CN114462235A - 一种高压开关柜防凝露方法 - Google Patents
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Abstract
一种高压开关柜防凝露方法，建立了开关柜凝露过程仿真的三维计算模型，相比传统的二维模型，可大大提高计算结果的准确度。数值计算模型考虑了电磁‑温度‑湿度场之间的耦合，可准确反映开关柜运行时柜内温度以及湿度的实际传递与耦合过程。通过数值计算模型获得了开关柜内绝缘件防凝露性能优异的表面对流换热系数和传湿系数，可有效指导开关柜防凝露设计。
Description
技术领域
本发明涉及高压电力设备绝缘性能诊断技术领域，具体涉及一种高压开关柜防凝露方法。
背景技术
近年来，随着我国城市电网的不断发展，中置式高压开关柜作为主流产品已经广泛应用于配电网中。随着高压开关柜向小型化方向发展，开关柜的外形尺寸及占地面积大大缩小，但由于开关柜的外形尺寸缩小后，带电体之间、带电体与地电位之间的距离也随之缩小，开关柜内外环境及水分控制变得尤为重要，由于柜内空间狭窄且柜体密闭，在空气相对湿度大的地区，由于难以通过开关柜内空气自然对流将柜内水蒸气排出柜外，极易发生高压开关柜内部凝露现象，一旦空气相对湿度超过80％，对高压开关柜安全运行造成严重威胁。
目前缺乏准确的开关柜凝露过程数值模拟计算方法，导致对开关柜内凝露的机理认识不清晰，对于如何优化设计开关柜结构、避免因凝露导致的绝缘劣化问题缺乏有效的方法。
发明内容
本发明为了克服以上技术的不足，提供了一种提高仿真精度，有效指导开关柜防凝露设计的方法。
本发明克服其技术问题所采用的技术方案是：
一种高压开关柜防凝露方法，包括如下步骤：
a)建立开关柜凝露过程仿真模型，该仿真模型包括含触头盒的断路器、铜排母线、电缆，含触头盒的断路器位于开关室内，铜排母线位于母线室内，电缆位于电缆室，开关柜内部的气体绝缘介质为空气；
b)设置温湿度边界条件；
c)进行温湿度计算耦合；
d)根据温湿度得到开关柜防凝露设计方法。
进一步的，步骤a)包括如下步骤：
a-1)选择40.5kV金属铠装开关柜建立三维开关柜仿真计算模型，模型中包括含触头盒的断路器、铜排母线、电缆；
a-2)在网络剖分中，对断路器、铜排母线、电缆作粗化网络剖分，对动静触头及触头盒进行精细化网格剖分；
a-3)设置热源为流经铜排母线的大电流，电流值设为2000A，由焦耳热计算公式计算得到电流产生的热量；
a-4)将铜排母线材料设为金属铜，将动静触头材料设为金属铜，将触头盒材料设为环氧树脂绝缘材料，将电缆外绝缘设为交联乙烯绝缘材料，设置开关柜内充满空气；
a-5)将仿真计算设置为时域计算方式。
进一步的，步骤b)包括如下步骤：
b-1)设置流经铜排母线的电流为2000A，由焦耳热计算公式计算得到电流产生的热量作为热源，完成热源设置；
b-2)通过公式
计算得到热流密度q，式中Q为通过面积A上的总热量，Q＝αAΔT，λ为材料热导率，n为方向坐标，T为温度，
为T的导数，
为n的导数，α为对流热系数，ΔT为两元件之间的温差，通过公式E＝εσbT4计算得到绝对的黑体辐射力E，式中ε为总半球黑度，ε取值范围为[0,1]，σb斯蒂芬-玻尔兹曼常数，完成传热过程描述的建立；
b-3)采用Fick扩散定律表示湿气在开关柜内部的扩散过程，完成传湿过程描述的建立；
b-4)通过公式
建立t时刻开关柜内部湿度平衡方程，式中w为元件内部体积含湿量，J为水蒸气流量，
为w的导数，
为矢量微分运算，J＝-D▽ρ，D为湿度传递系数，ρ为水蒸气密度。
