[发明专利]基于电磁-温湿度耦合的三维开关柜温湿度分布计算方法

说明书

本发明公开了一种基于电磁‑温湿度耦合的三维开关柜温湿度分布计算方法，包括三维计算模型的建立、电磁‑温度场耦合和温度‑湿度场耦合。(1)三维计算模型的建立步骤包括采用简化的开关柜结构，运用结构化网格剖分形式，提高计算的准确度和效率；(2)计算中考虑电磁‑温度场耦合过程，准确剖析了引起开关柜内部温度场变化的原因，采用导体中流过大电流的方式计算焦耳热引起的开关柜内部温度分布，与实际开关柜运行工况一致；(3)计算中考虑温度‑湿度场耦合过程，在计算温度分布时，同时考虑了湿空气扩散的影响；在湿度计算时，同时考虑了温度分布不均匀带来的影响。本发明计算结果可实时呈现开关柜内部温湿度分布，可为开关柜的优化设计提供指导。

技术领域

本发明属于电力设备绝缘状态诊断与评估技术领域，具体涉及一种基于电磁-温湿度耦合的三维开关柜温湿度分布计算方法。

背景技术

随着我国电力系统的快速发展，高压开关柜因其结构紧凑、占地面积小等优势广泛应用在电力系统配电网中。目前，高压开关柜逐渐趋向小型化，占地面积大大减小，金属导体之间以及金属导体与地电极之间的距离也随之减小，此时需严格控制开关柜内外环境的湿度分布。一旦湿气扩散到开关柜内部，其小型化的结构难以将湿气通过柜内的空气自然对流排出柜外，在金属及绝缘材料表面，湿气极易形成凝露。凝露的发生将严重影响开关柜内绝缘材料的绝缘能力及寿命、以及金属导体的功能，对开关柜的安全稳定运行造成严重威胁。凝露的发生会对开关柜内部的金属及绝缘系统造成严重危害。对于绝缘材料而言，一方面凝露会引发局部放电造成绝缘材料劣化，另一方面凝露会引起绝缘表面泄露电流增加，电导损耗增加，严重时引起绝缘失效，引发放电事故。对金属材料而言，当凝露发生时，一方面会造成金属材料的锈蚀，破坏金属的支撑作用，特别是对于断路器而言，一旦动静触头发生锈蚀，断路器将无法正常动作，失去保护电路的能力，最终引起放电事故。另一方面，凝结的水珠还会引起局部电场增强，畸变开关柜内部的电场分布，引起放电事故。

开关柜内部温湿度分布不均匀是造成凝露的重要原因。因此，掌握开关柜内部的温湿度分布可以及时采取相关措施，有效地防治开关柜内部凝露的形成，保障开关柜安全可靠运行。目前，对于开关柜内部温湿度分布的计算大多采用二维简单模型，无法精准清晰地掌握开关柜内部温湿度分布，因此，亟需建立开关柜温湿度分布计算模型，深入研究影响温湿度分布的因素，以指导开关柜内防凝露优化设计。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于电磁-温湿度耦合的三维开关柜温湿度分布计算方法，该计算方法通过实时监控开关柜内部的温湿度分布，可以了解开关柜内部温度低、湿度高的位置，便于及时采取相应措施。此外，该计算方法中考虑了改善开关柜内部温湿度不均匀的措施，并通过数值模拟证明了该方法的有效性。

本发明采用如下技术方案来实现的：

基于电磁-温湿度耦合的三维开关柜温湿度分布计算方法，包括三维计算模型的建立、电磁-温度场耦合和温度-湿度场耦合：

其中，三维计算模型的建立，包括以下步骤：

(1)该三维计算模型考虑母线、穿墙套管、断路器、触头盒和电缆；

(2)在计算之前，对三维计算模型的网格进行剖分；

电磁-温度场耦合，包括以下步骤：

(1)当开关柜内母线流过大电流时，金属导体上产生焦耳热，这些热量来自于涡流损耗，开关柜内部的热量通过柜体表面的自然对流换热及热辐射两种方式将热量散发到周围环境，引起开关柜内环境温度的升高，开关柜内部温度分布与热量之间的关系为：

式(1)中，ρ为材料的密度；λ为材料的导热系数；c为材料的比热容；Q为材料的体积生热率；

(2)开关柜内部的热量传递过程包括母线和穿墙套管、触头盒、电缆之间的热传导，母线和空气之间的对流换热以及热辐射，开关柜外壳与周围空气之间的对流换热和热辐射，热量传递过程采用式(2)来表示：