CN117852308A - 一种基于动态绝缘油流体与金属颗粒运动判断方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于动态绝缘油流体与金属颗粒运动判断方法及系统，涉及高压有载分接开关油中杂质颗粒运动技术领域，包括通过开关动静触头及运动建模仿真；根据流体场湍流模型建模仿真；基于间隙内电场建模仿真；通过间隙内金属颗粒运动建模仿真；基于仿真结果输出绝缘油动间隙内金属颗粒运动规律判断故障。本发明提供的基于动态绝缘油流体与金属颗粒运动判断方法通过构建动触头的对称平动模型和非对称绕轴转动模型，提高有载分接开关长期运行的可靠性，采用标准矿物绝缘油模拟流体动力学行为，确保了流体运动的仿真准确性，本发明在可靠性、仿真准确性以及预测准确性方面都取得更加良好的效果。
Description
技术领域
本发明涉及高压有载分接开关油中杂质颗粒运动技术领域，具体为一种基于动态绝缘油流体与金属颗粒运动判断方法及系统。
背景技术
金属颗粒杂质会严重降低绝缘油的绝缘性能，当油中金属颗粒的浓度达到一定水平时便会造成击穿。一般液体电介质中颗粒杂质造成的击穿都采用“小桥”理论进行解释，但该理论一般适用于处于静止状态的液体介质。因此现有基于“小桥”理论的关于油中颗粒的研究都针对的是油中定间隙的状态，绝缘油呈现静止或者低速层流。然而有载分接开关触头的切换动作速度快、时间短、具有冲击性，液体介质流动规律复杂，该过程应视为油中动间隙问题，该状态下的颗粒运动规律更为复杂，难以用现有的理论解释。因此有载分接开关制造厂家均不明确有载分接开关运动过程中金属颗粒的放电机理，缺少绝缘裕度设计以及故障检测的理论依据。
目前国内外关于绝缘油中颗粒杂质的研究主要针对于绝缘油中颗粒的运动规律以及颗粒杂质的影响。其中关于油中颗粒运动的规律研究表明了油中颗粒在碰撞电极获得电荷后会受电场力作用在电极间往复振荡运动，且在直流电压下运动最剧烈。因此当绝缘油处于静止时，油中颗粒群会在电极间形成杂质“小桥”。而当绝缘油流动时，由于现有研究油流方向与电场方向垂直，因此难以形成稳定“小桥”，颗粒运动轨迹在电极间振荡。
油中颗粒杂质影响的研究内容包含杂质导致的局部放电和击穿。其中局部放电主要由颗粒与电极碰撞时的电荷交换、颗粒的堆积以及带电颗粒导致的电场畸变引起，因此局部放电的强度与放电量取决于颗粒的运动以及位置分布。而当颗粒在电极间形成杂质“小桥”时，根据小桥理论，颗粒会进一步造成电极间绝缘油的击穿，击穿电压除了与颗粒浓度有关外，同样取决于颗粒的运动，即杂质“小桥”的形成。
发明内容
鉴于上述存在的问题，提出了本发明。
因此，本发明解决的技术问题是：现有的绝缘油中颗粒杂质的研究存在没有分析金属颗粒运动分布对绝缘油绝缘性能的影响以及造成击穿的原因，有载分接开关长期运行的可靠性低，以及仅仅分析在绝缘油为静止或者流动状态时内部颗粒的运动状态的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种基于动态绝缘油流体与金属颗粒运动判断方法，包括通过开关动静触头及运动建模仿真；根据流体场湍流模型建模仿真；基于间隙内电场建模仿真；通过间隙内金属颗粒运动建模仿真；基于仿真结果输出绝缘油动间隙内金属颗粒运动规律判断故障。
作为本发明所述的基于动态绝缘油流体与金属颗粒运动判断方法的一种优选方案，其中：所述通过开关动静触头及运动建模仿真包括构建对称的动触头平动模型和非对称的动触头绕轴转动模型；
所述对称的动触头平动模型关于中轴线对称，动触头做匀加速平动且在动触头运动过程中，绝缘油间隙内部的电场为均匀电场；
所述非对称的动触头绕轴转动模型，动触头做匀角加速的绕转旋转，动静触头间隙内电场为不均匀电场，电场的不均匀程度与间隙成正比；
在仿真中，对称模型与非对称模型的动触头运动时间设置为18ms；
其中对称模型下，动触头与静触头的最大间隙为40mm，非对称模型下，动触头的绕轴旋转最大角度为20°。
作为本发明所述的基于动态绝缘油流体与金属颗粒运动判断方法的一种优选方案，其中：所述根据流体场湍流模型建模仿真包括基于湍流模型选用流体，仿真模型中绝缘油采用标准矿物绝缘油；
选择Overset嵌套网格模型来进行触头运动过程中流体场的建模；将流体场作为背景网格进行网格划分，同时在动触头周围建立前景网格；
当触头运动时，前景网格跟随动触头共同运动，而背景网格保持静止，两层网格相对运动并且通过上下两层的重叠网格进行数据交换。
作为本发明所述的基于动态绝缘油流体与金属颗粒运动判断方法的一种优选方案，其中：所述基于间隙内电场建模仿真包括设定动静触头间的电势差，仿真中采用最大级电压作为动间隙电势差，交流频率为50Hz，获取间隙内的动静触头电势差电场；
针对带电金属颗粒产生的电场，在仿真中捕捉与动静触头壁面碰撞的金属颗粒，设定金属颗粒在碰撞中由于电荷转移获得的电荷，表示为：
；
其中，为绝缘油的相对介电常数，/>为真空介电常量，/>为金属颗粒的半径，/>为金属颗粒所在处的场强；
对于携带电荷的金属颗粒，根据输出带电颗粒的电场；
针对电中性的颗粒产生的电场，表示为：
；
其中，表示所求位置相对电偶极子的球坐标，/>表示颗粒的电偶极矩，表示颗粒在电场中极化程度的量度，/>表示真空的电容率，/>表示相对电容率，/>表示颗粒的半径，/>表示颗粒所处位置的电场强度，/>表示颗粒周围的总电场强度，/>表示颗粒周围电场的径向分量，/>表示颗粒周围电场的角向分量，/>表示颗粒周围电场的方位角分量，表示从正z轴到点的连线与z轴的夹角，/>表示从原点到点的距离。
作为本发明所述的基于动态绝缘油流体与金属颗粒运动判断方法的一种优选方案，其中：所述通过间隙内金属颗粒运动建模仿真包括金属颗粒的运动，表示为：
；
其中，R 表示颗粒半径，表示颗粒密度，/>表示颗粒速度矢量，/>表示重力作用力，/>表示浮力，/>表示考虑流体的粘滞性的阻力，/>表示虚拟质量力，/>表示巴尼奥利力，/>表示压差力，/>表示磁力，/>表示斯托克斯力，/>表示电场力，/>表示介电泳力，与颗粒的极化有关；
金属颗粒的运动由绝缘油流体场与触头间隙内电场共同决定，根据流体场的数学模型以及电场强度的数学模型，输出流体速度场与压力场以及电场强度与颗粒运动状态的关系，流体场对颗粒以曳力为主的作用力改变金属颗粒的运动从而影响电场的分布，电场对金属颗粒的电场力以及介电泳力的作用改变金属颗粒的运动影响流体场的分布，使流体场与电场形成以金属颗粒运动为媒介的间接耦合，表示为：
