CN115221708B - 一种隔离开关触头发热模型构建方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种隔离开关触头发热模型构建方法，包括：步骤1、获取隔离开关建模需要的参数；步骤2：建立隔离开关触头温度数值计算模型，根据拉普拉斯变换原理对建立的模型进行化简求解；步骤3：考虑环境温度影响，增加环境温度修正系数，建立隔离开关触头发热数字孪生模型；步骤4：将孪生温度数据与实际隔离开关温度数据库对比分析，基于相似度原理增加气象补偿，实现对隔离开关触头温度变化情况的映射，评估隔离开关整体运行安全状态；解决了现有技术的隔离开关触头发热模型预测温度变化预测误差较大等技术问题。
Description
技术领域
本发明属于隔离开关发热监控技术领域，尤其涉及一种隔离开关触头发热模型构建方法。
背景技术
高压隔离开关是发电厂和变电站的重要开关器件，主要作用为在检修时对电压进行隔离。在实际运行过程中由于长期户外运行，气候条件复杂且随着运行时间增长，隔离开关会出现过热的情况，加速隔离开关老化，故障率也快速提升，严重影响电力系统的安全运行，且触头处由于导电斑点接触形成的接触电阻使其发热更为严重。隔离开关运行过热问题已经是制约其安全稳定运行和使用寿命的重要因素，研究建立隔离开关触头发热模型预测温度变化从而及时采取措施预防过热情况显得尤为重要。目前对隔离开关温度的预测主要为有限元方法和数值计算两种方法，有限元方法优点在于可以得到精确的任意位置和时刻的温度分布，但是在前期模型建立阶段对设计人员要求较高；数值计算相比有限元方法计算快速，参数关系直观明了，但是预测误差较大。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种隔离开关触头发热模型构建方法，以解决现有技术的隔离开关触头发热模型预测温度变化预测误差较大等技术问题。
本发明技术方案是：
一种隔离开关触头发热模型构建方法，所述方法包括：
步骤1、获取隔离开关建模需要的参数；
步骤2：建立隔离开关触头温度数值计算模型，根据拉普拉斯变换原理对建立的模型进行化简求解；
步骤3：考虑环境温度影响，增加环境温度修正系数，建立隔离开关触头发热数字孪生模型；
步骤4：将孪生温度数据与实际隔离开关温度数据库对比分析，基于相似度原理增加气象补偿，实现对隔离开关触头温度变化情况的映射，评估隔离开关整体运行安全状态。
步骤1所述获取隔离开关建模需要的参数的方法包括：确定隔离开关型号，并根据说明书和相关资料获取散热系数、导电板的横截面周长、导电板的横截面面积、导热系数、接触电阻、比热容、密度、环境温度、气象条件、电流、运行时间和计算位置；所述气象条件包括温度、天气及月份。
建立隔离开关触头温度数值计算模型的方法包括：隔离开关触头生热散热的过程是一个有时变内热源非稳态传热的过程，利用能量守恒方程将该过程描述为：
式中：cp表示触头材料的比热容；γ表示触头材料的密度；t表示运行时间；θ表示温升；λ表示沿着隔离开关触头方向的导热系数；x表示计算位置；KT表示散热系数；p表示导电板的横截面周长；A表示导电板的横截面面积；qv表示导体内热源，I表示流经电流；V表示导体体积；qs表示接触电阻产生的内热源的一半；Ri表示导体内电阻，Rc表示接触电阻。
温升θ是关于x,t的函数，将θ的拉氏变换记为对式(1)进行拉普拉斯变换，根据微分方程通解公式和边界条件求解方程，最终利用拉普拉斯逆变换求得温升温升θ是关于时间和计算位置x,t的关系式为：
式中:erfc是余误差函数。
环境温度修正系数关系式为：
s＝T/T0，T表示隔离开关运行环境温度；T0表示隔离开关标准工作温度。
隔离开关触头发热数字孪生模型为：
式中：θ0表示环境温度；f表示隔离开关温度。
步骤4所述将孪生温度数据与实际隔离开关温度数据库对比分析，基于相似度原理增加气象补偿，实现对隔离开关触头温度变化情况的映射的方法包括：
步骤4.1、对温度、天气及月份进行量化构建气象数据特征向量，气象数据特征向量由温度、天气及月份三个元素构成；
步骤4.2、搜索历史数据库中与此时用于温度预测的气象数据最接近的气象数据，该过程描述为：
式中:J∈[0,J*]，表示气象数据修正量，J*为最大修正量；V1,V2,V3表示温度、天气及月份三个元素；σx表示三个元素分别对应的系数，且σ1+σ2+σ3＝1；dij表示样本到历史数据库中数据与此时温度预测的气象数据之间的欧式距离；
