CN117951929A - 基于温升特性的绝缘子热应力计算方法、装置和程序产品 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种基于温升特性的绝缘子热应力计算方法、装置、计算机设备、存储介质和计算机程序产品。所述方法包括：获取气体绝缘输电线路的壳体预设位置的温度数据，得到目标温度；其中，壳体的内部设有导体和绝缘子，绝缘子用于支撑导体，以使得导体和壳体同轴；根据目标温度仿真壳体内部的温度场，得到壳体外表面温度为目标温度时壳体内部的温度场分布仿真结果；根据温度场分布仿真结果仿真绝缘子的热应力分布，得到热应力分布仿真结果；根据热应力分布仿真结果确定绝缘子是否存在故障。采用本方法可以提升绝缘子热应力计算准确性，有助于对绝缘子故障情况的准确评估和保障输电线路的可靠运行。
Description
技术领域
本申请涉及基于温升特性的绝缘子热应力计算技术领域，特别是涉及一种基于温升特性的绝缘子热应力计算方法、装置、设备、存储介质和程序产品。
背景技术
气体绝缘输电线路(gas insulated line，GIL)是一种采用气体绝缘，外壳与导体同轴布置的高电压、大电流电力传输设备，相对于传统的架空线或输电电缆，具有不受恶劣气候和特殊地形等环境因素影响、有效利用空间资源、减少电磁影响、增大载流量以及故障率低、维护方便等优点，是当前输电系统的热门发展趋势之一。绝缘子是GIL输电线路的重要组成部分，包括支撑绝缘子和隔离绝缘子两种类型，均安装在外壳的内部，其中，支撑绝缘子用于支撑导体，隔离绝缘子用于隔离气体和支撑导体。由于GIL通流能力强、传输容量大，带来的温升程度大，会导致绝缘子上产生较大的热应力，影响绝缘子的机械强度，导致输电线路发生局部放电故障。
由于绝缘子安装在壳体内部，难以对其进行直接观察和应力测量，因此现有技术中通常根据导体的载流量来推测壳体内部的温度场，再根据温度场和应力场的对应关系，采用格林函数法通过温度场的变化来计算特定位置的应力，但通常是根据经验公式或经验参数进行计算，绝缘子热应力的计算准确性较低，影响对绝缘子状态的准确评估。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够提升绝缘子热应力计算准确性的基于温升特性的绝缘子热应力计算方法、装置、计算机设备、计算机可读存储介质和计算机程序产品。
第一方面，本申请提供了一种绝缘子热应力计算方法，包括：
获取气体绝缘输电线路的壳体预设位置的温度数据，得到目标温度；其中，壳体的内部设有导体和绝缘子，绝缘子用于支撑导体，以使得导体和壳体同轴；
根据目标温度仿真壳体内部的温度场，得到壳体外表面温度为目标温度时壳体内部的温度场分布仿真结果；根据温度场分布仿真结果仿真绝缘子的热应力分布，得到热应力分布仿真结果；
根据热应力分布仿真结果确定绝缘子是否存在故障。
在其中一个实施例中，根据目标温度仿真壳体内部的温度场，得到壳体外表面温度为目标温度时壳体内部的温度场分布仿真结果，包括：
获取气体绝缘输电线路的结构参数，根据结构参数建立气体绝缘输电线路的简化几何模型；
根据简化几何模型划分有限元网格，得到对应于气体绝缘输电线路的网格划分图；
对网格划分图施加材料属性和温度场仿真边界条件，以导体作为热源，目标温度作为约束条件求解壳体内部的热对流控制方程，得到壳体的外表面温度为目标温度时壳体内部的温度场分布仿真结果；其中，热对流控制方程为仿真区域内的温度随时间变化的函数。
在其中一个实施例中，根据简化几何模型划分有限元网格，得到对应于气体绝缘输电线路的网格划分图，包括：
确定简化几何模型中的固体区域、绝缘气体区域和空气区域；
对固体区域划分物理场控制网格，得到固体区域网格划分图；
对绝缘气体区域和空气区域划分流体动力学物理场控制网格，得到绝缘气体区域网格划分图和空气区域网格划分图。
在其中一个实施例中，对网格划分图施加材料属性和温度场仿真边界条件，包括：
获取导体的额定电流值和电阻率，根据额定电流值和电阻率估算导体的热耗率，以热耗率作为激励参数；
对固体区域、绝缘气体区域和空气区域分别施加材料属性；
对固体区域施加热辐射边界条件，对绝缘气体区域和空气区域分别施加热对流边界条件。
在其中一个实施例中，根据温度场分布仿真结果仿真绝缘子的热应力分布，得到热应力分布仿真结果，包括：
根据温度场分布仿真结果确定壳体的外表面温度为目标温度时绝缘子的线膨胀系数；
对网格划分图施加热应力仿真边界条件，热应力仿真边界条件包括位移边界条件和温度边界条件；
根据内部温度场求解热应力场控制方程，得到热应力分布仿真结果；其中，热应力场控制方程为表征绝缘子的热应力与位移分量的关系的函数。
