CN115659644A - 一种石墨烯pi加热片排布获取方法及加热保温装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种石墨烯P I加热片排布获取方法及加热保温装置，包括以下步骤：建立SF6断路器罐体用加热保温装置的参数化模型；调用建立的参数化模型结合设定的输入变量进行瞬态加热过程仿真，并进入输入变量对SF6的气体温度和流动速度的敏感度分析，根据敏感度分析进行输入变量的筛选；根据设定的实验设计方法和筛选出的输入变量结合设定的响应面构建方法进行响应面模型的构建；通过构建的响应面模型结合设定的优化算法对筛选后的输入变量进行迭代寻优，获得最优的石墨烯P I加热片排布方案，采用本发明的方法能够获取石墨烯P I加热片在断路器保温应用时的最佳分布方案。
Description
技术领域
本发明涉及高压供电设备技术领域，具体涉及石墨烯PI加热片排布获取方法及加热保温装置。
背景技术
这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。
六氟化硫断路器已广泛用于超高压大容量电力系统中，具有灭弧性能优异、运行可靠及长期免维护等优点。SF6断路器气室裸露在大气中，当环境温度低于-15℃时，SF6断路器气室压力急剧下降；环境温度低于-27.5℃时，SF6气体会出现液化现象，导致断路器报警，甚至出现压力闭锁、断路器越级跳闸等情况，严重影响电网稳定运行。
当前的SF6断路器罐体加热保温装置通常选用传统的镍铬合金电阻片加热。镍铬合金电阻片的结构示意图如图1所示。镍铬合金电阻片1两侧需包覆硅橡胶薄膜2，降低了其热效率；其串联特征会导致其使用一段时间可能产生局部熔断的情况从而导致整张加热片都要更换，寿命短，造成材料的浪费，并且可能会带来安全隐患和经济损失；镍铬合金的裁剪需要用化学蚀刻的方法进行，环保友好性差，且其剪裁设计和布排均受到其串联特性的限制，会进一步造成材料的浪费。
采用石墨烯PI薄膜加热片能够解决采用镍铬合金电阻片的技术缺陷，但发明人发现，目前石墨烯PI薄膜加热片还没有应用于SF6断路器罐体的加热保温，另外将并联加热，可任意剪裁的石墨烯PI薄膜加热片进行最合理的排布应用于SF6断路器罐体的加热保温是本领域亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是为克服现有技术的不足，提供了一种石墨烯PI加热片排布获取方法，解决了石墨烯PI加热片在SF6断路器罐体上合理排布的问题。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案
第一方面，本发明的实施例提供了一种石墨烯PI加热片排布获取方法，包括以下步骤：
建立SF6断路器罐体用加热保温装置的参数化模型；
调用建立的参数化模型结合设定的输入变量进行瞬态加热过程仿真，并进入输入变量对SF6的气体温度和流动速度的敏感度分析，根据敏感度分析进行输入变量的筛选；
根据设定的实验设计方法和筛选出的输入变量结合设定的响应面构建方法进行响应面模型的构建；
通过构建的响应面模型结合设定的优化算法对筛选后的输入变量进行迭代寻优，获得最优的石墨烯PI加热片排布方案。
可选的，输入变量包括石墨烯PI加热片的长度、宽度以及相邻石墨烯PI加热片之间的间距。
可选的，进行敏感度分析时，以石墨烯PI加热片的排布中心点和断路器极柱顶端中心点为变量参考点，提取排布中心点和极柱顶端中心点的SF6气体温度和流动速度。
可选的，采用spearman等级相关性系数阀进行敏感度分析。
可选的，得到石墨烯PI加热片最优的排布方案后，结合参数化模型进行瞬态加热过程仿真，对最优的排布方案进行验证。
可选的，采用Screening或MOGA或NLPQL或MISQP优化方法进行筛选后输入变量的迭代寻优。
第二方面，本发明的实施例提供了一种加热保温装置，包括由外向内依次设置的罐体保温外壳、保温层和加热层，其中加热层由多个石墨烯PI加热片并联构成，石墨烯PI加热片采用第一方法所述的石墨烯PI加热片排布优化方法得到的排布方案进行排布。
可选的，所述保温层采用EPDM发泡橡胶制成。
可选的，所述罐体保温外壳由至少两个壳部可拆卸连接构成。
可选的，所述加热保温装置还包括用于安装在极柱顶端的温度传感器，所述温度传感器与温度控制器连接，温度控制器与安装在石墨烯PI加热片供电电路的接触器连接。