；
其中，表示流体的密度，/>表示重力加速度，/>表示颗粒的体积，/>表示垂直向上的单位向量，/>表示压力，/>表示流体的动态粘度，/>表示流体的速度，/>表示颗粒的电荷量，/>表示电场强度，/>表示磁场强度，/>表示颗粒的极化率，/>表示温度梯度，/>表示温度梯度系数，/>表示化学势梯度，γ 表示系数，/>表示颗粒表面积，/>表示系数，/>表示金属颗粒的速度；
在与绝缘油的流固耦合中，采用拉格朗日-欧拉法进行分析，选用DPM模型针对离散的金属颗粒的运动进行建模。
作为本发明所述的基于动态绝缘油流体与金属颗粒运动判断方法的一种优选方案，其中：所述基于仿真结果输出绝缘油动间隙内金属颗粒运动规律判断故障包括对称模型中绝缘油流体速度场关于中轴线对称，间隙内中轴线位置流速垂直于触头面，两端流速平行于触头面，间隙内逐渐形成两组漩涡；非对称模型中，间隙内绝缘油流体场整体速度方向按照间隙由大到小分布，流体碰撞触头表面后在静触头以及动触头表面均形成漩涡；对称模型中金属颗粒随着流体从间隙两侧中间位置进入间隙，在中心位置汇聚后向两侧的触头表面运动；非对称模型中，金属颗粒进入间隙，路径与触头面平行，在受到漩涡挤压变形后，弯曲形成连接静触头两端的三角形分布；对称模型中间隙内金属颗粒的浓度分布整体呈现增长趋势，间隙内无颗粒，增长直至动触头停止运动后，内部颗粒浓度达到初始状态浓度并继续增加；非对称模型中间隙内的金属颗粒浓度先增大后减小，初期间隙内无颗粒，动触头停止运动后颗粒浓度达到最大值，随后逐渐降低，间隙内颗粒浓度始终低于绝缘油中整体颗粒浓度；当绝缘油中整体颗粒浓度不同时，对称模型与非对称模型中间隙内的颗粒浓度变化趋势不变；电压为10kV级别时，电场对金属颗粒的作用小于流体的作用。
作为本发明所述的基于动态绝缘油流体与金属颗粒运动判断方法的一种优选方案，其中：所述基于仿真结果输出绝缘油动间隙内金属颗粒运动规律判断故障包括基于仿真结果输出绝缘油动间隙内金属颗粒运动规律构建故障判断模型，表示为：
;
其中，表示故障可能性，/>表示颗粒浓度 Cm的梯度的散度，/>表示扩散系数，/>表示傅里叶逆变换，/>表示傅里叶变换，/>表示电场强度，/>表示流体速度矢量V 的模长/>的复杂效应，/>表示速度矢量的角度，/>表示概率密度，/>表示金属颗粒的浓度分布，/>表示流体速度矢量，由三个分量 u、v和w 组成， u、v和w 表示流体速度在三维空间 x、y和z 方向上的分量；若F<0.2，高压有载分接开关无故障发生；若0.2≤F<0.5，高压有载分接开关存在故障，但故障未发生；若F≥0.5，高压有载分接开关正在发生故障。
本发明的另外一个目的是提供一种基于动态绝缘油流体与金属颗粒运动判断系统，其能通过间隙内金属颗粒运动建模仿真，解决了目前的绝缘油中颗粒杂质的研究含有没有分析金属颗粒运动分布的问题。
作为本发明所述的基于动态绝缘油流体与金属颗粒运动判断系统的一种优选方案，其中：包括开关动静触头及运动防止构建模块，流体场构建模块，间隙内电场构建模块，间隙内金属颗粒运动模块，仿真结果分析模块，故障判断模块；所述开关动静触头及运动防止构建模块用于构建对称的动触头平动模型和非对称的动触头绕轴转动模型；所述流体场构建模块用于通过Overset嵌套网格模型来进行触头运动过程中流体场的建模；所述间隙内电场构建模块用于通过间隙内的电场由动静触头间的电势差、带电金属颗粒以及间隙点场内电中性金属颗粒建模；所述间隙内金属颗粒运动模块用于输出金属颗粒的运动由动力学数学模型；
所述仿真结果分析模块用于通过构建有载分接开关切换过程的绝缘油流体及金属颗粒的运动仿真模型，搭建动触头平动的动间隙对称模型与动触头绕轴转动的动间隙非对称模型，输出仿真结果；所述故障判断模块用于通过故障判断模型判断故障发生概率。
一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序是实现基于动态绝缘油流体与金属颗粒运动判断方法的步骤。
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现基于动态绝缘油流体与金属颗粒运动判断方法的步骤。
本发明的有益效果：本发明提供的基于动态绝缘油流体与金属颗粒运动判断方法通过构建动触头的对称平动模型和非对称绕轴转动模型，提高有载分接开关长期运行的可靠性，采用标准矿物绝缘油和Overset嵌套网格模型来模拟流体动力学行为，确保了流体运动的仿真准确性，通过设定动静触头间的电势差，模拟间隙内的电场分布，更加清晰观察金属颗粒运动，利用间隙内金属颗粒运动建模仿真，预测和控制金属颗粒在绝缘油中的运动，基于仿真结果输出绝缘油动间隙内金属颗粒运动规律判断故障，预测和优化金属颗粒在实际操作条件下的行为，本发明在可靠性、仿真准确性以及预测准确性方面都取得更加良好的效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明第一个实施例提供的一种基于动态绝缘油流体与金属颗粒运动判断方法的整体流程图。
图2为本发明第一个实施例提供的一种基于动态绝缘油流体与金属颗粒运动判断方法的二维仿真模型图。
图3为本发明第一个实施例提供的一种基于动态绝缘油流体与金属颗粒运动判断方法的对称模型图。
图4为本发明第一个实施例提供的一种基于动态绝缘油流体与金属颗粒运动判断方法的非对称模型图。
图5为本发明第一个实施例提供的一种基于动态绝缘油流体与金属颗粒运动判断方法的背景网格图。
图6为本发明第一个实施例提供的一种基于动态绝缘油流体与金属颗粒运动判断方法的前景网格图。
图7为本发明第二个实施例提供的一种基于动态绝缘油流体与金属颗粒运动判断方法的对称流体场第5ms、10ms、15ms、20ms、25ms、30ms、35ms、40ms时的速度分布图。
图8为本发明第二个实施例提供的一种基于动态绝缘油流体与金属颗粒运动判断方法的非对称流体场第5ms、10ms、15ms、20ms、25ms、30ms、35ms、40ms时的速度分布图。
图9为本发明第二个实施例提供的一种基于动态绝缘油流体与金属颗粒运动判断方法的对称流体场中金属颗粒在第5ms、10ms、15ms、20ms、25ms、30ms、35ms、40ms时的位置分布图。
图10为本发明第二个实施例提供的一种基于动态绝缘油流体与金属颗粒运动判断方法的非对称流体场中金属颗粒在第5ms、10ms、15ms、20ms、25ms、30ms、35ms、40ms时的位置分布图。
