一种发电机出口断路器软连接温升分析方法及系统与流程

本发明属于测量，特别是一种发电机出口断路器软连接温升分析方法及系统。

背景技术：

1、抽水蓄能电站是一种重要的电力储能系统，用于平衡电力系统的供需，增强电力网络的稳定性和可靠性。在抽水蓄能电站系统中，发电机出口断路器成套设备是抽水蓄能电站重要的电力设备，兼具控制和保护的作用，不仅可以用来接通、分断正常的负荷电流，还可以在系统出现过载、短路的情况下，自动切断电路，从而防止抽水蓄能电站因短路等故障而破坏。但在长时间的工作后，断路器将由于流过的电流和涡流电流而造成损耗，该损耗通常可分为体电阻产热、涡流效应产热和接触电阻产热，如果接触电阻过大会产生极大的温升，影响材料的性能，甚至导致部分导体构建融化，引起严重的安全问题，所以对断路器内部温升实时监测十分必要。

2、现有技术中，对于断路器内部温升的测量方法有红外法和光纤法。红外法的原理是将被测物体发射出的红外辐射能量，通过测温计的光学系统在探测器上转换为电信号，并通过红外测温计的显示部分显示出物体的表面温度。虽然红外测温装置有着成本可控、测温范围广、响应速度快和灵敏度高等优点，但是受被测对象发射率的影响，仅仅是装置的表面温度，不能测量到装置的真实温度。光纤法是将光纤温度传感器的探头紧贴装置表面，温度信号转为光信号会被光纤温度传感器送到信号解调器得到被测装置的温度。光纤法也有一定的局限性，不一定能够将探头送入正常工作状态下断路器内部软连接部分。因此上述方法都有一定的局限性，无法得到断路器软连接部分温升的准确数据和有效判断设备工作的可靠性。

3、现有技术文件1(cn106644163a)公开了基于温度场有限元分析的小型断路器内部温升测量方法，采用有限元软件计算出不同环境温度下小型断路器整体和内部各个零部件的温度场分布云图，内部各零部件温度的最大值，以及接线端部外表面所有节点的稳态温度值；对仿真得到的接线端部外表面所有节点的稳态温度值进行数据处理,得到其稳态平均值；验证模型的正确性；建立不同环境温度下小型断路器内部各个零部件温度最大值和接线端部外表面温度稳态平均值的数学关系和拟合曲线；选择处于额定工作状态下的小型断路器进行测量,得到小型断路器内部零部件温度的最大值。但是，现有技术文件1的不足之处在于，采用光纤测温电路测量接线端部外表面温度值，是在断路器外部测量，接线端部外表面和内部零件距离相对较远，若用建立的数学关系和拟合曲线时测量断路内部软连接的温升会精度不高，同时得到的数学关系反映内部所有零件的温度，没有针对性且光纤测温电路中测温仪和温度传感器用光纤连接，光纤具有易折、易断和不耐高温的特点。

4、现有技术2(cn101825501a)公开了基于三维热场有限元分析的电力连接器触头温升测量方法。步骤如下：利用有限元仿真分析软件ansys建立电力连接器三维热场模型，利用接触电阻值和接触面积大小，通过计算建立接触电阻等效体模型：对仿真得到的连接器触头端面所有节点温度和触头接线端部所有节点温度进行数据处理；通过与试验中测得的连接器触头接线端部温度的瞬时值对比，验证模型的正确性：上位机选择一相进行测量。现有技术文件2的不足之处在于，采用18b20测温电路测量a、b、c三相的触头接线端部温度，是在断路器外部测量，反映触头温度精度不高，同时传感器本身精度容易受环境温度的影响，同时传感器可能受到电磁干扰和机械振动。

5、综上所述，由于断路器中的软连接是一个收缩动作的零件，直接用温度传感器测量软连接温度存在着布置难度大，测温难度高的特点，而采用光纤时，光纤在断路器内部软连接布线难度高，在软连接动作情况下存在测温可靠性低的问题，因此，如何准确、可靠、快速测量断路器内部温升是急需解决的问题。