进一步的，步骤c)包括如下步骤：
c-1)建立柜内湿热平衡方程
式中ρa为空气密度，V为开关柜柜内体积，W(t)为t时刻柜内元件的含湿量，
为W(t)的导数，Wa(t)为t时刻开关柜柜内各元件之间的散湿量，WL(t)为t时刻开关柜柜内元件与柜内湿空气之间的湿交换量，Wv(t)为t时刻通风换气进入柜内的湿度；
c-2)通过公式
建立含湿量W与相对湿度以及温度之间的关系，式中ρv为元件密度，
为相对湿度，Pv_sat为饱和水蒸气压力，B为常数，完成相对湿度与温度之间耦合关系的建立。
进一步的，步骤d)包括如下步骤：
d-1)降低开关柜内绝缘件表面的对流换热系数，计算绝缘件表面温度分布；
d-2)提高开关柜内绝缘件表面的传湿系数，计算绝缘件表面湿度分布；
d-3)降低开关柜内绝缘件表面的对流换热系数的同时提高开关柜内绝缘件表面的传湿系数，计算绝缘件表面温度和湿度分布；
d-4)根据步骤d-1)至d-3)的计算结果，获得绝缘件防凝露的对流换热系数和传湿系数。
进一步的，上述绝缘件为断路器的触头盒、穿墙套管及三相电缆。
本发明的有益效果是：建立了开关柜凝露过程仿真的三维计算模型，相比传统的二维模型，可大大提高计算结果的准确度。数值计算模型考虑了电磁-温度-湿度场之间的耦合，可准确反映开关柜运行时柜内温度以及湿度的实际传递与耦合过程。通过数值计算模型获得了开关柜内绝缘件防凝露性能优异的表面对流换热系数和传湿系数，可有效指导开关柜防凝露设计。
附图说明
图1为本发明的电磁-温度耦合场下开关柜凝露过程计算方法流程图；
图2为本发明的温湿度耦合计算后柜内元件平均温度图；
图3为本发明的温湿度耦合计算后柜内元件平均相对湿度图；
图4为本发明的降低触头盒表面对流换热系数后平均温度图；
图5为本发明提高触头盒表面传湿系数后平均相对湿度图。
具体实施方式
下面结合附图1至附图5对本发明做进一步说明。
如附图1所示，一种高压开关柜防凝露方法，包括如下步骤：
a)建立开关柜凝露过程仿真模型，该仿真模型包括含触头盒的断路器、铜排母线、电缆，含触头盒的断路器位于开关室内，铜排母线位于母线室内，电缆位于电缆室，开关柜内部的气体绝缘介质为空气。
b)设置温湿度边界条件。
c)进行温湿度计算耦合。
d)根据温湿度得到开关柜防凝露设计方法。
具体的，步骤a)包括如下步骤：
a-1)选择40.5kV金属铠装开关柜建立三维开关柜仿真计算模型，模型中包括含触头盒的断路器、铜排母线、电缆。
a-2)虑到开关柜内部原件尺寸差别较大，采用统一的网格剖分方法并不适用，如果网格剖分过粗，则会降低计算结果的准确性；而如果网格剖分过细，则会降低计算的效率。因此，这里将开关柜内部件分为两大类：一类为粗化网格区域，主要包括母线室、电缆室，这类部件的特点是湿气很难进入，凝露难以形成；另一类为细化网格区域，主要包括开关室内的动静触头以及触头盒等部件，这类部件的特点是湿气一旦进入，难以散出。
因此在网络剖分中，对断路器、铜排母线、电缆作粗化网络剖分，对动静触头及触头盒进行精细化网格剖分。
a-3)设置热源为流经铜排母线的大电流，电流值设为2000A，由焦耳热计算公式计算得到电流产生的热量。
a-4)将铜排母线材料设为金属铜，将动静触头材料设为金属铜，将触头盒材料设为环氧树脂绝缘材料，将电缆外绝缘设为交联乙烯绝缘材料，设置开关柜内充满空气。
a-5)将仿真计算设置为时域计算方式。
具体的，步骤b)包括如下步骤：