图11为本发明第二个实施例提供的一种基于动态绝缘油流体与金属颗粒运动判断方法的对称模型相对颗粒浓度图。
图12为本发明第二个实施例提供的一种基于动态绝缘油流体与金属颗粒运动判断方法的非对称模型相对颗粒浓度图。
图13为本发明第二个实施例提供的一种基于动态绝缘油流体与金属颗粒运动判断方法的对称模型相对颗粒浓度对比图。
图14为本发明第二个实施例提供的一种基于动态绝缘油流体与金属颗粒运动判断方法的对称模型相对颗粒浓度对比图。
图15为本发明第二个实施例提供的一种基于动态绝缘油流体与金属颗粒运动判断方法的10kV对称模型金属颗粒分布图。
图16为本发明第二个实施例提供的一种基于动态绝缘油流体与金属颗粒运动判断方法的10kV非对称模型金属颗粒分布图。
图17为本发明第三个实施例提供的一种基于动态绝缘油流体与金属颗粒运动判断系统的整体流程图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，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，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护的范围。
实施例1
参照图1-图6，为本发明的一个实施例，提供了一种基于动态绝缘油流体与金属颗粒运动判断方法，包括：
S1：通过开关动静触头及运动建模仿真。
更进一步的，为了进一步探究在开关运动过程中金属颗粒在湍流流体场和电场的双重作用下的运动轨迹，采用Ansys Fluent进行仿真模拟。本文采用华明SHZVⅡ有载分接开关过度为原型进行简化，建立平板电极动间隙模型。
应说明的是，主触头和过渡触头均在水平方向上进行运动，因此选择从上向下俯视的水平截面建立二维仿真模型如图2。根据主触头以及过渡触头的三维结构，动触头用0.05m×0.01m的矩形，静触头用0.05m×0.03m的矩形进行表示。当动触头运动时，动触头附近流体场速度最快，且向四周扩散，因此动静触头附近的物体对流体的阻碍作用不可忽略，根据有载分接开关的结构，将流体运动范围用0.2m×0.2m的矩形等效表示。
有载分接开关的触头运动机构一般都采用弹簧储能型操作机构，在触头分离前，将弹簧进行压缩储能，通过释放弹簧，将弹性势能转换为动触头的动能，为了保证动触头在分离后能固定住位置，因此弹簧始终保持压缩状态。根据胡克定律，弹簧弹力为：
；
其中，为弹簧的弹性系数，/>为弹簧的压缩量。
由于动触头的运动过程为加速运动，且流体阻力随着动触头的运动速度增加而增大，因此动触头应做加速度减小的加速运动，考虑到实际情况下动触头运动情况下对应的弹簧压缩变化量较小，且弹簧的弹性系数较大，因此忽略弹簧释放以及流体阻力对动触头加速度的影响，在仿真中动触头的运动采用加速度恒定的加速运动。
还应说明的是，为了更加全面的研究动间隙内金属颗粒的运动情况，本文针对简化的动静触头模型分别建立了对称的动触头平动模型以及非对称的动触头绕轴转动模型，两个模型的运动轨迹如图。对于对称的模型，模型关于中轴线对称，动触头做匀加速平动且在动触头运动过程中，绝缘油间隙内部的电场可近似认为是均匀电场；对于非对称的模型，动触头做匀角加速的绕转旋转，且动静触头间隙内电场为不均匀电场，电场的不均匀程度随着间隙的增大而增大。高压有载分接开关的切换时间与一个工频周期接近，在仿真中，对称模型与非对称模型的动触头运动时间设置为18ms，其中对称模型下，动触头与静触头的最大间隙为40mm，非对称模型下，动触头的绕轴旋转最大角度为20°。
S2：根据流体场湍流模型建模仿真。
更进一步的，流体选用湍流模型，仿真模型中绝缘油采用标准矿物绝缘油，该绝缘油的基本物理性质如下表。
表1 实验结果表
应说明的是，流体场仿真中开关运动导致的流体域改变的动网格问题是建模的难点，由于传统的动网格模型无法避免网格的变形，而网格的变形对划分网格的尺寸、动触头的运动速度以及瞬态研究的时间步都有比较严格的要求和局限。同时本文研究的重点是动静触头间隙内部的流体场运动，是传统动网格模型网格变形的主要区域，间隙内网格的过度细分会导仿真中收敛性的降低。
还应说明的是，选择Ansys Fluent最新的Overset嵌套网格模型来进行触头运动过程中流体场的建模。嵌套网格模型将流体场作为背景网格进行网格划分，同时在动触头周围建立前景网格，当触头运动时，前景网格跟随动触头共同运动，而背景网格保持静止，两层网格相对运动并且通过上下两层的重叠网格进行数据交换，避免了运动边界运动挤压网格导致的网格变形的问题。同时嵌套网格模型中的前景网格是动触头的边界区域，能够覆盖触头运动过程中的间隙，可以根据研究需求对背景网格和前景网格进行不同程度的细分。
S3：基于间隙内电场建模仿真。
更进一步的，间隙内的电场由动静触头间的电势差、带电金属颗粒以及间隙点场内电中性金属颗粒共同产生，且总电场近似为三者的矢量和。首先设定动静触头间的电势差，华明SHZVⅡ有载分接开关的主触头间的电势差为过渡电阻两端电势差，约为几百伏，而过渡触头间的电势差为有载分接开关的级电压，根据华明SHZVⅡ有载分接开关的设计参数可知，最大级电压为6000V，过渡触头间的电势差大于主触头，更容易造成击穿，因此仿真中采用最大级电压作为动间隙电势差，交流频率为50Hz。则可以得到间隙内的动静触头电势差电场。
应说明的是，针对带电金属颗粒产生的电场，在仿真中捕捉与动静触头壁面碰撞的金属颗粒，设定金属颗粒在碰撞中由于电荷转移获得的电荷，表示为：
；
其中，为绝缘油的相对介电常数，/>为真空介电常量，/>为金属颗粒的半径，/>为金属颗粒所在处的场强。
还应说明的是，对于携带电荷的金属颗粒，根据公式得到带电颗粒的电场。其中金属颗粒的带电量在与避免再次碰撞前将保持不变，但电场的分布将与该颗粒的运动轨迹有关。
针对电中性的颗粒产生的电场，表示为：
；
其中，表示所求位置相对电偶极子的球坐标，其中电偶极子产生的电场只与颗粒所处位置的电势差电场有关，/>表示颗粒的电偶极矩，表示颗粒在电场中极化程度的量度，/>表示真空的电容率，/>表示相对电容率，/>表示颗粒的半径，/>表示颗粒所处位置的电场强度，/>表示颗粒周围的总电场强度，/>表示颗粒周围电场的径向分量，/>表示颗粒周围电场的角向分量，/>表示颗粒周围电场的方位角分量，/>表示从正z轴到点的连线与z轴的夹角，/>表示从原点到点的距离。
S4：通过间隙内金属颗粒运动建模仿真。