步骤4.3、读取历史温度值，求取实际预测值和历史温度值之间的差值，对预测值进行加权补偿，从而得到隔离开关触头发热数字孪生体最终预测值，实现对隔离开关实际运行状态更为精确的映射。
对隔离开关实际运行状态更为精确的映射计算公式为：
式中:f1表示模型初始预测温度；f0表示历史温度。
本发明的有益效果是：
本发明对隔离开关触头发热模型进行改进，引入数字孪生技术实现对隔离开关实体和预测模型之间的高保真虚实映射，建立考虑气象条件修正的隔离开关触头发热模型，仿真结果能更准确地刻画隔离开关的运行状态。
本发明优点：
1)针对隔离开关触头传统数值计算模型存在一定预测误差的问题，本发明基于数字孪生建模思想，从现有研究出发引入温度修正系数，减小环境温度变化对隔离开关温度预测的影响，提高模型预测精确度。
2)基于相似度原理以历史数据为依托，补偿气象数据变化引起的误差，实现对隔离开关运行状态更为精确的映射，得到隔离开关触头发热数字孪生模型。
解决了现有技术的隔离开关触头发热模型预测温度变化预测误差较大等技术问题。
附图说明
图1为基于相似度原理气象补偿流程图；
图2本发明实施例中隔离开关温度变化示意图。
具体实施方式
本发明方法包括以下步骤：
步骤1：获取建模需要的参数，包括环境温度、计算位置、隔离开关触头电流、隔离开关相关材料参数等；
步骤2：基于传热原理确定生热方程、传热方程和边界条件，建立隔离开关触头温度数值计算模型，根据拉普拉斯变换原理对建立的模型进行化简求解；
步骤3：考虑环境温度影响，增加环境温度修正系数，建立隔离开关触头发热数字孪生模型；
步骤4：将孪生温度数据与实际隔离开关温度数据库对比分析，基于相似度原理增加气象补偿，实现对隔离开关触头温度变化情况更精确的映射，评估隔离开关整体运行安全状态。
1)参数获取
首先确定隔离开关型号，并参考说明书和相关资料获取散热系数、导电板的横截面周长、导电板的横截面面积、导热系数、接触电阻、比热容、密度、环境温度、气象条件(温度、天气、月份)、电流、运行时间、计算位置。
2)建立隔离开关触头温度数值计算模型
对于隔离开关，其热量主要来源于电流流经隔离开关触头处接触电阻产生的热，又由于自身结构比较复杂，散热性能较差加剧了隔离开关本身的热效应。隔离开关在工作过程中是一个热源，流经电流是动态变化的，故隔离开关触头生热散热的过程是一个有时变内热源非稳态传热的过程。利用能量守恒方程可将该过程描述为：
式中：cp表示触头材料的比热容；γ表示触头材料的密度；t表示运行时间；θ表示温升；λ表示沿着隔离开关触头方向的导热系数；x表示计算位置；KT表示散热系数；p表示导电板的横截面周长；A表示导电板的横截面面积；qv表示导体内热源，I表示流经电流；V表示导体体积；qs表示接触电阻产生的内热源的一半；Ri表示导体内电阻，Rc表示接触电阻。
温升θ是关于x,t的函数，将θ的拉氏变换记为对上式(1)进行拉普拉斯变换，根据微分方程通解公式和边界条件求解方程，最终利用拉普拉斯逆变换求得温升温升θ是关于时间t和计算位置x的关系式为：
式中:α表示温度系数；/>erfc是余误差函数。
3)引入环境温度修正系数
由于隔离开关长期运行在户外条件下，环境温度变化会影响隔离开关散热量的变化，从而影响隔离开关温度变化。因此引入环境温度修正系数s，减小环境温度变化对隔离开关温度预测的影响，初步建立隔离开关触头发热数字孪生模型。根据隔离开关实际运行状态和对应电流，经过多次仿真验证，得到修正系数关系式为：s＝T/T0，T表示隔离开关运行环境温度；T0表示隔离开关标准工作温度，一般为25℃。最终得到考虑环境温度修正的隔离开关触头发热模型：
式中：θ0表示环境温度；f表示隔离开关温度。
4)基于相似度原理隔离开关触头发热模型的气象补偿
以历史温度数据为基础,通过挖掘历史数据的价值指导模型建立，补偿气象数据变化引起的预测误差,其流程如附图1所示。
首先对温度、天气、月份进行量化，构建气象数据特征向量，该向量由温度、天气、月份三个元素构成；
其次搜索历史数据库中与此时用于温度预测的气象数据最接近的气象数据，该过程可以描述为：
式中:J∈[0,J*]，表示气象数据修正量；J*为最大修正量；V1,V2,V3表示温度、天气、月份三个元素；σx表示三个元素分别对应的系数，且σ1+σ2+σ3＝1；dij表示样本到历史数据库中数据与此时温度预测的气象数据之间的欧式距离。