在其中一个实施例中，根据温度场分布仿真结果确定壳体的外表面温度为目标温度时绝缘子的线膨胀系数，包括：
通过温度场分布仿真结果确定绝缘子的温度分布；
根据绝缘子的材料获取绝缘子的线膨胀系数与温度分布的线性关系；
根据线性关系确定壳体的外表面温度为目标温度时绝缘子的线膨胀系数。
第二方面，本申请还提供了一种基于温升特性的绝缘子热应力计算装置，包括：
数据获取模块，用于获取气体绝缘输电线路的壳体预设位置的温度数据，得到目标温度；其中，壳体的内部设有导体和绝缘子，绝缘子用于支撑导体，以使得导体和壳体同轴；
仿真计算模块，用于根据目标温度仿真壳体内部的温度场，得到壳体外表面温度为目标温度时壳体内部的温度场分布仿真结果；根据温度场分布仿真结果仿真绝缘子的热应力分布，得到热应力分布仿真结果；
故障诊断模块，用于根据热应力分布仿真结果确定绝缘子是否存在故障。
第三方面，本申请还提供了一种计算机设备，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时实现以下步骤：
获取气体绝缘输电线路的壳体预设位置的温度数据，得到目标温度；其中，壳体的内部设有导体和绝缘子，绝缘子用于支撑导体，以使得导体和壳体同轴；
根据目标温度仿真壳体内部的温度场，得到壳体外表面温度为目标温度时壳体内部的温度场分布仿真结果；根据温度场分布仿真结果仿真绝缘子的热应力分布，得到热应力分布仿真结果；
根据热应力分布仿真结果确定绝缘子是否存在故障。
第四方面，本申请还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：
获取气体绝缘输电线路的壳体预设位置的温度数据，得到目标温度；其中，壳体的内部设有导体和绝缘子，绝缘子用于支撑导体，以使得导体和壳体同轴；
根据目标温度仿真壳体内部的温度场，得到壳体外表面温度为目标温度时壳体内部的温度场分布仿真结果；根据温度场分布仿真结果仿真绝缘子的热应力分布，得到热应力分布仿真结果；
根据热应力分布仿真结果确定绝缘子是否存在故障。
第五方面，本申请还提供了一种计算机程序产品，包括计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：
获取气体绝缘输电线路的壳体预设位置的温度数据，得到目标温度；其中，壳体的内部设有导体和绝缘子，绝缘子用于支撑导体，以使得导体和壳体同轴；
根据目标温度仿真壳体内部的温度场，得到壳体外表面温度为目标温度时壳体内部的温度场分布仿真结果；根据温度场分布仿真结果仿真绝缘子的热应力分布，得到热应力分布仿真结果；
根据热应力分布仿真结果确定绝缘子是否存在故障。
上述基于温升特性的绝缘子热应力计算方法、装置、计算机设备、存储介质和计算机程序产品，获取气体绝缘输电线路的壳体预设位置的温度数据，得到目标温度；其中，壳体的内部设有导体和绝缘子，绝缘子用于支撑导体，以使得导体和壳体同轴，可以根据获取的目标温度来仿真壳体内部的温度场分布，相比于通过载流量估计温升情况而言，可以更为准确地体现内部温度的分布和变化过程，根据目标温度仿真壳体内部的温度场，得到壳体外表面温度为目标温度时壳体内部的温度场分布仿真结果，可以获知壳体内部的温度随时间变化的趋势，以及在输电线路的不同区域如何分布，根据温度场分布仿真结果仿真绝缘子的热应力分布，得到热应力分布仿真结果，可以获知绝缘子在不同温度条件下所受的力和应力分布，可以得知在不同温度下绝缘子的热应力分布和形变情况，根据热应力分布仿真结果确定绝缘子是否存在故障，可以通过分析热应力分布来对绝缘子的寿命和发生机械失效温度进行估计，并根据估计结果采取温控措施或更换绝缘子。通过以上方法可以提升绝缘子热应力计算准确性，有助于对绝缘子故障情况的准确评估和保障输电线路的可靠运行。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或相关技术中的技术方案，下面将对实施例或相关技术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申请的一些实施例，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他的附图。
图1为一个实施例中基于温升特性的绝缘子热应力计算方法的应用环境图；
图2为一个实施例中基于温升特性的绝缘子热应力计算方法的流程示意图；
图3为一个实施例中基于温升特性的绝缘子热应力计算方法的流程示意图；
图4为一个实施例中温度传感器布置位置示意图；
图5为一个实施例中气体绝缘输电线路几何模型示意图；
图6为一个实施例中仿真模型网格划分示意图；
图7为一个实施例中不同壳体温度时绝缘子所受最大应力的变化曲线图；