更进一步的，金属颗粒的运动表示为：
；
其中，R 表示颗粒半径，表示颗粒密度，/>表示颗粒速度矢量，/>表示重力作用力，/>表示浮力，/>表示考虑流体的粘滞性的阻力，/>表示虚拟质量力，/>表示巴尼奥利力，/>表示压差力，/>表示磁力，/>表示斯托克斯力，/>表示电场力，/>表示介电泳力，与颗粒的极化有关。
应说明的是，同时在与绝缘油的流固耦合中，采用拉格朗日-欧拉法进行分析，因此选用DPM模型针对离散的金属颗粒的运动进行建模。其中颗粒的材料采用与动静触头一致的金属铜，铜的物理性质如下表。
表2 铜参数
还应说明的是，金属颗粒的直径为150μm，初始状态为静止，运动过程中与壁面的碰撞为弹性碰撞。仿真采用的金属颗粒的浓度为0.1~1 g/L，DPM模型针对该浓度下的颗粒运动不考虑颗粒间的相互碰撞，以金属颗粒与流体的相互作用为主。
更进一步的，金属颗粒的运动由绝缘油流体场与触头间隙内电场共同决定，根据流体场的数学模型以及电场强度的数学模型，输出流体速度场与压力场以及电场强度与颗粒运动状态的关系，流体场对颗粒以曳力为主的作用力改变金属颗粒的运动从而影响电场的分布，电场对金属颗粒的电场力以及介电泳力的作用改变金属颗粒的运动影响流体场的分布，使流体场与电场形成以金属颗粒运动为媒介的间接耦合，表示为：
；
其中，表示流体的密度，/>表示重力加速度，/>表示颗粒的体积，/>表示垂直向上的单位向量，/>表示压力，/>表示流体的动态粘度，/>表示流体的速度，/>表示颗粒的电荷量，/>表示电场强度，/>表示磁场强度，/>表示颗粒的极化率，/>表示温度梯度，/>表示温度梯度系数，/>表示化学势梯度，γ 表示系数，/>表示颗粒表面积，/>表示系数；
在与绝缘油的流固耦合中，采用拉格朗日-欧拉法进行分析，选用DPM模型针对离散的金属颗粒的运动进行建模。
S5：基于仿真结果输出绝缘油动间隙内金属颗粒运动规律判断故障。
更进一步的，根据仿真模型的构造，得到了金属铜颗粒浓度为0.5g/L，电源电压有效值为6000V，频率为50Hz时，平动对称动间隙模型和绕轴转动非对称动间隙模型的仿真结果。其中平动模型和绕轴转动模型的动触头运动时间都为18ms，瞬态仿真模型时间步长为0.1ms，总时长为40ms，平动模型动触头做匀加速运动，最大距离为40mm，绕轴转动模型动触头做匀角加速运动，最大角度为20°。
应说明的是，对称模型中绝缘油流体速度场关于中轴线对称，间隙内中轴线位置流速垂直于触头面，两端流速平行于触头面，间隙内逐渐形成两组漩涡。非对称模型中，间隙内绝缘油流体场整体速度方向从间隙较宽一侧指向较窄一侧。流体碰撞触头表面后在静触头以及动触头表面均形成漩涡。
还应说明的是，对称模型中金属颗粒随着流体从间隙两侧中间位置进入间隙，在中心位置汇聚后向两侧的触头表面运动，整体颗粒分布呈现“十”字形。间隙四个角落的漩涡中心位置为颗粒“真空区”。非对称模型中，金属颗粒从间隙较宽一侧进入，路径与触头面平行，在受到漩涡挤压变形后，弯曲形成连接静触头两端的三角形分布，三角形内部为金属颗粒的“真空区”。
更进一步的，对称模型中间隙内金属颗粒的浓度分布整体呈现增长趋势。间隙内初期并无颗粒，增长直至懂触头停止运动后，内部颗粒浓度达到初始状态浓度并继续增加。非对称模型中间隙内的金属颗粒浓度先增大后减小，初期间隙内无颗粒，动触头停止运动后颗粒浓度达到最大值，随后逐渐降低。间隙内颗粒浓度始终低于绝缘油中整体颗粒浓度。
应说明的是，当绝缘油中整体颗粒浓度不同时，对称模型与非对称模型中间隙内的颗粒浓度变化趋势不变，但间隙内任意时刻的颗粒浓度与绝缘油中整体颗粒浓度并非线性关系。
还应说明的是，电压为10kV级别时，电场对金属颗粒的作用远小于流体的作用，触头两端的电压变化对金属颗粒的运动影响可以忽略不计，因此难以形成稳定的杂质“小桥”。
更进一步的，基于仿真结果输出绝缘油动间隙内金属颗粒运动规律构建故障判断模型，表示为：
；
其中，表示故障可能性，/>表示颗粒浓度 Cm的梯度的散度，/>表示扩散系数，/>表示傅里叶逆变换，/>表示傅里叶变换，/>表示电场强度，/>表示流体速度矢量V 的模长/>的复杂效应，/>表示速度矢量的角度，/>表示概率密度，/>表示金属颗粒的浓度分布，/>表示流体速度矢量，由三个分量 u、v和w 组成， u、v和w 表示流体速度在三维空间 x、y和z 方向上的分量；
若F<0.2，高压有载分接开关无故障发生；
若0.2≤F<0.5，高压有载分接开关存在故障，但故障未发生；
若F≥0.5，高压有载分接开关正在发生故障。
实施例2
参照图7-图16，为本发明的一个实施例，提供了一种基于动态绝缘油流体与金属颗粒运动判断方法，为了验证本发明的有益效果，通过经济效益计算和仿真实验进行科学论证。
对称流体场第5ms、10ms、15ms、20ms、25ms、30ms、35ms、40ms时的速度分布如图7。
从流体场的速度分布情况可以看出，在动触头刚开始移动时，由于动静触头间间隙极小，间隙内的压强远小于外部的压强，形成低压区，因此流体会迅速从两侧冲入间隙迅速再次形成高压区，此时在5ms时，流体便会高速从间隙向外流动。当间隙间距逐渐变大时，内部的压强逐渐恢复稳定，在10ms时动触头的运动迫使绝缘油绕开动触头沿着静触头的内壁进入间隙，并有形成漩涡的趋势。当动触头运动到15m时，由于对称性，流入间隙的绝缘油会在轴线方向碰撞，导致流体的竖直方向的速度被抵消，流体沿中轴线向动触头运动。在20ms时，动触头已经停止运动，绝缘油在碰撞到动触头后，收到对称方向流体的挤压会沿着动触头的壁面向间隙外流动，此时在流体场中形成一对完整的对称的漩涡。在25ms时，由于第一组漩涡在保持向动触头的方向运动，因此绝缘油将从动静触头间隙中间位置进入间隙，并在间隙中心位置向两侧分流，一部分绝缘油将流向静触头。在30ms时，第一组漩涡在碰撞到动触头壁面后受到挤压向间隙外侧移动，同时流向静触头的绝缘油在碰撞到壁面后同样向外流动，形成了一组与第一组漩涡旋转方向相反的新漩涡。当35ms时，第一组漩涡已经完全离开间隙，此时第二组漩涡逐渐扩大，并且挤压第一组漩涡。到40ms时，流体场整体流速降低，两组漩涡开始逐渐减小。
非对称流体场第5ms、10ms、15ms、20ms、25ms、30ms、35ms、40ms时的速度分布如图8。
