[发明专利]10kV高压开关柜防爆安全设计方法

权利要求书

1.一种10kV高压开关柜防爆安全设计方法，其特征在于，包括：在实际开关柜现有的防爆设计(隔离舱室分别加泄压板)的基础上，针对其内部发生短路电弧引起的爆炸冲击过程，基于温度场、流体场和位移场耦合的有限元计算方法，利用热源等效和分舱建模方式，对开关柜内部电弧冲击过程进行了仿真计算；得到在分隔舱室泄压板动作时刻，并计算柜体关键及薄弱部位压力分布随时间的变化关系；分析柜体的抵受性能，并得出开关柜关键部位(柜体厚度、柜门螺栓数量)安全设计方法。

2.根据权利要求1所述的10kV高压开关柜防爆安全设计方法，其特征在于,仿真中以各隔舱室中短路电弧实际发生位置为参考，以圆形热源模型模拟短路电弧爆源，以试验实测的电弧能量数据作为爆源的等效能量。

3.根据权利要求1所述的10kV高压开关柜防爆安全设计方法，其特征在于，仿真过程中的多物理场耦合方式选择为热力场-流体场-位移场3个物理场相互耦合，并设置了相应的耦合方程和边界条件。

4.根据权利要求1所述的10kV高压开关柜防爆安全设计方法，其特征在于，仿真简化计算条件为：

1)去掉对隔舱室气体流动影响较小的零部件，同时将这些零部件去掉后剩余的孔隙作封闭处理；

2)为了更直观地体现高温高压气体对隔舱室柜体的冲击效果，对各隔舱室内部作空腔处理，以此来校验柜体的极限冲击抵受性能。

3)在整个燃弧过程中，各隔舱室的表面作绝热处理，气体参数如密度、热容、粘度等都随着温度的变化而变化。

4)根据试验过程可知，各隔舱室底部固定不动，故仿真时在各隔舱室底部施加固定约束。

5.根据权利要求1所述的10kV高压开关柜防爆安全设计方法，其特征在于，舱室短路电弧爆炸波能冲击下的泄压板动作时刻t_max计算方法为：

1)计算舱室从发生短路电弧产生后，舱室上盖板尼龙铆钉处应力随时间变化函数关系，并绘制关系曲线图graph_x。

2)舱室上盖板的泄压板一般采用n₁个尼龙铆钉固定。单个尼龙铆钉的断裂应力计算公式如下：

式中：F₁为尼龙铆钉的极限拉力,S₁为尼龙铆钉应力作用面积。

3)将式(9)得到的尼龙铆钉极限断裂应力作为依据，在图graph_x中分别得到各尼龙铆钉极限应力断裂所对应时间t_max1及t_max2，选取数值大的作为泄压板的动作时间t_max。

6.根据权利要求1所述的10kV高压开关柜防爆安全设计方法，其特征在于，舱室柜体强度的安全设计方法为：

1)通过对体应力分布的仿真计算，找到泄压板完全打开时刻对应柜体应力最大点σ_g所在位置。

2)选择不同厚度的壳体，分别计算在泄压板动作时刻t_max，最大应力点所承受的最大的应力值σ_g。

3)柜体材料能承受的极限断裂应力值为σ_j,当σ_g＜σ_j时，则柜体厚度可以承受住短路电弧引起爆炸的冲击。由于开关柜柜体一般采用优质钢板，σ_j一般取值为3.2×10⁸N/m²。

7.根据权利要求1所述的10kV高压开关柜防爆安全设计方法，其特征在于，舱室柜门安全设计方法为：

1)通过仿真计算，找到泄压板在完全打开时刻t_max，舱室柜门对应压力最大点P_k所在位置。

2)计算从短路电弧产生后，压力最大点P_k随时间变化曲线图。找出t_max时刻对应的P_k大小。

3)通过式(1)得到单个铆钉的最大拉裂力F_M。

F_M＝σ_M*S_M (10)

式中：σ_M为螺栓的抗拉强度,S_M为螺栓的应力截面积。

4)通过式(2)可以得到柜门所需螺栓数n。

式中：S_g为舱室柜门面积。