图8为一个实施例中基于温升特性的绝缘子热应力计算装置的结构框图；
图9为一个实施例中计算机设备的内部结构图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
本申请实施例提供的基于温升特性的绝缘子热应力计算方法，可以应用于如图1所示的应用环境中。其中，终端102通过网络与服务器104进行通信。数据存储系统可以存储服务器104需要处理的数据。数据存储系统可以集成在服务器104上，也可以放在云上或其他网络服务器上。其中，终端102可以但不限于是各种数据采集装置，例如温度传感器等。服务器104可以用独立的服务器或者是多个服务器组成的服务器集群来实现。
在一个示例性的实施例中，如图2所示，提供了一种基于温升特性的绝缘子热应力计算方法，以该方法应用于图1中的应用环境为例进行说明，包括以下步骤202至步骤206。其中：
步骤202，获取气体绝缘输电线路的壳体预设位置的温度数据，得到目标温度；其中，壳体的内部设有导体和绝缘子，绝缘子用于支撑导体，以使得导体和壳体同轴。
其中，气体绝缘输电线路是指采用气体绝缘，外壳与导体同轴布置的电力传输设备，多采用隧道安装方式。壳体是指气体绝缘输电线路的外壳，通常由铝合金制成。预设位置是指壳体外表面上的特定位置，例如绝缘子安装位置附近的特定位置。导体是指输电线路中用于传导电流的结构。绝缘子是指用于支撑导体或隔绝绝缘气体的元件。
示例性地，可以在壳体的不同位置布置温度传感器来采集温度，以多个采样点的温度平均值作为目标温度，也可以以最大值或最小值作为目标温度。
步骤204，根据目标温度仿真壳体内部的温度场，得到壳体外表面温度为目标温度时壳体内部的温度场分布仿真结果；根据温度场分布仿真结果仿真绝缘子的热应力分布，得到热应力分布仿真结果。
其中，仿真是指通过使用计算模型或计算机程序来模拟或模仿实际系统、过程或现象的过程。温度场是指在物理空间中的每个点的温度分布，可以是稳态或暂态的。仿真结果是指在进行仿真实验后获得的数据，可以包括温度分布、物体的行为、性能参数等。热应力是指物体由于温度变化而产生的内部应力，热应力影响材料的性能和结构的稳定性。
示例性地，可以根据要分析的气体绝缘输电线路的实际尺寸和几何形状创建几何模型，包括壳体和绝缘子等组件，并为模型中的每种材料分配适当的材料属性，如热导率、比热容、线膨胀系数等，再定义模型的边界条件，如壳体外表面的温度边界条件，可以将外表面温度设置为目标温度值，也可以设置绝缘子和壳体的接触条件等，将建立的几何模型导入有限元分析工具中，创建模型的有限元网格，并利用有限元分析工具进行热传导分析，模拟壳体内部的温度场分布，获取温度场分布结果后，可以使用温度场分布结果作为输入进行热应力分析，获得绝缘子的热应力分布仿真结果，可以采用数据分析工具来分析和解释温度场和热应力分布仿真结果，或通过观察分布图、曲线图来确定绝缘子的热应力分布。
步骤206，根据热应力分布仿真结果确定绝缘子是否存在故障。
示例性地，若在目标温度下，绝缘子存在局部应力集中，则可以认为绝缘子在该目标温度下发生机械失效的概率较大，可以将绝缘子的最大应力与绝缘子对应的材料的临界应力值相比较，若最大应力大于临界应力值，则当前条件下绝缘子存在失效风险。
上述基于温升特性的绝缘子热应力计算方法中，获取气体绝缘输电线路的壳体预设位置的温度数据，得到目标温度；其中，壳体的内部设有导体和绝缘子，绝缘子用于支撑导体，以使得导体和壳体同轴，可以根据获取的目标温度来仿真壳体内部的温度场分布，相比于通过载流量估计温升情况而言，可以更为准确地体现内部温度的分布和变化过程，根据目标温度仿真壳体内部的温度场，得到壳体外表面温度为目标温度时壳体内部的温度场分布仿真结果，可以获知壳体内部的温度随时间变化的趋势，以及在输电线路的不同区域如何分布，根据温度场分布仿真结果仿真绝缘子的热应力分布，得到热应力分布仿真结果，可以获知绝缘子在不同温度条件下所受的力和应力分布，可以得知在不同温度下绝缘子的热应力分布和形变情况，根据热应力分布仿真结果确定绝缘子是否存在故障，可以通过分析热应力分布来对绝缘子的寿命和发生机械失效温度进行估计，并根据估计结果采取温控措施或更换绝缘子。通过以上方法可以提升绝缘子热应力计算准确性，有助于对绝缘子故障情况的准确评估和保障输电线路的可靠运行。
在其中一个实施例中，根据目标温度仿真壳体内部的温度场，得到壳体外表面温度为目标温度时壳体内部的温度场分布仿真结果，包括：获取气体绝缘输电线路的结构参数，根据结构参数建立气体绝缘输电线路的简化几何模型；根据简化几何模型划分有限元网格，得到对应于气体绝缘输电线路的网格划分图；对网格划分图施加材料属性和温度场仿真边界条件，以导体作为热源，目标温度作为约束条件求解壳体内部的热对流控制方程，得到壳体的外表面温度为目标温度时壳体内部的温度场分布仿真结果；其中，热对流控制方程为仿真区域内的温度随时间变化的函数。