最后读取历史温度值，求取实际预测值和历史温度值之间的差值，对预测制作进行加权补偿，从而得到隔离开关触头发热数字孪生体最终预测值，实现对隔离开关实际运行状态更为精确的映射，其计算公式为：
式中:f1表示模型初始预测温度；f0表示历史温度。
本发明以AREVA SPOL2T额定电压550kV、额定电流3150A敞开式隔离开关为例进行说明，并参考说明书和相关资料获取电池相关参数数据散热系数为10W/(m2·K)、导电板的横截面周长为0.1m、导电板的横截面面积为5*10^-6m2、导热系数为357W/(m·K)、接触电阻为87.5*10^-6Ω、比热容为385J/(kg·K)、密度为8920kg/m3。
输入隔离开关工作电流60A，在MATLAB中进行编程计算，引入环境温度修正系数和基于相似度原理对隔离开关的温度补偿，设定计算位置在触点处，
得到隔离开关触头处温度变化情况如附图2所示。
设定环境温度为9℃，初始未考虑环境温度系数和气象补偿，隔离开关温度稳定在16.8℃左右。引入环境温度修正系数和气象补偿的隔离开关数字孪生体运行温度逐渐升温最终稳定在11.7℃左右，温度正常可继续运行，两者相比修正后的模型与实际温度10℃相差较小，模型的精确度更高，实现了对隔离开关模型更精确的映射。
Claims (2)
1.一种隔离开关触头发热模型构建方法，其特征在于：所述方法包括：
步骤1、获取隔离开关建模需要的参数；
步骤2、建立隔离开关触头温度数值计算模型，根据拉普拉斯变换原理对建立的模型进行化简求解；
建立隔离开关触头温度数值计算模型的方法包括：隔离开关触头生热散热的过程是一个有时变内热源非稳态传热的过程，利用能量守恒方程将该过程描述为：
式中：θ表示温升；λ表示沿着隔离开关触头方向的导热系数；cp表示触头材料的比热容；γ表示触头材料的密度；KT表示散热系数；p表示导电板的横截面周长；A表示导电板的横截面面积；qv表示导体内热源；qs表示接触电阻产生的内热源的一半；Ri表示导体内电阻；Rc表示接触电阻；温升θ是关于x,t的函数，将θ的拉氏变换记为对式(1)进行拉普拉斯变换，根据微分方程通解公式和边界条件求解方程，最终利用拉普拉斯逆变换求得温升θ关系式为：
式中:erfc是余误差函数；t是时间；x是计算位置；I表示流经电流；V表示导体体积；α表示温度系数；n为历史数据库中气象数据数量；
步骤3、考虑环境温度影响，增加环境温度修正系数，建立隔离开关触头发热数字孪生模型；
环境温度修正系数关系式为：
s＝T/T0，T表示隔离开关运行环境温度；T0表示隔离开关标准工作温度；隔离开关触头发热数字孪生模型为：
式中：θ0表示环境温度；f表示隔离开关温度；
步骤4、将孪生温度数据与实际隔离开关温度数据库对比分析，基于相似度原理增加气象补偿，实现对隔离开关触头温度变化情况的映射，评估隔离开关整体运行安全状态；
步骤4所述将孪生温度数据与实际隔离开关温度数据库对比分析，基于相似度原理增加气象补偿，实现对隔离开关触头温度变化情况的映射的方法包括：
步骤4.1、对温度、天气及月份进行量化构建气象数据特征向量，气象数据特征向量由温度、天气及月份三个元素构成；
步骤4.2、搜索历史数据库中与此时用于温度预测的气象数据最接近的气象数据，该过程描述为：
式中:J∈[0,J*]，J*为最大修正量；V1,V2,V3表示温度、天气及月份三个元素；σx表示三个元素分别对应的系数，且σ1+σ2+σ3＝1；dij表示样本到历史数据库中数据与此时温度预测的气象数据之间的欧式距离；
步骤4.3、读取历史温度值，求取实际预测值和历史温度值之间的差值，对预测值进行加权补偿，从而得到隔离开关触头发热数字孪生体最终预测值，实现对隔离开关实际运行状态更为精确的映射；对隔离开关实际运行状态更为精确的映射计算公式为：
式中:f1表示模型初始预测温度；f0表示历史温度。
2.根据权利要求1所述的一种隔离开关触头发热模型构建方法，其特征在于：步骤1所述获取隔离开关建模需要的参数的方法包括：确定隔离开关型号、获取散热系数、导电板的横截面周长、导电板的横截面面积、导热系数、接触电阻、比热容、密度、环境温度、气象条件、电流、运行时间和计算位置；所述气象条件包括温度、天气及月份。
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