b-1)开关柜内部热源来自于铜排母线内流过的电导电流产生的焦耳热、磁导体内的涡流磁滞损耗、绝缘材料中的介质损耗，此外，开关室内不定期分合的动静触头，可能因接触不良成为潜在发热源。设置流经铜排母线的电流为2000A，由焦耳热计算公式计算得到电流产生的热量作为热源，完成热源设置。
b-2)热量在开关柜内各元件中的扩散满足基本的热力学定律，主要通过热传导、热辐射以及对流换热等方式进行。热传导过程满足傅立叶导热定律，具体的通过公式
计算得到热流密度q，式中Q为通过面积A上的总热量，对流换热过程主要发生在存在温差的元件之间，当元件表明受到流体冷却时，温度随时间的变化与两元件之间的温差成正比，可以采用牛顿冷却公式表示，具体为Q＝αAΔT，λ为材料热导率，n为方向坐标，T为温度，
为T的导数，
为n的导数，α为对流热系数，ΔT为两元件之间的温差，热辐射是指当元件温度高于0K时，向周围以电磁波形式发射光子的过程，辐射光子的能量与元件温度、类型和表明状况的复合函数，该过程可以采用斯蒂芬-玻尔兹曼定律表示，具体的通过公式E＝εσbT4计算得到绝对的黑体辐射力E，式中ε为总半球黑度，ε取值范围为[0,1]，σb斯蒂芬-玻尔兹曼常数，完成传热过程描述的建立。
b-3)开关柜内部湿气主要来源于柜外环境，当开关柜内部空气湿度较高时，元件表面将吸收空气中的水蒸气，而当室内湿度较低时，元件表面会将内部水分释放到空气中，因此采用Fick扩散定律表示湿气在开关柜内部的扩散过程，完成传湿过程描述的建立。
b-4)当开关柜内元件表面与柜内空气中水蒸气存在湿度差时，将驱动水蒸气迁移，因此通过公式
建立t时刻开关柜内部湿度平衡方程，式中w为元件内部体积含湿量，J为水蒸气流量，
为w的导数，
为矢量微分运算，
D为湿度传递系数，ρ为水蒸气密度。水蒸气的扩散系数较小，只有当元件表面与柜内空气中水蒸气浓度差较大时，才会产生明显的湿气扩散。
具体的，步骤c)包括如下步骤：
c-1)考虑开关柜内部元件表面与柜内空气之间的热湿耦合过程，建立柜内湿热平衡方程
式中ρa为空气密度，V为开关柜柜内体积，W(t)为t时刻柜内元件的含湿量，
为W(t)的导数，Wa(t)为t时刻开关柜柜内各元件之间的散湿量，WL(t)为t时刻开关柜柜内元件与柜内湿空气之间的湿交换量，Wv(t)为t时刻通风换气进入柜内的湿度。
c-2)通过公式
建立含湿量W与相对湿度以及温度之间的关系，式中ρv为元件密度，
为相对湿度，Pv_sat为饱和水蒸气压力，B为常数，完成相对湿度与温度之间耦合关系的建立。
具体的，步骤d)包括如下步骤：
d-1)降低开关柜内绝缘件表面的对流换热系数，计算绝缘件表面温度分布；
d-2)提高开关柜内绝缘件表面的传湿系数，计算绝缘件表面湿度分布；
d-3)降低开关柜内绝缘件表面的对流换热系数的同时提高开关柜内绝缘件表面的传湿系数，计算绝缘件表面温度和湿度分布；
d-4)根据步骤d-1)至d-3)的计算结果，可获得绝缘件防凝露性能优异的表面的对流换热系数和传湿系数。
进一步的，上述绝缘件为断路器的触头盒、穿墙套管及三相电缆。
建立了开关柜凝露过程仿真的三维计算模型，相比传统的二维模型，可大大提高计算结果的准确度。数值计算模型考虑了电磁-温度-湿度场之间的耦合，可准确反映开关柜运行时柜内温度以及湿度的实际传递与耦合过程。通过数值计算模型获得了开关柜内绝缘件防凝露性能优异的表面对流换热系数和传湿系数，可有效指导开关柜防凝露设计。
基于焦耳定律、热量传导定律以及湿度传导定律，将电磁场、温度场、湿度场三种物理场进行耦合，较之前单一的物理场计算，可获得更为准确的计算结果。计算过程简单高效，更为真实地反映开关柜内凝露过程：按照实际开关柜结构建立三维仿真计算模型，考虑多物理场耦合情况下的凝露过程的计算，计算结果更为真实地反映开关柜内凝露过程。仿真模型可通过优化开关柜内绝缘件的热力学参数，获得开关柜内防凝露性能优异的绝缘件表面传热系数和传湿系数。