其中，结构参数是指与模型的物理结构有关的属性，如尺寸、形状、材料属性、连接点等。几何模型是指模拟实际物体或系统的物理形状和尺寸的数学表示，包括物体的外形和内部结构。简化几何模型是指对几何模型进行简化操作，例如去除细小的连接件后等得到的模型，可用于降低计算复杂度，提升计算速度。有限元网格是几何模型的离散化模型，即将几何模型分割成有限数量的单元(元素)后得到的模型。网格划分图是指将几何模型进行网格划分操作后得到的划分结果，其中包含了网格单元的大小、形状和分布方式。材料属性是指与材料有关的性质，如弹性模量、泊松比、密度、热传导系数、线膨胀系数等。边界条件是指模拟物体与其周围环境之间的相互作用的条件，如位移边界条件、力边界条件、温度边界条件等。约束条件是指在仿真过程中对物体的某些部分施加的限制，如固定边界、支撑点、连接条件等。热对流控制方程是指用于模拟热对流传热问题的数学方程，可以是关于对流系数、温度梯度和流体速度等参数的方程。
示例性地，可以获取气体输电线路的尺寸、形状、材料属性以及导体尺寸等参数，基于主要几何特征建立几何模型，根据几何模型的特征划分网格，在热辐射、热传导或对流强烈的区域划分密度较大的网格，以满足计算精度需求，设置导体的初始温度和热交换的相关参数作为约束条件和边界条件，以质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程作为控制方程进行迭代计算，得到预设时间步长或仿真时长的温度场分布仿真结果。
在其中一个实施例中，根据简化几何模型划分有限元网格，得到对应于气体绝缘输电线路的网格划分图，包括：确定简化几何模型中的固体区域、绝缘气体区域和空气区域；对固体区域划分物理场控制网格，得到固体区域网格划分图；对绝缘气体区域和空气区域划分流体动力学物理场控制网格，得到绝缘气体区域网格划分图和空气区域网格划分图。
其中，固体区域是指模型中的实体物体，通常是固体结构或物体的部分，其具有一定的形状和材质属性，通常用来表示实体零件，如机械零件、结构件等，例如导体、壳体和绝缘子所在区域均属于固体区域。绝缘气体区域是指GIL输电线路中充填绝缘气体，例如SF6(六氟化硫)及其混合气体或CF3I(三氟碘甲烷)及其混合气体的区域。空气区域是指壳体与隧道壁之间的区域，该区域中通常充满空气。物理场控制网格是指用于模拟物理场的离散化网格结构，如温度场、电场、磁场等，用于数值求解物理场方程，以模拟物体的响应，在有限元分析过程中，不同的物理场需要不同的控制网格。流体动力学物理场控制网格是指用于计算流体动力学问题，如空气动力学、热传导和对流问题的网格结构，可以包括用于模拟流体流动、传热和质量传输的元素，如流体单元等。
示例性地，可以在几何模型的建模过程中用不同颜色或材质来区分固体和气体区域，将创建的几何模型导入有限元分析软件中，对固体区域划分结构性网格，对绝缘气体区域和空气区域划分非结构性网格，不同区域的网格可以采用不同的形状和密度进行划分，可以对气体的边界层区域的网格进行加密，以提高仿真的准确性。
在其中一个实施例中，对网格划分图施加材料属性和温度场仿真边界条件，包括：获取导体的额定电流值和电阻率，根据额定电流值和电阻率估算导体的热耗率，以热耗率作为激励参数；对固体区域、绝缘气体区域和空气区域分别施加材料属性；对固体区域施加热辐射边界条件，对绝缘气体区域和空气区域分别施加热对流边界条件。
其中，额定电流值是指导体能够安全持续运行的电流上限值。电阻率是表征对电流通过的阻力的常数，可根据导体的材料确定。导体热耗率是指导体在单位时间内释放的热量。激励参数是指仿真过程中用于模拟热源的参数，可以包括热源的强度、初始温度或温度分布等。热辐射边界条件是指用于模拟物体与其周围环境之间的热辐射情况的边界条件，如辐射通量、辐射温度或辐射系数等。热对流边界条件是指用于模拟物体与其周围环境之间的热对流情况的边界条件，如热通量、对流系数或流体流动的速度等。
示例性地，导体的额定电流值和电阻率可以根据导体的规格和材料确定，假设电流稳定不变，电阻率为常数，将额定电流值的平方与电阻率相乘，即可得到热耗率的估计值，根据壳体和绝缘子的材料和绝缘气体的成分对固体区域、绝缘气体区域和空气区域分别施加材料属性。辐射热通量通常与物体表面的温度的四次方成正比，热对流通常遵循牛顿冷却定律，可以根据以上规则施加热辐射边界条件和热对流边界条件。