从非对称流体场的速度分布可以得到，当动静触头刚分离时，由于动触头的运动方式是绕轴旋转，因此动静触头间产生了不均匀宽度的间隙，在5ms是，由于间隙距离极小，宽间隙处压强大于窄间隙处，因此绝缘油将从间隙宽的一侧流入间隙并从间隙窄的一侧流出。当触头继续运动，由于动静触头壁面夹角逐渐增大，内部压强梯度变化增大，因此在10ms时，流体绕过动触头从宽间隙一侧高速流入，由于流体流速快且速度并非正对窄间隙侧，因此流体将与动触头壁面产生碰撞。在15ms时，随着动触头的运动，触头间间隙越来越大，绕过动触头进入间隙的绝缘油在碰撞到动触头壁面后分流，一部分沿着动触头壁面向间隙较窄一侧流出，另一部分沿着壁面流出间隙。到20ms时，动触头运动停止，此时流体速度到达最大，碰撞到动触头壁面沿着壁面返回的流体与进入的流体形成漩涡，另一部分向窄间隙运动的绝缘油在碰撞到静触头壁面后再次分流，一部分流出间隙，另一部分沿着壁面与进入间隙的绝缘油形成另一个漩涡。两个漩涡旋转方向相反，且在绝缘油流入间隙的位置相切。在25ms时，流体的速度开始降低，靠近动触头壁面的漩涡向外移动，靠近静触头避免的漩涡向远离壁面的方向运动。当30ms时，外侧的漩涡收到进入间隙的油流作用，再次进入间隙，与中心处的漩涡进行碰撞。到了40ms时，外侧漩涡一部分外层流体进入中心处漩涡并沿着壁面脱离漩涡流出间隙。
对称模型的流体场中流体始终从两侧流入间隙，并在中心位置碰撞后从动静触头壁面流出，同时形成对称的漩涡。由于流体场的对称性，流体在动静触头间隙中心线处以横向速度大于竖向速度。
非对称模型的流体场中流体主要从间隙大的一侧流入间隙小的一侧，漩涡产生的原因是流体与动触头壁面的碰撞形成的分流。由于非对称性，间隙内存在明确的流体运动方向。
对称流体场中金属颗粒的位置分布，金属颗粒在第5ms、10ms、15ms、20ms、25ms、30ms、35ms、40ms时的位置分布如图9。
根据对称流体场中金属颗粒的位置分布图可以得到，金属颗粒主要聚集在漩涡的边缘处，原因为金属颗粒受力中流体曳力占主导因素，漩涡边缘速度大，根据流体曳力公式可得曳力也大。在5ms时，动静触头刚刚分离，间隙距离较小，且内部流体向外流出，因此并无金属颗粒进入间隙。随着间隙距离逐渐增大，到10ms时，部分颗粒随着绝缘油沿着静触头壁面进入间隙内部。到了15ms时，从两侧进入的金属颗粒汇聚，并随着第一组漩涡的切线方向向两侧的触头运动。到了20ms时，进入的金属颗粒数量增多，且汇聚的颗粒由于中心位置处流体流速均为横向，因此中心处的金属颗粒受曳力作用向动触头运动，逐渐形成金属颗粒“小桥”。到了25ms，由于动触头已经停止了运动，因此金属颗粒“小桥”随着颗粒的运动逐步增长。当30ms时，金属颗粒“小桥”完全连接动静触头，同时由于第二组漩涡的产生，进入间隙的颗粒开始向静触头壁面运动。到了35ms时，由于第一组漩涡已经流出间隙，因此向动触头运动的颗粒减少，而进入间隙的颗粒在静触头壁面形成堆积。在40ms时，可以看到，到达动触头面的金属颗粒开始沿着壁面向外运动，同时堆积在静触头面的金属颗粒由于向外运动使得堆积面向两边扩大。
非对称流体场中金属颗粒的位置分布，，金属颗粒在第5ms、10ms、15ms、20ms、25ms、30ms、35ms、40ms时的位置分布如图10。
根据非对称流体场中金属颗粒的位置分布图可以得到，金属颗粒同样沿着流体最大速度流动方向进行运动。在5ms时，动静触头间隙很小，暂无颗粒进入间隙，但由于绝缘油从宽间隙位置流入，窄间隙位置流出，可以发现宽间隙侧外部颗粒浓度要高于窄间隙侧。到10ms时，部分颗粒随着绝缘油进入间隙，由于此时间隙距离仍然较小，贴近壁面的流体流速较慢，因此金属颗粒的轨迹为间隙中线位置。此时在间隙较窄一侧，由于流体的流出，形成了金属颗粒的“真空区域”。到了15ms时，随着间隙的进一步扩大且暂未形成漩涡，金属颗粒随着流体能够平滑的流出间隙，形成平行于壁面的金属颗粒“小桥”。在20ms时，由于动触头已经停止运动，进入间隙的流体速度达到最大，因此金属颗粒“小桥”逐渐变宽，但随着漩涡的产生，金属颗粒“小桥”也开始发生变形。到了25ms时，靠近动触头的漩涡向外移动，靠近静触头的漩涡逐渐扩大，金属颗粒“小桥”开始贴近动触头壁面。当30ms时，由于外侧漩涡离开间隙，金属颗粒受内侧漩涡挤压在动触头表面产生堆积。在35ms时，外侧漩涡再次进入间隙，但两个漩涡的位置从原先的横向并列转换为纵向并列，这就导致了原先漩涡相切位置的竖向金属颗粒“小桥”改为横向排列，同时颗粒在碰撞到动触头面后沿着壁面向两侧运动。到了40ms时，随着流速的降低，金属颗粒“小桥”逐渐变窄，进入间隙的颗粒减少。
金属颗粒的运动与流体场中流体的运动具有密切的关系，由于金属颗粒主要受流体曳力的作用，因此金属颗粒的运动轨迹总是沿着流体流速最快的方向发展。当初选漩涡时，金属颗粒会沿着漩涡外侧进行运动，形成了漩涡内部的金属颗粒“真空区”。
对称流体场中，由于对称漩涡的存在，金属颗粒在动静触头内部形成了贯穿动静触头的“小桥”，但是该“小桥”与现有研究中电极间形成的“小桥”存在较大区别。现有研究中形成的杂质“小桥”由杂质颗粒在电极间受电场力重复往返运动形成，但本文仿真模型中形成的“小桥”是由金属颗粒的单向运动形成的，金属颗粒未在触头电极间往复运动的原因为金属颗粒收到的电场作用力远小于流体曳力，且流体曳力与电场力方向一致。因此形成金属颗粒“小桥”的机理差异在于金属颗粒所受的作用力。
非对称模型中，金属颗粒形成的“小桥”初期与动静触头壁面方向平行，贯穿了动静触头间的间隙，且并未与动静触头接触。但随着漩涡的产生，金属颗粒的“小桥”发生了偏移，在动触头表面形成了堆积，相当于增加了动触头表面的厚度，减少了动静触头间的间隙距离，且最终仍然形成了连通动静触头的“小桥”。
金属颗粒的运动会导致绝缘油中金属颗粒的浓度分布发生变化，因为颗粒的运动会导致绝缘油中原来均匀随机分布的金属颗粒发生堆积和聚集。考虑到金属颗粒对绝缘油绝缘性能的影响以及在电场中的放电现象，因此本文着重研究间隙内部电场强度较大区域的颗粒浓度。
对称模型的电场可近似认为均匀电场，且间隙内电场强度最大，因此针对动间隙内部进行金属颗粒浓度的统计，以初始状态下均匀随机分布的绝缘油整体金属颗粒浓度为基准，得到间隙内的相对颗粒浓度随时间变化如图11。
从图中可以看出，在开关刚断开时，动静触头间隙很小，几乎没有颗粒进入，直到6ms左右时，间隙内部才开始有颗粒。虽然颗粒在持续进入间隙，但随着动触头的运动，间隙内部空间越来越大，因此间隙内颗粒浓度虽然在增长，但始终小于初始颗粒浓度。到了18ms后，动触头停止运动，但金属颗粒浓度保持增长，直到22ms左右，间隙内部金属颗粒浓度达到初始时刻的浓度。随后，间隙内金属颗粒浓度保持上升，但增长速率降低，逐渐趋于平缓。