下面通过一个具体的实例对本发明作进一步说明：
1、仿真模型构建，包括以下步骤：
开关柜是一个复杂的系统，内部包含众多元件，由于凝露过程主要对绝缘材料产生较大的影响，因此在构建计算模型时，为了提高计算效率，并兼顾计算的准确性，将一些对计算结果影响较小的元件作简化处理，而对于关心的元件作精细建模。
(1)按照实际开关柜的结构，本实例中选择40.5kV金属铠装开关柜，建立三维开关柜仿真计算模型，模型中主要包括铜排母线、断路器及动静触头、触头盒、电缆等，忽略其他部件。
(2)在网格剖分中，对铜排母线、电缆、断路器作粗化网格剖分，而对动静触头以及触头盒进行精细化网格剖分。
(3)设置热源主要为流经铜排母线内的大电流，电流值设为2000A，电流产生的热量由焦耳热计算得到。
(4)设置各元件的材料属性，铜排母线材料设为金属铜，动静触头材料设为金属铜，触头盒材料设为环氧树脂绝缘材料，电缆外绝缘设为交联聚乙烯绝缘材料，柜内充满了空气。
(6)计算时设置为时域计算方式，可清晰地看出温度以及湿度在不同时间下的分布，以及温湿度随时间逐渐传递的过程。
2、温湿度场计算边界条件设置，步骤如下：
温度场的分布主要由热源在固体、气体介质内进行热量传递形成的，主要依靠三种物理方式，热量传导、热量辐射以及热量的对流换热，分别发生在开关柜内不同的元件之间以及元件与柜内的空气之间，计算中主要进行的设置如下：
(1)设置流经铜排的电流大小为2000A，根据电流产生的焦耳热，并转换为热源，设置初始环境温度以及柜内空气和各元件温度为298K(25℃)。
(2)设置各材料的导热系数，铜导体为400W/(m2·K)，环氧树脂材料为0.75W/(m2·K)，空气为4.8W/(m2·K)，各材料的电导率、密度以及常压热容按照默认值处理。
(3)设置材料的对流换热系数，根据材料所处位置以及散热条件，分别设置不同的对流换热系数。三相元件的设置为B相位于A、C两相之间，因此A、C两相材料表面对流换热系数为5W/(m2·K)，而B相散热条件较差，材料表明对流换热系数设置为4W/(m2·K)。
开关柜内湿度的增加主要来自于外界环境，通过湿空气的扩散逐渐增加柜内的湿度。
(1)设置外界环境的初始湿度为0.8，柜内环境的初始状态基本为干燥，设置柜内初始湿度为0.05，总体的湿度扩散时间设置为56小时。
(2)设置各材料的湿度传递系数，根据湿度扩散环境，设置不同的传湿系数，对于铜排传湿条件较差，设置为0.01kg/min，对于绝缘材料，设置为0.1kg/min，对于触头盒等传湿条件差的元件，设置为0.04kg/min。
开关柜内部断路器、铜排母线、电缆等各部件的温度分布如图3所示。根据仿真中的设置，柜内温度升高主要来自于铜排母线流经大电流产生的焦耳热，母排的温度升高的最快。三相穿墙套管以及触头盒表面温度分布并不均匀，主要是受三相元件位置的影响，导致三相元件的散热条件存在较大差异。总体来说，相比金属材料，绝缘材料表面的温度更低，因此凝露最可能发生在绝缘材料表面。
开关柜内湿度分布计算结果如图4所示，当外界环境相对湿度为0.8时，随着湿空气在开关柜内部的自然扩散，仿真发现，当扩散时间在30个小时以上时，湿空气扩散达到稳态，稳态时开关柜内部相对湿度分布如图4所示。湿空气在开关柜内的分布相对于温度分布较为均匀，不论是三相导体还是三相触头盒，各相湿度分布几乎相同。触头盒的平均相对湿度分布要高于三相金属导体及三相穿墙套管。三相电缆和穿墙套管中与开关柜外壳接触的部位相对湿度要高于其它部位，主要是因为开关柜金属外壳的初始相对湿度为环境湿度。