本发明的有益效果：
1.本发明的排布优化方法，通过构建响应面模型，并结合筛选后的输入变量，通过优化算法获得最优的石墨烯PI加热片排布方案，能够实现在最大程度的减少用料的情况下产生较好的加热效果，提升了能源和材料利用率，解决了石墨烯PI加热片如何在断路器罐体保温加热装置中的排布问题。
2.本发明的排布优化方法，通过敏感度分析，选取敏感度较高的输入变量作为输入参数构建响应面模型，减少了计算量，从而大幅降低了计算成本。
3.本发明的加热保温装置，利用石墨烯PI加热片加热且按照最佳的排布方案进行排布，具有更好的热传导效率和稳定性，更加节能环保，从而使开关设备运行更加可靠，有效地降低了设备的安全隐患，同时增加了设备运营的经济性。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的限定。
图1为现有SF6断路器镍铬合金电阻片分布示意图；
图2为本发明实施例1方法流程图；
图3为本发明实施例1输入变量提取示意图；
图4为本发明实施例1网格划分示意图；
图5为本发明实施例1响应面模型构建示意图一；
图6为本发明实施例1响应面模型构建示意图二；
图7为优化前加热效果示意图；
图8为采用本发明实施例1方法获取的排布方案加热效果图；
图9为本发明实施例2整体结构示意图；
其中，1.镍铬合金电阻片，2.硅橡胶膜，3.加热层，4.保温层，5.罐体保温外壳，6.极柱，7.支架，8.控制箱，9.温度控制器，10.接触器，11.温度传感器，12.铜电极，13.石墨烯PI加热片。
具体实施方式
实施例1
本实施例提供了一种石墨烯PI加热片排布优化方法，如图2所示，包括以下步骤：
步骤1：建立SF6断路器罐体用加热保温装置的参数化模型；
本实施例中，通过Solidwork与Workbench耦合建立SF6断路器罐体用加热保温装置参数化模型，建模通过Design Modeler参数化建模模块进行，建模方法采用现有方法即可，在此不进行详细叙述。
步骤2：进行参数敏感度分析；
本实施例中，如图3所示，提取三种规格的石墨烯PI加热片的长度、宽度，分别为P1、P2、P3、P4、P5、P6，提取相邻石墨烯PI加热片之间的间距，分别为P7、P8、P9。提取出输入变量后，存入参数管理器中。
本实施例中，在Workbench平台参数管理器中选取P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7、P8、P9共9个参数作为输入变量，人工设定多组输入变量的具体数值后存入参数管理器中，根据设定的初次实验设计方法进行瞬态加热过程仿真，提取排布中心点的SF6气体温度P10和极柱顶端中心点的SF6气体温度P11，并提取SF6中间截面平均气体温度P12，设置参数P13为中心气体温度与极柱顶端气体温度之差，表达式如(2)。
P13＝P10-P11 (2)
建构响应面所需样本数量会随着输入参数的数量显著增长，从而大幅增加计算成本。因此，进行输入变量对SF6的气体温度和流动速度的敏感度分析，根据敏感度分析进行输入变量的筛选。在Parameter Correlation敏感度分析模块中采用spearman等级相关性系数法入输入变量对SF6的气体温度和流动速度的敏感度分析，并对输入变量进行相关度排序，对输入变量进行筛选。
本实施例中，参数P1、P3、P5(三种不同规格加热片长度)对4种输出变量P10、P11、P12、P13变化不敏感，因此选取P2、P4、P6、P7、P8、P9共6个参数作为筛选后的关键的输入变量。
具体的，瞬态加热过程仿真获取不同输入变量下SF6气体温度和流动速度的方法为：
步骤a：使用Mechanical模块对步骤1构建的参数化模型进行网格划分，模型采用四面体网格划分，设置网格类型为CFD网格，整体网格尺寸30mm，并对PI加热片采用局部网格7mm划分，网格划分示意图如图4。
步骤b：SF6断路器罐体用加热保温装置的热流分析模型边界条件设定；
本实施例中，利用Workbench平台下Fluent流体分析软件结合输入变量完成热流模型的边界条件设定，PI加热片热源功率利用公式(1)确定，式中方阻Rc＝120Ω。