对于非对称模型，同样统计间隙内部金属颗粒相对浓度随时间变化如图12。
从图中可以看出，非对称流体场中间隙内的金属颗粒相对浓度变化剧烈，主要原因在于金属颗粒速度快，分布变化迅速。同样在开关断开前期，触头间间隙极小时，间隙内无颗粒存在。当间隙增大时，金属颗粒浓度迅速增大。当动触头动作停止后，金属颗粒的浓度缓慢增加后开始下降，且间隙内颗粒浓度始终低于初始状态。间隙内的颗粒浓度总体呈现先上升后下降的趋势。
综上，对称流体场中间隙内部金属颗粒浓度呈持续上涨，而非对称流体场中金属颗粒浓度则先上升后下降，且整体浓度偏低。造成两者的差异在于对称流体场中，流体流动与颗粒运动关于中轴对称，中心位置流体运动方向垂直触头面，因此颗粒易进入，难流出。而非对称模型流体场中流体流动方向明确，流体流速快，颗粒从间隙宽侧进入后迅速通过间隙流出，停留时间短，且间隙内静触头面存在漩涡，阻碍了颗粒的聚集。
由于金属颗粒在开关切换过程中的运动会导致绝缘油中金属颗粒浓度分布不均匀，为了进一步探究间隙内部金属颗粒浓度与初始浓度的关系，通过仿真模拟了金属颗粒浓度为0.5g/L和1g/L的绝缘油中开关断开时颗粒的运动情况。可以得到不同初始浓度下，间隙内金属颗粒的相对浓度随时间的变化为。
在对称模型中，不同初始金属颗粒浓度条件下，开关断开后动静触头间隙内相对金属颗粒浓度随时间的变化趋势相同，均随时间逐渐增大。这说明不同金属颗粒浓度下，金属颗粒的整体运动趋势相似。但初始状态下颗粒浓度为1g/L的绝缘油中，开关断开时动静触头间隙内的相对颗粒浓度要大于初始金属颗粒浓度为0.5g/L的绝缘油，说明在开关断开过程中，任意时刻间隙内的金属颗粒浓度与绝缘油中整体的颗粒浓度并非线性关系。
非对称模型中，不同初始颗粒浓度条件下，间隙内金属颗粒的相对浓度变化趋势均为先增大后减小，且间隙内的金属颗粒浓度均未超过绝缘油中整体的颗粒浓度。但在间隙内颗粒浓度增大的过程中，初始状态下金属颗粒浓度大的绝缘油中间隙内的相对颗粒浓度也更大。
综上，根据绝缘油间隙内金属颗粒的相对浓度与初始颗粒浓度的关系，可以推断，金属颗粒浓度高的绝缘油中，颗粒在开关断开过程中更易进入动静触头的间隙内。
为了探究电源电压对金属颗粒的运动影响，分别模拟了相同条件下分别在6kV与10kV电压下断开后触头间隙内的金属颗粒运动，得到10kV电压下金属颗粒的分布如图15。
通过对比对称模型金属颗粒分布图和电压下金属颗粒的分布可以得到，在6kV与10kV电压下，金属颗粒的分布基本一致。这种现象说明，当电压为10kV级别时，金属颗粒的运动受电压的影响较小。根据仿真颗粒数据统计可得，开关切换过程中金属颗粒带电量最大值数量级为10-13C，金属颗粒进入间隙后，间隙内的最大场强数量级约为105N/C。因此颗粒收到的电场力数量级最大为10-7N。而开关切换过程中流体场的最低速度数量级为100m/s。根据计算可得，金属颗粒收到的最小流体曳力数量级为10-5N。由此可见，当电压为10kV级别时，在开关断开过程中，流体曳力的作用力远大于金属颗粒所受的作用力。
在前文中提到，现有关于绝缘油中极板间金属颗粒的运动研究均发现了较为明显的成桥现象，且随着电源电压的增高，金属颗粒形成的杂质“小桥”的时间越短，“小桥”的宽度越大。与本文仿真内容形成差异的原因在于，现有研究中绝缘油通常处于静止或者低速流动状态，当流体静止时，流体曳力与电场力的数量级接近，此时颗粒收电场力作用明显，在极板间来回往复运动；当绝缘油流动时，虽然流体曳力数量级大于电场力，但现有研究中，固定间隙内流体的流动规律，方向固定且始终与电场方向垂直，因此颗粒在电场方向受电场力作用明显。
本文研究的有载分接开关切换时，触头间间隙随时间迅速变化，间隙内流体速度场分布复杂，流体运动方向随机且出现漩涡。因此金属颗粒所受流体曳力方向不固定，当曳力方向与电场力方向一致时，由于此电压级别中电场力数量级远小于流体曳力，因此电场力的作用可忽略不计，此电压级别下电压对金属颗粒的运动影响不明显。金属颗粒“小桥”的形成需要稳定的流体场、足够的电场力以及一定的时间。开关切换过程时间短，流体场变化快，且10kV级别电压较小，金属颗粒难以往复运动形成杂质“小桥”。
实施例3
为本发明的一个实施例，提供了一种含分布式电源的配电网网络组态方案评价方法，为了验证本发明的有益效果，通过经济效益计算和仿真实验进行科学论证。
首先，构建了一个综合仿真模型，包含了开关动静触头的运动、流体场的湍流模型、间隙内的电场分布，以及金属颗粒在这些条件下的运动。仿真软件设置为能够模拟实际电气设备中的环境，如触头运动速度、绝缘油的流动特性、电场强度等。
具体实施步骤如下：
开关动静触头运动建模：模拟触头的开闭动作，记录触头位置和速度。
流体场湍流模型建模：采用高级流体动力学软件，模拟绝缘油在触头操作中的流动和湍流特性。
电场建模：计算间隙内电场分布，特别是在不同触头位置时的电场强度。
金属颗粒运动建模：根据上述模型的输出，模拟金属颗粒在绝缘油中的运动轨迹。
故障判断：基于仿真结果，使用特定算法输出金属颗粒运动规律，并据此判断潜在的故障。
此外，为了展示本发明相比现有技术的优势，设置了对照实验组，采用传统的仿真技术进行类似的模拟。
表3 配电网组态方案表
从上述实验数据可以看出，本发明的仿真模型在多个关键参数上均优于现有技术。例如，流体最大湍流速度和最大电场强度在本发明中都有更高的值，这表明本发明能更准确地模拟复杂的物理环境。特别是在金属颗粒的平均运动速度和故障预测准确率方面，本发明的仿真模型显示出显著的优势。
在触头运动速度相同的条件下，本发明模型能够模拟出更高的流体湍流速度和电场强度，这反映了其在处理复杂动态系统方面的高效能。金属颗粒的平均运动速度在本发明模型中也更高，这说明了模型在捕捉微观粒子运动动态方面的高精度。最关键的是，故障预测准确率在本发明模型中达到了95%，远高于现有技术的80%，这一点尤为重要，因为它直接关系到故障诊断的可靠性和安全性。
在优化模型的比较中，本发明进一步展示了其优越性。即使在更高的触头运动速度和更复杂的环境条件下，本发明模型仍然能保持较高的故障预测准确率（98%），而现有技术的优化模型只能达到85%。这进一步证明了本发明在仿真准确性和预测准确性方面的显著创新性和实用价值。
综上，本发明在可靠性、仿真准确性以及预测准确性方面都取得更加良好的效果。
实施例4