3、温湿度计算耦合
将上述计算中温度场与湿度场进行耦合计算，以获得更为真实的开关柜内温湿度分布，并根据温湿度分布来判断容易发生凝露的元件和位置。
附图2和附图3分别是考虑温湿度耦合后计算得到的开关柜内绝缘材料表面平均温度和平均湿度随时间变化的分布。相对于金属材料而言，绝缘材料的吸湿过程要快得多。当开关柜内部湿空气达到饱和时，在低温物体表面达到露点温度后，湿空气将在低温物体表面凝结成小水珠，形成凝露。因此，当开关柜内部湿度较大，而温度较低时，湿空气极易形成凝露附着在材料的表面，影响开关柜内部的金属及绝缘材料的性能。从上述结果看，容易引发凝露的元件主要还是绝缘材料，如断路器的触头盒、穿墙套管及三相电缆等。通过统计这些材料表面的平均温度和湿度分布，进而获得了开关柜内部容易引发凝露的元件。
4、开关柜防凝露设计
上述仿真结果表明，开关柜触头盒表面温度最低、湿度最高，极易发生凝露。为获得触头盒防凝露优化设计方法，在数值模拟模型中，降低触头盒表面对流换热系数，分别设置为3W/(m2·K)、2.5W/(m2·K)、2W/(m2·K)、1.5W/(m2·K)、1W/(m2·K)；提高触头盒表面传湿系数，分别设置为0.06kg/min、0.08kg/min、0.1kg/min、0.14kg/min、0.18kg/min，计算触头盒表面温湿度分布。通过不断迭代优化这两种参数，获得触头盒表面防凝露性能优异的表面传热和传湿系数。不同对流换热系数下触头盒表面平均温度分布如附图4所示，随着触头盒表面传热系数的降低，触头盒表面平均温度先快速增加，后缓慢增加，并朝着逐渐趋于饱和的方向发展。随着对流换热系数的降低，一方面触头盒表面热量向外界扩散速度减慢，另一方面从外界吸收热量的速度也会减慢，当二者达到平衡状态时，触头盒表面温度将保持不变。因此，当触头盒表面对流换热系数在1.5～2.0W/(m2·K)范围内，可获得优异的防凝露性能。
不同传湿系数下触头盒表面平均相对湿度分布如附图5所示，随着触头盒表面传湿系数的增加，触头盒表面相对湿度先快速降低，后缓慢降低。这主要是因为触头盒表面传湿系数增加一方面会使得表面湿度向外界扩散系数增加，另一方面从外界吸收水分的速度也会增加，当二者达到平衡时，触头盒表面相对湿度将保持不变，因此，当触头盒表面传湿系数在0.1～0.14kg/min范围内，可获得优异的防凝露性能。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种高压开关柜防凝露方法，其特征在于，包括如下步骤：
a)建立开关柜凝露过程仿真模型，该仿真模型包括含触头盒的断路器、铜排母线、电缆，含触头盒的断路器位于开关室内，铜排母线位于母线室内，电缆位于电缆室，开关柜内部的气体绝缘介质为空气；
b)设置温湿度边界条件；
c)进行温湿度计算耦合；
d)根据温湿度得到开关柜防凝露设计方法。
2.根据权利要求1所述的高压开关柜防凝露方法，其特征在于，步骤a)包括如下步骤：
a-1)选择40.5kV金属铠装开关柜建立三维开关柜仿真计算模型，模型中包括含触头盒的断路器、铜排母线、电缆；
a-2)在网络剖分中，对断路器、铜排母线、电缆作粗化网络剖分，对动静触头及触头盒进行精细化网格剖分；
a-3)设置热源为流经铜排母线的大电流，电流值设为2000A，由焦耳热计算公式计算得到电流产生的热量；
