实际工况中存在由交流电引起的电磁感应，电流集中于导体与壳体表面的集肤效应，SF6气体在重力和温差作用下的自然对流，导体与壳体之间存在的辐射换热。
作为优选的技术方案，所述的步骤1中的需要设置多场耦合的物理场，并对网格进行严格的考核，确保电-磁-热-流多物理场耦合计算结果的精度
作为优选的技术方案，所述的步骤1中的SF6气体物性参数包括密度和定压热容。
作为优选的技术方案，所述的步骤3中，将研究n的电-磁-热-流多物理场耦合计算的结果映射至声场网格的弱表达式为：
Figure BDA0003329906070000031
其中P0表示压强，U0和V0分别表示声场网格下流速在X方向和Y方向上的分量，T0表示声场网格下的温度，withsol('soln',spf.pA[1/Pa]表示调用研究n的解的流场压力；'soln'表示研究n的解；spf.pA[1/Pa]表示流场压力；test(P0)表示P0的试函数；Δ表示扩散量参数；h表示网格尺寸；P0x表示压力P0对x的偏导；P0y表示压力P0对y的偏导；withsol('soln',u[s/m])表示调用研究n的解的X方向流速；u[s/m]表示流场网格下X方向流速；test(U0)表示U0的试函数；U0x表示声场网格下流速U0对x的偏导；U0y表示声场网格下流速U0对y的偏导；withsol('soln',v[s/m])表示调用研究n的解的Y方向流速；v[s/m]表示流场网格下Y方向流速；test(V0)表示V0的试函数；V0x表示声场网格下流速V0对x的偏导；V0y表示声场网格下流速V0对y的偏导；withsol('soln',spf.T[1/K])表示调用研究n的解的温度；spf.T[1/K]表示流场网格下的温度；test(T0)表示T0的试函数；T0x表示声场网格下温度对x的偏导；T0y表示声场网格下温度对y的偏导。
作为优选的技术方案，所述的步骤4中，用于在声场网格下求解的SF6气体密度、压力和流速随空间变化的线性欧拉方程具体为：
Figure BDA0003329906070000032
其中，ρ为声波扰动下的SF6气体密度，Kg/m3；
Figure BDA0003329906070000033
为网格映射后的背景流体速度矢量，m/s；ρ0为网格映射后的背景流体密度，Kg/m3；fp表示与域质量源和域压力源相关的源项；
Figure BDA0003329906070000034
超声传播的速度矢量，m/s；
Figure BDA0003329906070000035
表示与域速度源和域力源相关的源项；p为声压，Pa；c0为超声波在SF6介质中的传播速度，m/s。
作为优选的技术方案，所述的步骤5中，声场网格下求解SF6气体密度、压力和流速随空间变化的线性欧拉方程之前，需要在模型中设置击穿放电点位置以及击穿放电超声源信号，并设置声场求解时间步长。
作为优选的技术方案，根据GIS内造成击穿放电缺陷种类和原因的不同，设置不同的信号源。
作为优选的技术方案，所述的不同的信号源包括信号位置的不同、频率的不同和幅值的不同。
根据本发明的另一个方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现所述的方法。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明在对声场求解时，考虑了背景流体的流动和分布不均匀性对超声波传播的影响，即考虑了声压信号在SF6气体域中传播时的散射衰减，提高了对GIS击穿放电超声波模拟的精度。
(2)本发明间接实现了电-磁-热-流-声多物理场耦合，在对电-磁-热-流多物理场耦合求解时，获得了SF6气体的热点位置，可以预测由过热环境引起的击穿放电点位置。
(3)本发明不仅可以应用于GIS击穿放电超声波的模拟，同样适用于GIS局部放电和变压器等其他电力设备局部放电超声波的模拟。
附图说明
图1是本发明实施例提供的考虑背景流体影响下的GIS击穿放电超声波模拟方法的步骤图。