参照图17，为本发明的一个实施例，提供了一种基于动态绝缘油流体与金属颗粒运动判断系统，包括开关动静触头及运动防止构建模块，流体场构建模块，间隙内电场构建模块，间隙内金属颗粒运动模块，仿真结果分析模块。
其中开关动静触头及运动防止构建模块用于构建对称的动触头平动模型和非对称的动触头绕轴转动模型，流体场构建模块用于通过Overset嵌套网格模型来进行触头运动过程中流体场的建模，间隙内电场构建模块用于通过间隙内的电场由动静触头间的电势差、带电金属颗粒以及间隙点场内电中性金属颗粒建模，间隙内金属颗粒运动模块用于输出金属颗粒的运动由动力学数学模型，仿真结果分析模块用于通过构建有载分接开关切换过程的绝缘油流体及金属颗粒的运动仿真模型，搭建动触头平动的动间隙对称模型与动触头绕轴转动的动间隙非对称模型，输出仿真结果。
功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行本发明各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器（ROM，Read-OnlyMemory）、随机存取存储器（RAM，Random Access Memory）、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备（如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统）使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，“计算机可读介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。
计算机可读介质的更具体的示例（非穷尽性列表）包括以下：具有一个或多个布线的电连接部（电子装置）、便携式计算机盘盒（磁装置）、随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、可擦除可编辑只读存储器（EPROM或闪速存储器）、光纤装置以及便携式光盘只读存储器（CDROM）。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得程序，然后将其存储在计算机存储器中。
应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列（PGA），现场可编程门阵列（FPGA）等。应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种基于动态绝缘油流体与金属颗粒运动判断方法，其特征在于，包括：
通过开关动静触头及运动建模仿真；
根据流体场湍流模型建模仿真；
基于间隙内电场建模仿真；
通过间隙内金属颗粒运动建模仿真；
基于仿真结果输出绝缘油动间隙内金属颗粒运动规律判断故障。
2.如权利要求1所述的基于动态绝缘油流体与金属颗粒运动判断方法，其特征在于：所述通过开关动静触头及运动建模仿真包括构建对称的动触头平动模型和非对称的动触头绕轴转动模型；
所述对称的动触头平动模型关于中轴线对称，动触头做匀加速平动且在动触头运动过程中，绝缘油间隙内部的电场为均匀电场；
所述非对称的动触头绕轴转动模型，动触头做匀角加速的绕转旋转，动静触头间隙内电场为不均匀电场，电场的不均匀程度与间隙成正比；
在仿真中，对称模型与非对称模型的动触头运动时间设置为18ms；
其中对称模型下，动触头与静触头的最大间隙为40mm，非对称模型下，动触头的绕轴旋转最大角度为20°。
3.如权利要求2所述的基于动态绝缘油流体与金属颗粒运动判断方法，其特征在于：所述根据流体场湍流模型建模仿真包括基于 湍流模型选用流体，仿真模型中绝缘油采用标准矿物绝缘油；
选择Overset嵌套网格模型来进行触头运动过程中流体场的建模；将流体场作为背景网格进行网格划分，同时在动触头周围建立前景网格；
当触头运动时，前景网格跟随动触头共同运动，而背景网格保持静止，两层网格相对运动并且通过上下两层的重叠网格进行数据交换。
4.如权利要求3所述的基于动态绝缘油流体与金属颗粒运动判断方法，其特征在于：所述基于间隙内电场建模仿真包括设定动静触头间的电势差，仿真中采用最大级电压作为动间隙电势差，交流频率为50Hz，获取间隙内的动静触头电势差电场；
针对带电金属颗粒产生的电场，在仿真中捕捉与动静触头壁面碰撞的金属颗粒，设定金属颗粒在碰撞中由于电荷转移获得的电荷，表示为：
；
其中，为绝缘油的相对介电常数，/>为真空介电常量，/>为金属颗粒的半径，/>为金属颗粒所在处的场强；
对于携带电荷的金属颗粒，根据输出带电颗粒的电场；
针对电中性的颗粒产生的电场，表示为：
；
其中，表示所求位置相对电偶极子的球坐标，/>表示颗粒的电偶极矩，表示颗粒在电场中极化程度的量度，/>表示真空的电容率，/>表示相对电容率，/>表示颗粒的半径，表示颗粒所处位置的电场强度，/>表示颗粒周围的总电场强度，/>表示颗粒周围电场的径向分量，/>表示颗粒周围电场的角向分量，/>表示颗粒周围电场的方位角分量，/>表示从正z轴到点的连线与z轴的夹角，/>表示从原点到点的距离。
5.如权利要求4所述的基于动态绝缘油流体与金属颗粒运动判断方法，其特征在于：所述通过间隙内金属颗粒运动建模仿真包括金属颗粒的运动，表示为：
；
其中，R 表示颗粒半径，表示颗粒密度，/>表示颗粒速度矢量，/>表示重力作用力，表示浮力，/>表示考虑流体的粘滞性的阻力，/>表示虚拟质量力，/>表示巴尼奥利力，表示压差力，/>表示磁力，/>表示斯托克斯力，/>表示电场力，/>表示介电泳力，与颗粒的极化有关；
金属颗粒的运动由绝缘油流体场与触头间隙内电场共同决定，根据流体场的数学模型以及电场强度的数学模型，输出流体速度场与压力场以及电场强度与颗粒运动状态的关系，流体场对颗粒以曳力为主的作用力改变金属颗粒的运动从而影响电场的分布，电场对金属颗粒的电场力以及介电泳力的作用改变金属颗粒的运动影响流体场的分布，使流体场与电场形成以金属颗粒运动为媒介的间接耦合，表示为：
；
其中，表示流体的密度，/>表示重力加速度，/>表示颗粒的体积，/>表示垂直向上的单位向量，/>表示压力，/>表示流体的动态粘度，/>表示流体的速度，/>表示颗粒的电荷量，表示电场强度，/>表示磁场强度，/>表示颗粒的极化率，/>表示温度梯度，/>表示温度梯度系数，/>表示化学势梯度，γ 表示系数，/>表示颗粒表面积，/>表示系数，/>表示金属颗粒的速度；