在其中一个实施例中，根据温度场分布仿真结果仿真绝缘子的热应力分布，得到热应力分布仿真结果，包括：根据温度场分布仿真结果确定壳体的外表面温度为目标温度时绝缘子的线膨胀系数；对网格划分图施加热应力仿真边界条件，热应力仿真边界条件包括位移边界条件和温度边界条件；根据内部温度场求解热应力场控制方程，得到热应力分布仿真结果；其中，热应力场控制方程为表征绝缘子的热应力与位移分量的关系的函数。
其中，线膨胀系数是表征材料的长度随温度变化的值，通常根据材料类型确定。热应力仿真边界条件是指在仿真过程中定义的用于模拟实际情况的约束或加载量，可以包括指定温度、位移、力或固定边界条件等，以便计算材料内部的应力和应变分布。位移边界条件是指仿真对象的唯一值，可以用于模拟实际情况下的约束或支撑。温度边界条件是指仿真过程中指定的对象或结构表面上的温度值，可以用于模拟物体的温度分布以及如何响应热量传递。热应力场控制方程是指用来描述材料内部的热应力分布的方程，通常基于材料的热膨胀特性和温度分布来计算应力。位移分量是仿真对象在预设方向上的位移量。
示例性地，可以根据绝缘子的材料查询对应的线膨胀系数曲线获得特定温度下的线膨胀系数，也可以通过计算获得。可以将网格划分图中的某些表面设置为固定表面或施加预设的位移量来实现对模型施加位移边界条件，对网格划分图中的某些表面设置固定温度或热通量等参数以施加温度边界条件，并使用有限元分析软件通过数值迭代方法在预先划分的有限元网格上近似求解方程，得到热应力分布仿真结果。
在其中一个实施例中，根据温度场分布仿真结果确定壳体的外表面温度为目标温度时绝缘子的线膨胀系数，包括：通过温度场分布仿真结果确定绝缘子的温度分布；根据绝缘子的材料获取绝缘子的线膨胀系数与温度分布的线性关系；根据线性关系确定壳体的外表面温度为目标温度时绝缘子的线膨胀系数。
示例性地，可以从仿真结果中提取绝缘子的关键位置，如连接点等位置的温度数据，可以通过仿真程序将仿真结果以表格或温度分布图的形式输出，若绝缘子在预设温度范围内发生的形变符合线性关系，可以通过计算绝缘子的形变量与温度变化量的商值来得到绝缘子的线膨胀系数。
在一个示例性的实施例中，如图3所示，提供了一种基于温升特性的气体绝缘输电线路绝缘子热应力计算方法，该计算方法包括以下步骤：
步骤302：通过温度传感器获取GIL壳体的温度。在气体绝缘输电线路壳体部位设置温度传感器，获取特定位置的壳体温度。如图4所示，温度传感器布置于壳体的表面部位，位置选择在绝缘子附近，即图中402对应位置，温度传感器布置数量与间距可根据实际情况确定。由于绝缘子传热能力强于绝缘气体，接近绝缘子的壳体部位温度较低。以传感器采集的最低温度为获取的壳体温度。
步骤304：根据基本结构建立GIL的三维模型。根据气体绝缘输电线路结构特性，对输电线路模型进行简化，使用SolidWorks软件建立包含绝缘气体及环境空气的计算模型。对模型进行简化，如图5所示，模型只截取部分轴向长度的管道，认为绝缘子顶部与外壳紧密接触，建模时将气体绝缘输电线路视为整体。使用SolidWorks进行建模，建立的模型包括圆筒状导体508、圆筒状外壳504、绝缘子506、壳体内部的绝缘气体区域510以及外部空气域502。
步骤306：进行网格划分。把简化得到的物理模型几何文件导入有限元仿真软件Comsol中，分别对流体和固体区域进行网格划分，得到的网格划分文件如图6所示。
步骤308：根据获取的壳体温度进行流-热耦合计算GIL温度场分布。根据获取的输电线路壳体温度，采用有限元的方法计算输电线路内部的温度场分布。将建立好的各个区域模型分别导入Comsol软件中，采用分区域划分网格的方式。固体区域采用物理场控制划分网格；绝缘气体域以及空气域网格划分方式采用流体动力学物理场控制进行网格划分，并对气体域定义边界层，对边界层网格进行加密；认为GIL内部气体流动为层流，边界层厚度可以根据雷诺数来确定，其计算公式如下：
Re＝ρvd/μ
其中v、ρ、μ分别为流体的流速、密度与黏性系数，d为特征长度。设置导体为热源，添加激励为热耗率，其参数值可以通过额定电流以及电阻率进行估计，并根据测量点温度进行调整；当壳体测量点位置温度达到测量温度，此时可以获取气体绝缘输电线路内部温度场。
绝缘气体由于只发生自然对流，所以选用层流模型；端面设置为对称面；内层绝缘气体不考虑辐射；外层绝缘气体边界的辐射系数根据输电管道外壳内表面及导体外表面的具体情况确定，如铝合金外壳的辐射率系数通常处于0.14-1.41之间，属于中等范围，与其它金属辐射率系数比较相当。铝合金的辐射率系数随着温度的升高而增加，20℃时为0.14，50℃时为0.35，100℃时为0.71，500℃时达到1.41；热对流的控制方程包括以下质量、动量和能量守恒三个方程，如下式所示：