打开能量方程Enger选项，选择粘度Realizable k-ε方程，计算方法面板上采用Body Force Weighted压力方程，保证SF6自然对流状态。
步骤c：SF6断路器罐体用加热保温装置的热流分析求解器设定；
选择瞬态热流求解方法，监控罐体内部气体的平均温度、排布中心点的SF6气体温度和极柱顶端中心点的SF6气体温度，设定求解时间1800s，进行模型求解，得到不同输入变量下断路器罐体内SF6的气体流速和温度分布。
步骤3：设计实验组，完成构建响应模型的试验参数集。
选择Central Composite Design或Optimal Space-Filling Design或Box-Behnken Design或Sparse Grid Initialization或Latin Hypercube Sampling Design作为设定的实验设计方法，完成实验组设计。
本实施例中，利用Workbench平台的设计探索模块进行实验设计，由于PI加热片的几何参数为连续变量，所以选用Central Composite Design设计方法作为优化后试验设计方法，选定输入参数的参数变化范围为30％，根据罐体的尺寸人工设定45组筛选后输入变量对应的试验参数，并存入参数管理器中。
步骤4：结合步骤3得到的45组筛选后输入变量对应的试验参数，和响应面算法进行响应面模型(RSM)的构建；
具体的，选择Genetic Aggregation或Standard Response Surface或Kriging或Non-Parametric Regression或Neural Network或parse Grid响应面构建方法完成响应面模型的构建，构建方法采用现有方法即可，其具体步骤在此不进行详细叙述。
本实施例中，根据步骤3构建的试验参数集，选择Kriging响应面构建方法完成响应面模型的构建，Kriging是一项多维插值技术，适用于高度非线性的复杂工程优化问题，函数表达式如(3)
式中，R为相关矩阵,rT(x)末知点与已知点关系的向量，所得响应面如图5-图6所示。其中图5构建的响应面为石墨烯PI加热片尺寸与中间截面SF6平均气体温度的拟合曲面，图6构建的响应面为石墨烯PI加热片尺寸与极柱顶端中心点SF6气体温度的拟合曲面，构建方法采用现有方法即可，具体过程在此不进行详细叙述。
步骤5：利用步骤4构建的响应面模型，结合步骤3筛选出的输入变量，选择Screening或MOGA或NLPQL或MISQP等优化算法，进行输入变量最优迭代求解，得到优化后的输入变量参数，最终获得最优的石墨烯PI加热片排布方案。
实施例中，利用步骤4构建的响应面模型，结合步骤2筛选出的输入变量，选择MOGA优化算法，进行输入变量最优迭代求解，得到优化后的输入变量参数，最终获得3组优化后石墨烯PI加热片排布方案，如表1所示。该步骤中多目标优化的优化目标表达式如式(4),构造的目标函数要求中心气体温度与极柱顶端气体温度之差P13小于35K，极柱顶端中心点的SF6气体温度P11大于258K，寻求SF6中间截面平均气体温度P12最大值，但小于273K。
表1
步骤6：获得最优的石墨烯PI加热片排布方案后，根据获得的最优的排布方案，再次调取建立的参数化模型后进行瞬态加热过程仿真分析，验证排布方案的效果，其中优化前方案的效果如图7所示，采用本实施例方法的效果如图8所示。其中优化前方案为两个石墨烯PI加热片包裹罐体，将罐体外表面全部包覆。
采用本实施例的方法，通过构建响应面模型，并结合筛选后的输入变量，通过优化算法获得最优的石墨烯PI加热片排布方案，能够实现在最大程度的减少用料的情况下产生较好的加热效果，提升了能源和材料利用率，解决了石墨烯PI加热片如何在断路器罐体保温加热装置中的排布问题，同时，通过敏感度分析，选取敏感度较高的输入变量作为输入参数构件响应面模型，减少了计算量，从而大幅降低了计算成本。
实施例2
本实施例提供了一种加热保温装置，如图9所示，包括由内向外依次设置的罐体保温外壳5、保温层4和加热层3，所述罐体保温外壳5用于套在SF6断路器罐体的外周，所述加热层3用于贴附固定在SF6断路器的罐体上。
其中加热层3由多个石墨烯IP加热片13构成，铜电极12通过压制的方法与加热片13连接，石墨烯IP加热片与铜电极12的连接方法采用现有技术即可，多个石墨烯IP加热片13的排布方案由实施例1的方法获得，且多个石墨烯IP加热片在电路中并联设置，其电源线缆穿过罐体保温外壳5后通过接触器与电源相连。