在与绝缘油的流固耦合中，采用拉格朗日-欧拉法进行分析，选用DPM模型针对离散的金属颗粒的运动进行建模。
6.如权利要求5所述的基于动态绝缘油流体与金属颗粒运动判断方法，其特征在于：所述基于仿真结果输出绝缘油动间隙内金属颗粒运动规律判断故障包括对称模型中绝缘油流体速度场关于中轴线对称，间隙内中轴线位置流速垂直于触头面，两端流速平行于触头面，间隙内逐渐形成两组漩涡；
非对称模型中，间隙内绝缘油流体场整体速度方向按照间隙由大到小分布，流体碰撞触头表面后在静触头以及动触头表面均形成漩涡；
对称模型中金属颗粒随着流体从间隙两侧中间位置进入间隙，在中心位置汇聚后向两侧的触头表面运动；
非对称模型中，金属颗粒进入间隙，路径与触头面平行，在受到漩涡挤压变形后，弯曲形成连接静触头两端的三角形分布；
对称模型中间隙内金属颗粒的浓度分布整体呈现增长趋势，间隙内无颗粒，增长直至动触头停止运动后，内部颗粒浓度达到初始状态浓度并继续增加；
非对称模型中间隙内的金属颗粒浓度先增大后减小，初期间隙内无颗粒，动触头停止运动后颗粒浓度达到最大值，随后逐渐降低，间隙内颗粒浓度始终低于绝缘油中整体颗粒浓度；
当绝缘油中整体颗粒浓度不同时，对称模型与非对称模型中间隙内的颗粒浓度变化趋势不变；
电压为10kV级别时，电场对金属颗粒的作用小于流体的作用。
7.如权利要求6所述的基于动态绝缘油流体与金属颗粒运动判断方法，其特征在于：所述基于仿真结果输出绝缘油动间隙内金属颗粒运动规律判断故障包括基于仿真结果输出绝缘油动间隙内金属颗粒运动规律构建故障判断模型，表示为：
；
其中，表示故障可能性，/>表示颗粒浓度 Cm的梯度的散度，/>表示扩散系数，/>表示傅里叶逆变换，/>表示傅里叶变换，/>表示电场强度，/>表示流体速度矢量V的模长 />的复杂效应，/>表示速度矢量的角度，/>表示概率密度，/>表示金属颗粒的浓度分布，/>表示流体速度矢量，由三个分量 u、v和w 组成， u、v和w 表示流体速度在三维空间 x、y和z 方向上的分量；
若F<0.2，高压有载分接开关无故障发生；
若0.2≤F<0.5，高压有载分接开关存在故障，但故障未发生；
若F≥0.5，高压有载分接开关正在发生故障。
8.一种采用如权利要求1~7任一所述的基于动态绝缘油流体与金属颗粒运动判断方法的系统，其特征在于：包括开关动静触头及运动防止构建模块，流体场构建模块，间隙内电场构建模块，间隙内金属颗粒运动模块，仿真结果分析模块，故障判断模块；
所述开关动静触头及运动防止构建模块用于构建对称的动触头平动模型和非对称的动触头绕轴转动模型；
所述流体场构建模块用于通过Overset嵌套网格模型来进行触头运动过程中流体场的建模；
所述间隙内电场构建模块用于通过间隙内的电场由动静触头间的电势差、带电金属颗粒以及间隙点场内电中性金属颗粒建模；
所述间隙内金属颗粒运动模块用于输出金属颗粒的运动由动力学数学模型；
所述仿真结果分析模块用于通过构建有载分接开关切换过程的绝缘油流体及金属颗粒的运动仿真模型，搭建动触头平动的动间隙对称模型与动触头绕轴转动的动间隙非对称模型，输出仿真结果；
所述故障判断模块用于通过故障判断模型判断故障发生概率。
9.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至7中任一项所述的基于动态绝缘油流体与金属颗粒运动判断方法的步骤。
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，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至7中任一项所述的基于动态绝缘油流体与金属颗粒运动判断方法的步骤。
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|---|---|---|---|---|
| CN107831417A (zh) * | 2017-10-26 | 2018-03-23 | 重庆大学 | 一种绝缘油中杂质颗粒运动特性测量系统及测量方法 |
| CN114113997A (zh) * | 2021-11-17 | 2022-03-01 | 国网安徽省电力有限公司电力科学研究院 | 一种基于颗粒度分析的有载分接开关故障预测方法及装置 |
| CN116879643A (zh) * | 2023-07-20 | 2023-10-13 | 重庆大学 | 一种绝缘油中微米级颗粒碰撞荷电量测量方法及装置 |
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| CN117634336A (zh) * | 2023-11-14 | 2024-03-01 | 上海交通大学 | 一种有载分接开关绝缘油中金属颗粒运动分析方法及系统 |
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Patent Citations (5)
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|---|---|---|---|---|
| CN107831417A (zh) * | 2017-10-26 | 2018-03-23 | 重庆大学 | 一种绝缘油中杂质颗粒运动特性测量系统及测量方法 |
| CN114113997A (zh) * | 2021-11-17 | 2022-03-01 | 国网安徽省电力有限公司电力科学研究院 | 一种基于颗粒度分析的有载分接开关故障预测方法及装置 |
| CN116879643A (zh) * | 2023-07-20 | 2023-10-13 | 重庆大学 | 一种绝缘油中微米级颗粒碰撞荷电量测量方法及装置 |
| CN117554251A (zh) * | 2023-11-10 | 2024-02-13 | 重庆大学 | 一种变压器有载分接开关油中杂质颗粒自动检测系统及方法 |
| CN117634336A (zh) * | 2023-11-14 | 2024-03-01 | 上海交通大学 | 一种有载分接开关绝缘油中金属颗粒运动分析方法及系统 |
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