式中，ρ为混合气体的密度，kg/m3；u为气体流速矢量，m/s；p为压强，Pa；F为重力，N；Cp为气体的恒压热容，J/(kg·K)；k为气体导热系数，W/(m·K)；Q为热源，W/m3。
步骤310：计算环氧树脂绝缘子热膨胀系数。根据内部温度场分布，确定绝缘子环氧树脂的热膨胀系数，热膨胀系数可以通过查询对应材料的热膨胀曲线获得，不同材料的热膨胀系数曲线不同，也可以通过计算获得。热膨胀系数α的计算公式为：
式中，ΔL＝L2-L1，ΔT＝T2-T1，L1为温度为T1时固体的长度，L2为温度为T2时固体的长度。当绝缘子由环氧树脂材料制成时，可以根据查阅环氧树脂的热膨胀系数曲线，获取特定温度时的绝缘子热膨胀系数。
步骤312：添加固体力学边界条件，进行热-固耦合计算绝缘子热应力分布。添加结构力学边界条件，在多物理场耦合模块中进行绝缘子热应力分布的仿真计算。应力场分析过程中，气体绝缘输电线路轴向两个端面的边界条件是轴向位移分量为0；气体绝缘输电线路壳体表面满足自由边界条件，静态热应力场控制方程如下式所示：
式中，E是材料弹性模量，单位为Pa；v是绝缘子的泊松比，可根据绝缘子材料确定；Ψ是绝缘子沿形变方向的位移量，单位为m；φ表示材料的内应力；r是绝缘子的半径，单位为m；θ代表旋转坐标系的旋转方向，z代表旋转轴方向，即导体和输电线路外壳的轴线。
通过仿真得到壳体温度不同时绝缘子的最大应力的变化曲线图，如图7所示，可见最大应力在壳体温度35℃-45℃时变化幅度较大，45℃之后呈线性上升趋势。通过该曲线可以获知绝缘子在不同壳体温度时的最大应力，根据最大应力和应力分布可以对绝缘子的应变能力进行评估和预测。
应该理解的是，虽然如上所述的各实施例所涉及的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，如上所述的各实施例所涉及的流程图中的至少一部分步骤可以包括多个步骤或者多个阶段，这些步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤中的步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
基于同样的发明构思，本申请实施例还提供了一种用于实现上述所涉及的基于温升特性的绝缘子热应力计算方法的基于温升特性的绝缘子热应力计算装置。该装置所提供的解决问题的实现方案与上述方法中所记载的实现方案相似，故下面所提供的一个或多个基于温升特性的绝缘子热应力计算装置实施例中的具体限定可以参见上文中对于基于温升特性的绝缘子热应力计算方法的限定，在此不再赘述。
在一个示例性的实施例中，如图8所示，提供了一种基于温升特性的绝缘子热应力计算装置800，包括：数据获取模块802、仿真计算模块804和故障诊断模块806，其中：
数据获取模块802，用于获取气体绝缘输电线路的壳体预设位置的温度数据，得到目标温度；其中，壳体的内部设有导体和绝缘子，绝缘子用于支撑导体，以使得导体和壳体同轴；
仿真计算模块804，用于根据目标温度仿真壳体内部的温度场，得到壳体外表面温度为目标温度时壳体内部的温度场分布仿真结果；根据温度场分布仿真结果仿真绝缘子的热应力分布，得到热应力分布仿真结果；
故障诊断模块806，用于根据热应力分布仿真结果确定绝缘子是否存在故障。
在一个示例性的实施例中，仿真计算模块804用于：获取气体绝缘输电线路的结构参数，根据结构参数建立气体绝缘输电线路的简化几何模型；根据简化几何模型划分有限元网格，得到对应于气体绝缘输电线路的网格划分图；对网格划分图施加材料属性和温度场仿真边界条件，以导体作为热源，目标温度作为约束条件求解壳体内部的热对流控制方程，得到壳体的外表面温度为目标温度时壳体内部的温度场分布仿真结果；其中，热对流控制方程为仿真区域内的温度随时间变化的函数。
在一个示例性的实施例中，仿真计算模块804用于：确定简化几何模型中的固体区域、绝缘气体区域和空气区域；对固体区域划分物理场控制网格，得到固体区域网格划分图；对绝缘气体区域和空气区域划分流体动力学物理场控制网格，得到绝缘气体区域网格划分图和空气区域网格划分图。
在一个示例性的实施例中，对仿真计算模块804用于：获取导体的额定电流值和电阻率，根据额定电流值和电阻率估算导体的热耗率，以热耗率作为激励参数；对固体区域、绝缘气体区域和空气区域分别施加材料属性；对固体区域施加热辐射边界条件，对绝缘气体区域和空气区域分别施加热对流边界条件。
在一个示例性的实施例中，仿真计算模块804用于：根据温度场分布仿真结果确定壳体的外表面温度为目标温度时绝缘子的线膨胀系数；对网格划分图施加热应力仿真边界条件，热应力仿真边界条件包括位移边界条件和温度边界条件；根据内部温度场求解热应力场控制方程，得到热应力分布仿真结果；其中，热应力场控制方程为表征绝缘子的热应力与位移分量的关系的函数。