图2是本发明实施例提供的252kV三相GIS母线的二维数值物理模型，其中，1为A相母线导体，2为B相母线导体，3为C相母线导体，4为GIS外壳，5为SF6绝缘气体。
图3是电-磁-热-流多物理场耦合仿真下，稳态时SF6气体的温度分布云图。
图4是电-磁-热-流多物理场耦合仿真下，稳态时SF6气体的压力分布云图。
图5是电-磁-热-流多物理场耦合仿真下，稳态时SF6气体的流速分布云图。
图6是声场网格下，SF6气体的密度分布云图。
图7是本发明实施例提供的在考虑背景流体影响下的声压瞬时分布图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明实施例的考虑背景流体影响下的GIS击穿放电超声波数值模拟的方法包括以下步骤：
S101：根据已有的GIS实物模型建立其相对应的数值物理模型，本实施案例以252kV三相共箱式GIS母线为原型，其二维截面数值物理模型如图2所示。在对多物理场设置时需考虑设备实际运行中存在的电磁感应、集肤效应、自然对流、辐射换热等因素，使用电磁热多物理场接口对电磁损耗与热传导进行双向耦合，使用非等温流动接口对流体流动与传热进行双向耦合。在对SF6气体物性参数设置时需重点考虑气体密度随温度和压力变化的影响，确保电-磁-热-流多物理场耦合计算结果的正确性。
S102：在确定计算模型正确和CFD网格精度满足的前提下，进行电-磁-热-流多物理场耦合仿真计算，获得稳态时GIS内SF6气体的温度分布结果、压力分布结果和流速分布结果，如图3、图4和图5所示。
S103：通过设置弱形式偏微分方程，将在CFD网格计算下的温度、压力和流速分布结果映射至声场网格。若使用P0表示压强，U0和V0分别表示流速在X方向和Y方向上的分量，T0表示温度，则将研究n的结果映射至声场网格的弱表达式为：
Figure BDA0003329906070000051
S104：根据参数设置时SF6气体的密度随温度和压力变化的函数，最终获得在声场网格下求解声学模型的SF6气体密度、压力和流速随空间变化的线性欧拉方程。声场网格下的SF6气体密度分布如图6所示，线性欧拉方程为：
Figure BDA0003329906070000052
S105：预测在SF6气体与导体接触处温度最高的点发生了绝缘击穿，在该点设置击穿放电超声信号源，在合理设置声场求解时间步长后，通过求解声场网格中气体密度、压力和流速随空间变化的线性欧拉方程即可获得背景流体影响下的声压瞬时分布结果。如图7即为3600μs时GIS内超声波分布的声压高度分布云图。
本实施例还涉及一种计算机可读介质，该介质内存储有上述考虑背景流体影响下的GIS击穿放电超声波数值模拟方法。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种考虑背景流体影响下的GIS击穿放电超声波数值模拟方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤1：根据已有的GIS实物模型建立其相对应的数值物理模型，考虑实际工况中存在的多物理场影响因素，将SF6气体物性参数设置为随温度或压力变化的函数，确保电-磁-热-流多物理场耦合计算结果的精度；
步骤2：进行电-磁-热-流多物理场耦合仿真计算，获得稳态时GIS内SF6气体的温度分布结果、压力分布结果和流速分布结果；
步骤3：通过弱形式的偏微分方程，将CFD计算网格下的温度、压力和流速分布结果映射至声场网格；
步骤4：根据参数设置时SF6气体的密度随温度和压力变化的函数，最终获得SF6气体密度、压力和流速随空间变化的线性欧拉方程；
步骤5：通过在声场网格中求解气体密度、压力和流速随空间变化的线性欧拉方程获得背景流体影响下的声压瞬时分布结果。
2.根据权利要求1所述的一种考虑背景流体影响下的GIS击穿放电超声波数值模拟方法，其特征在于，所述的步骤1中的考虑实际工况中存在的多物理场影响因素，具体包括：实际工况中存在由交流电引起的电磁感应，电流集中于导体与壳体表面的集肤效应，SF6气体在重力和温差作用下的自然对流，导体与壳体之间存在的辐射换热。