所述保温层4采用EPDM发泡橡胶制成。
所述罐体保温外壳5由至少两个壳部可拆卸连接构成，本实施例中，罐体保温外壳5由两个壳部通过法兰、螺栓固定而成。
采用此种结构形式，巧妙地解决了GIS开关设备间距较小、安装空间不足等结构限制。
所述加热保温装置还包括温度传感器11，温度传感器11用于安装在SF6断路器极柱6的顶端，所述温度传感器11与温度控制器9连接，温度控制器9与安装在控制箱8内部的控制系统连接。
温度传感器11能够采集温度信息并传输给温度控制器9，温度控制器9与接触器10连接，能够根据采集的温度信息通过接触器10控制石墨烯IP加热片的启动和关闭。
在温度控制器9的控制下实现了现场自动断开和关闭，而且在元件管理上实现集中控制，方便了用户的监控及操作。
启动接触器10，实现罐体加热层3供电自动断开和关闭；启动接触器10主要作用是启动加热器和发送加热器运行指示信号。此装置可实现罐体保温集中监控。
本实施例的加热保温装置用于SF6断路器上，罐体保温外壳5套设于断路器的罐体外表面；罐体由支架7固定，多个石墨烯IP加热片13贴附固定在断路器罐体外表面上，温度传感器11安装在断路器的极柱6顶端，断路器上安装有电流互感器和充气套管；加热保温装置的接线盒连接断路器的控制箱8，控制箱8内的控制系统用于控制加热层3的加热温度。保温加热装置的相关电控元件与控制箱通过电缆进行二次连接。
本实施例的加热保温装置，利用石墨烯PI加热片加热且按照最佳的排布方案进行排布，具有更好的热传导效率和稳定性，更加节能环保，从而使开关设备运行更加可靠，有效地降低了设备的安全隐患，同时增加了设备运营的经济性。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (10)
1.一种石墨烯PI加热片排布获取方法，其特征在于，包括以下步骤：
建立SF6断路器罐体用加热保温装置的参数化模型；
调用建立的参数化模型结合设定的输入变量进行瞬态加热过程仿真，并进入输入变量对SF6的气体温度和流动速度的敏感度分析，根据敏感度分析进行输入变量的筛选；
根据设定的实验设计方法和筛选出的输入变量结合设定的响应面构建方法进行响应面模型的构建；
通过构建的响应面模型结合设定的优化算法对筛选后的输入变量进行迭代寻优，获得最优的石墨烯PI加热片排布方案。
2.如权利要求1所述的一种石墨烯PI加热片排布获取方法，其特征在于，输入变量包括石墨烯PI加热片的长度、宽度以及相邻石墨烯PI加热片之间的间距。
3.如权利要求1所述的一种石墨烯PI加热片排布获取方法，其特征在于，进行敏感度分析时，以石墨烯PI加热片的排布中心点和断路器极柱顶端中心点为变量参考点，提取排布中心点和极柱顶端中心点的SF6气体温度和流动速度。
4.如权利要求1所述的一种石墨烯PI加热片排布获取方法，其特征在于，采用spearman等级相关性系数阀进行敏感度分析。
5.如权利要求1所述的一种石墨烯PI加热片排布获取方法，其特征在于，得到石墨烯PI加热片最优的排布方案后，结合参数化模型进行瞬态加热过程仿真，对最优的排布方案进行验证。
6.如权利要求1所述的一种石墨烯PI加热片排布获取方法，其特征在于，采用Screening或MOGA或NLPQL或MISQP优化方法进行筛选后输入变量的迭代寻优。
7.一种加热保温装置，其特征在于，包括由外向内依次设置的罐体保温外壳、保温层和加热层，其中加热层由多个石墨烯PI加热片并联构成，石墨烯PI加热片采用权利要求1-6任一项所述的石墨烯PI加热片排布获取方法得到的排布方案进行排布。
8.如权利要求7所述的一种加热保温装置，其特征在于，所述保温层采用EPDM发泡橡胶制成。
9.如权利要求7所述的一种加热保温装置，其特征在于，所述罐体保温外壳由至少两个壳部可拆卸连接构成。
10.如权利要求7所述的一种加热保温装置，其特征在于，所述加热保温装置还包括用于安装在极柱顶端的温度传感器，所述温度传感器与温度控制器连接，温度控制器与安装在石墨烯PI加热片供电电路的接触器连接。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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