技术实现思路

1、本发明所需解决的技术问题：针对上述存在的问题，设计了一种基于三维热场有限元分析的一种发电机出口断路器软连接温升分析方法。

2、本发明的目的是通过以下技术方案予以实现。

3、根据本发明的第一个方面，提供了一种发电机出口断路器软连接温升分析方法，包括以下步骤，

4、步骤1：构建发电机出口断路器内部各零部件的三维实体模型，构建瞬态电-热耦合有限元仿真模型；

5、步骤2：基于步骤1的瞬态电-热耦合有限元仿真模型，计算软连接边上导杆温度平均值，并验证模型的准确性；

6、步骤3：基于步骤2得到的软连接边上导杆温度平均值，建立断路器软连接部件温度最大值和软连接边上导杆温度平均值的数学关系；

7、步骤4：基于步骤3中建立的数学关系，计算发电机出口断路器软连接部件温度最大值。

8、在一种可能的实现方式中，步骤1具体包括：

9、步骤1.1：采集发电机出口断路器内部各个零部件的尺寸信息，建立各个零部件的三维实体模型；

10、步骤1.2：基于三维实体模型构建电-热耦合有限元仿真模型并设置模型参数；

11、步骤1.3：对参数设置完成的瞬态电-热耦合有限元仿真模型进行网格划分，校核接触电阻值，完成瞬态电-热耦合有限元仿真模型参数校验；

12、步骤1.4：基于参数校核完成的瞬态电-热耦合有限元仿真模型计算软连接边上导杆温度。

13、在一种可能的实现方式中，步骤1.2中，设置模型参数的方式为：

14、设置瞬态电-热耦合有限元仿真模型中各个零部件的材料属性，零部件包括：接线端子板、铜排、动静触头、导电夹、软连接以及软连接边上导杆；

15、根据各个零部件的材料属性设置零部件参数，包括：电导率、恒压热容、导热系数、相对介电常数和密度；

16、在一种可能的实现方式中，步骤1.3中，校核接触电阻采用的方式为：

17、在瞬态电-热耦合有限元仿真模型中的断路器器件内部导通设定数值的电流，观测电势数值，计算不同零部件的接触电阻仿真值，并与不同零部件之间的接触电阻实际测量值比较，若结果差异小于设定值，则瞬态电-热耦合有限元仿真模型参数校核完成，输出该模型供后续步骤使用；否则，更改各个零部件的电导率，重新校核接触电阻。

18、在一种可能的实现方式中，步骤1.4中，软连接边上导杆温度值计算公式为：

19、

20、公式中，x为软连接边上导杆温度值，i为电流值，σ为电导率，l为软连接边上导杆长度，ρ为软连接边上导杆材料密度，v为软连接边上导杆的体积，a为软连接边上导杆截面面积，c为恒压热容，h为传热系数。

21、在一种可能的实现方式中，步骤1.4中，传热系数的计算采用如下公式：

22、

23、其中，λ为流体导热系数，h为特征长度，nu为努塞尔特准数。

24、在一种可能的实现方式中，步骤1.4中，nu采用如下所示的计算公式：

25、

26、其中，nu为努塞尔特准数，pr为普朗特数，ra为导体的交流电阻。

27、在一种可能的实现方式中，步骤2具体包括：

28、步骤2.1：基于步骤1中得到的软连接边上导杆温度值，计算软连接边上导杆温度的平均值

29、步骤2.2：在设定环境温度下，采用温度传感器测量处于额定工作状态的软连接边上导杆稳态温度值，与步骤2.1的软连接边上导杆温度的平均值比较，验证仿真的准确性；若结果差异小于设定值，则转入下一步；否则，返回步骤1，并对瞬态电-热耦合有限元仿真模型参数进行调整。

30、在一种可能的实现方式中，步骤3中，断路器软连接部件温度最大值和软连接边上导杆温度平均值的数学关系为：

31、

32、其中，t为断路器软连接部件温度最大值，为软连接边上导杆温度稳态平均值。

33、本发明的第二个方面提供了一种基于上述的发电机出口断路器软连接温升分析方法的温升分析系统，包括，

34、发电机出口断路器内部各零部件三维实体模型构建模块、瞬态电-热耦合有限元仿真模型构建模块、模型准确性验证模块、断路器软连接部件温度最大值和软连接边上导杆温度平均值的数学关系构建模块和软连接部件温升分析模块；

35、其中，发电机出口断路器内部各零部件三维实体模型构建模块用于构建发电机出口断路器内部各零部件的三维实体模型；

36、瞬态电-热耦合有限元仿真模型构建模块用于构建瞬态电-热耦合有限元仿真模型；

37、模型准确性验证模块用于计算软连接边上导杆温度平均值，并验证模型的准确性；

38、断路器软连接部件温度最大值和软连接边上导杆温度平均值的数学关系构建模块用于建立断路器软连接部件温度最大值和软连接边上导杆温度平均值的数学关系；

39、软连接部件温升分析模块用于计算发电机出口断路器软连接部件温度最大值。

40、本发明的有益效果在于，与现有技术相比：

41、1、本发明所发明有效缩短了断路器软连接温升的测量时间，提高了准确度的同时还提高了工作效率，利用本发明的技术方案制作的基于有限元分析的发电机出口断路器软连接温升测量方法，突破了现有的光纤测温仪无法准确测量发电机出口断路器软连接的真实温度的问题。而且通过有限元仿真软件计算分析，有效缩短了断路器软连接温升的测量时间，提高了准确度的同时还提高了工作效率。

42、2、本发明通过有限元仿真软件计算分析，突破了现有的光纤测温仪和红外辐射测量法无法准确测量发电机出口断路器内部软连接部件的真实温度的问题，采用无线无源温度传感器测量软连接边上导杆温度值，通过用数据处理软件得到的软连接温度和边上导杆温度的数学关系得到发电机出口断路器内部软连接的温度值，显著提高了温升测量方法的准确性。