a-4)将铜排母线材料设为金属铜，将动静触头材料设为金属铜，将触头盒材料设为环氧树脂绝缘材料，将电缆外绝缘设为交联乙烯绝缘材料，设置开关柜内充满空气；
a-5)将仿真计算设置为时域计算方式。
3.根据权利要求1所述的高压开关柜防凝露方法，其特征在于，步骤b)包括如下步骤：
b-1)设置流经铜排母线的电流为2000A，由焦耳热计算公式计算得到电流产生的热量作为热源，完成热源设置；
b-2)通过公式
计算得到热流密度q，式中Q为通过面积A上的总热量，Q＝αAΔT，λ为材料热导率，n为方向坐标，T为温度，
为T的导数，
为n的导数，α为对流热系数，ΔT为两元件之间的温差，通过公式E＝εσbT4计算得到绝对的黑体辐射力E，式中ε为总半球黑度，ε取值范围为[0,1]，σb斯蒂芬-玻尔兹曼常数，完成传热过程描述的建立；
b-3)采用Fick扩散定律表示湿气在开关柜内部的扩散过程，完成传湿过程描述的建立；
b-4)通过公式
建立t时刻开关柜内部湿度平衡方程，式中w为元件内部体积含湿量，J为水蒸气流量，
为w的导数，
为矢量微分运算，
D为湿度传递系数，ρ为水蒸气密度。
4.根据权利要求1所述的高压开关柜防凝露方法，其特征在于，步骤c)包括如下步骤：
c-1)建立柜内湿热平衡方程
式中ρa为空气密度，V为开关柜柜内体积，W(t)为t时刻柜内元件的含湿量，
为W(t)的导数，Wa(t)为t时刻开关柜柜内各元件之间的散湿量，WL(t)为t时刻开关柜柜内元件与柜内湿空气之间的湿交换量，Wv(t)为t时刻通风换气进入柜内的湿度；
c-2)通过公式
建立含湿量W与相对湿度以及温度之间的关系，式中ρv为元件密度，
为相对湿度，Pv_sat为饱和水蒸气压力，B为常数，完成相对湿度与温度之间耦合关系的建立。
5.根据权利要求1所述的高压开关柜防凝露方法，其特征在于，步骤d)包括如下步骤：
d-1)降低开关柜内绝缘件表面的对流换热系数，计算绝缘件表面温度分布；
d-2)提高开关柜内绝缘件表面的传湿系数，计算绝缘件表面湿度分布；
d-3)降低开关柜内绝缘件表面的对流换热系数的同时提高开关柜内绝缘件表面的传湿系数，计算绝缘件表面温度和湿度分布；
d-4)根据步骤d-1)至d-3)的计算结果，获得绝缘件防凝露的对流换热系数和传湿系数。
6.根据权利要求5所述的高压开关柜防凝露方法，其特征在于：所述绝缘件为断路器的触头盒、穿墙套管及三相电缆。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210098499.9A CN114462235A (zh) | 2022-01-27 | 2022-01-27 | 一种高压开关柜防凝露方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210098499.9A CN114462235A (zh) | 2022-01-27 | 2022-01-27 | 一种高压开关柜防凝露方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN114462235A true CN114462235A (zh) | 2022-05-10 |
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Family Applications (1)
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2022
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