在一个示例性的实施例中，仿真计算模块804用于：通过温度场分布仿真结果确定绝缘子的温度分布；根据绝缘子的材料获取绝缘子的线膨胀系数与温度分布的线性关系；根据线性关系确定壳体的外表面温度为目标温度时绝缘子的线膨胀系数。
上述基于温升特性的绝缘子热应力计算装置中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。
在一个示例性的实施例中，提供了一种计算机设备，该计算机设备可以是服务器，其内部结构图可以如图9所示。该计算机设备包括处理器、存储器、输入/输出接口(Input/Output，简称I/O)和通信接口。其中，处理器、存储器和输入/输出接口通过系统总线连接，通信接口通过输入/输出接口连接到系统总线。其中，该计算机设备的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机设备的存储器包括非易失性存储介质和内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统、计算机程序和数据库。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该计算机设备的数据库用于存储XX数据。该计算机设备的输入/输出接口用于处理器与外部设备之间交换信息。该计算机设备的通信接口用于与外部的终端通过网络连接通信。该计算机程序被处理器执行时以实现一种基于温升特性的绝缘子热应力计算方法。
本领域技术人员可以理解，图9中示出的结构，仅仅是与本申请方案相关的部分结构的框图，并不构成对本申请方案所应用于其上的计算机设备的限定，具体的计算机设备可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。
在一个实施例中，提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，存储器中存储有计算机程序，该处理器执行计算机程序时实现上述各方法实施例中的步骤。该计算机设备可以是如图9中所示的计算机设备。
在一个实施例中，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述各方法实施例中的步骤。
在一个实施例中，提供了一种计算机程序产品，包括计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述各方法实施例中的步骤。需要说明的是，本申请所涉及的用户信息(包括但不限于用户设备信息、用户个人信息等)和数据(包括但不限于用于分析的数据、存储的数据、展示的数据等)，均为经用户授权或者经过各方充分授权的信息和数据，且相关数据的收集、使用和处理需要符合相关规定。需要说明的是，本申请所涉及的用户信息(包括但不限于用户设备信息、用户个人信息等)和数据(包括但不限于用于分析的数据、存储的数据、展示的数据等)，均为经用户授权或者经过各方充分授权的信息和数据，且相关数据的收集、使用和处理需要符合相关规定。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和易失性存储器中的至少一种。非易失性存储器可包括只读存储器(Read-OnlyMemory，ROM)、磁带、软盘、闪存、光存储器、高密度嵌入式非易失性存储器、阻变存储器(ReRAM)、磁变存储器(Magnetoresistive Random Access Memory，MRAM)、铁电存储器(Ferroelectric Random Access Memory，FRAM)、相变存储器(Phase Change Memory，PCM)、石墨烯存储器等。易失性存储器可包括随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)或外部高速缓冲存储器等。作为说明而非局限，RAM可以是多种形式，比如静态随机存取存储器(Static Random Access Memory，SRAM)或动态随机存取存储器(Dynamic RandomAccess Memory，DRAM)等。本申请所提供的各实施例中所涉及的数据库可包括关系型数据库和非关系型数据库中至少一种。非关系型数据库可包括基于区块链的分布式数据库等，不限于此。本申请所提供的各实施例中所涉及的处理器可为通用处理器、中央处理器、图形处理器、数字信号处理器、可编程逻辑器、基于量子计算的数据处理逻辑器等，不限于此。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种基于温升特性的绝缘子热应力计算方法，其特征在于，所述方法包括：