3.根据权利要求1所述的一种考虑背景流体影响下的GIS击穿放电超声波数值模拟方法，其特征在于，所述的步骤1中的需要设置多场耦合的物理场，并对网格进行严格的考核，确保电-磁-热-流多物理场耦合计算结果的精度。
4.根据权利要求1所述的一种考虑背景流体影响下的GIS击穿放电超声波数值模拟方法，其特征在于，所述的步骤1中的SF6气体物性参数包括密度和定压热容。
5.根据权利要求1所述的一种考虑背景流体影响下的GIS击穿放电超声波数值模拟方法，其特征在于，所述的步骤3中，将研究n的电-磁-热-流多物理场耦合计算的结果映射至声场网格的弱表达式为：
Figure FDA0003329906060000021
其中P0表示压强，U0和V0分别表示声场网格下流速在X方向和Y方向上的分量，T0表示声场网格下的温度，withsol('soln',spf.pA[1/Pa]表示调用研究n的解的流场压力；'soln'表示研究n的解；spf.pA[1/Pa]表示流场压力；test(P0)表示P0的试函数；Δ表示扩散量参数；h表示网格尺寸；P0x表示压力P0对x的偏导；P0y表示压力P0对y的偏导；withsol('soln',u[s/m])表示调用研究n的解的X方向流速；u[s/m]表示流场网格下X方向流速；test(U0)表示U0的试函数；U0x表示声场网格下流速U0对x的偏导；U0y表示声场网格下流速U0对y的偏导；withsol('soln',v[s/m])表示调用研究n的解的Y方向流速；v[s/m]表示流场网格下Y方向流速；test(V0)表示V0的试函数；V0x表示声场网格下流速V0对x的偏导；V0y表示声场网格下流速V0对y的偏导；withsol('soln',spf.T[1/K])表示调用研究n的解的温度；spf.T[1/K]表示流场网格下的温度；test(T0)表示T0的试函数；T0x表示声场网格下温度对x的偏导；T0y表示声场网格下温度对y的偏导。
6.根据权利要求1所述的一种考虑背景流体影响下的GIS击穿放电超声波数值模拟方法，其特征在于，所述的步骤4中，用于在声场网格下求解的SF6气体密度、压力和流速随空间变化的线性欧拉方程具体为：
Figure FDA0003329906060000022
其中，ρ为声波扰动下的SF6气体密度，Kg/m3；
Figure FDA0003329906060000023
为网格映射后的背景流体速度矢量，m/s；ρ0为网格映射后的背景流体密度，Kg/m3；fp表示与域质量源和域压力源相关的源项；
Figure FDA0003329906060000024
超声传播的速度矢量，m/s；
Figure FDA0003329906060000025
表示与域速度源和域力源相关的源项；p为声压，Pa；c0为超声波在SF6介质中的传播速度，m/s。
7.根据权利要求1所述的一种考虑背景流体影响下的GIS击穿放电超声波数值模拟方法，其特征在于，所述的步骤5中，声场网格下求解SF6气体密度、压力和流速随空间变化的线性欧拉方程之前，需要在模型中设置击穿放电点位置以及击穿放电超声源信号，并设置声场求解时间步长。
8.根据权利要求7所述的一种考虑背景流体影响下的GIS击穿放电超声波数值模拟方法，其特征在于，根据GIS内造成击穿放电缺陷种类和原因的不同，设置不同的信号源。
9.根据权利要求8所述的一种考虑背景流体影响下的GIS击穿放电超声波数值模拟方法，其特征在于，所述的不同的信号源包括信号位置的不同、频率的不同和幅值的不同。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述程序被处理器执行时实现如权利要求1～9中任一项所述的方法。
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