获取气体绝缘输电线路的壳体预设位置的温度数据，得到目标温度；其中，所述壳体的内部设有导体和绝缘子，所述绝缘子用于支撑所述导体，以使得所述导体和所述壳体同轴；
根据所述目标温度仿真所述壳体内部的温度场，得到所述壳体的外表面温度为目标温度时所述壳体内部的温度场分布仿真结果；根据所述温度场分布仿真结果仿真所述绝缘子的热应力分布，得到热应力分布仿真结果；
根据所述热应力分布仿真结果确定所述绝缘子是否存在故障。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述目标温度仿真所述壳体内部的温度场，得到壳体外表面温度为目标温度时的壳体内部的温度场分布仿真结果，包括：
获取所述气体绝缘输电线路的结构参数，根据所述结构参数建立所述气体绝缘输电线路的简化几何模型；
根据所述简化几何模型划分有限元网格，得到对应于所述气体绝缘输电线路的网格划分图；
对所述网格划分图施加材料属性和温度场仿真边界条件，以所述导体作为热源，目标温度作为约束条件求解所述壳体内部的热对流控制方程，得到所述壳体的外表面温度为所述目标温度时所述壳体内部的温度场分布仿真结果；其中，所述热对流控制方程为仿真区域内的温度随时间变化的函数。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据所述简化几何模型划分有限元网格，得到对应于所述气体绝缘输电线路的网格划分图，包括：
确定所述简化几何模型中的固体区域、绝缘气体区域和空气区域；
对所述固体区域划分物理场控制网格，得到固体区域网格划分图；
对所述绝缘气体区域和空气区域划分流体动力学物理场控制网格，得到绝缘气体区域网格划分图和空气区域网格划分图。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，对所述网格划分图施加材料属性和温度场仿真边界条件，包括：
获取所述导体的额定电流值和电阻率，根据所述额定电流值和所述电阻率估算所述导体的热耗率，以所述热耗率作为激励参数；
对所述固体区域、所述绝缘气体区域和所述空气区域分别施加材料属性；
对所述固体区域施加热辐射边界条件，对所述绝缘气体区域和所述空气区域分别施加热对流边界条件。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据所述温度场分布仿真结果仿真所述绝缘子的热应力分布，得到热应力分布仿真结果，包括：
根据所述温度场分布仿真结果确定所述壳体的外表面温度为所述目标温度时绝缘子的线膨胀系数；
对所述网格划分图施加热应力仿真边界条件，所述热应力仿真边界条件包括位移边界条件和温度边界条件；
根据内部温度场求解热应力场控制方程，得到热应力分布仿真结果；其中，所述热应力场控制方程为表征所述绝缘子的热应力与位移分量的关系的函数。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述根据所述温度场分布仿真结果确定所述壳体的外表面温度为所述目标温度时绝缘子的线膨胀系数，包括：
通过所述温度场分布仿真结果确定所述绝缘子的温度分布；
根据所述绝缘子的材料获取所述绝缘子的线膨胀系数与所述温度分布的线性关系；
根据所述线性关系确定所述壳体的外表面温度为所述目标温度时所述绝缘子的线膨胀系数。
7.一种基于温升特性的绝缘子热应力计算装置，其特征在于，所述装置包括：
数据获取模块，用于获取气体绝缘输电线路的壳体外表面预设位置的温度数据，得到目标温度；其中，所述壳体的内部设有导体和绝缘子，所述绝缘子用于支撑导体，以使得导体和所述壳体同轴；
仿真计算模块，用于根据所述目标温度仿真所述壳体内部的温度场，得到壳体外表面温度为目标温度时壳体内部的温度场分布仿真结果；根据所述温度场分布仿真结果仿真所述绝缘子的热应力分布，得到热应力分布仿真结果；
故障诊断模块，用于根据所述热应力分布仿真结果确定绝缘子是否存在故障。
8.一种计算机设备，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6中任一项所述的方法的步骤。
9.一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6中任一项所述的方法的步骤。
10.一种计算机程序产品，包括计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至6中任一项所述的方法的步骤。
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