干式套管电-热仿真模型及动态温度计算方法及相关设备与流程

本发明属于高电压与绝缘，具体为干式套管电-热仿真模型及动态温度计算方法及相关设备。

背景技术：

1、随着我国电力行业的发展，保障电气设备的安全稳定运行极其重要。变压器是维持电力系统可靠运行的关键设备。套管在运行中长期承载着电压、电流和强机械负荷，内部存在很高的电、热和机械应力，随着电力设备运行年限的增加，套管故障暴露的安全隐患层出不穷。

2、干式套管具有电气性能稳定、无油阻燃、体积小、重量轻等特点，相比油浸纸套管，具有良好的防火防爆性能，在对安全和性能要求越来越高的电网和电力设备发展背景下，干式套管的应用日趋增多，但运行过程中套管长期受到电应力、热应力和机械应力等多种应力共同作用，不仅承担着大负荷电流引起的温升影响，而且环境中的温度以及变压器的油温，也会对套管的温度产生影响，运行中由于套管温度过高造成的热绝缘失效引发绝缘击穿已是屡见不鲜。

3、以往研究大多是控制单一变量，未考虑环境、油温、负载率等参量变化对变压器套管内部温度分布影响，如何将环境变化指数同干式套管有限元模型结合，建立考虑实际运行工况的干式套管高保真仿真模型，分析多参量共同变化下套管的内部温度分布特性，为套管的状态监测提供研究基础很有必要。

技术实现思路

1、本发明的提供了一种干式套管电-热仿真模型及动态温度计算方法及相关设备，解决了以往研究大多是控制单一变量，未考虑环境、油温、负载率等参量变化对变压器套管内部温度分布影响的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、干式套管电-热仿真模型及动态温度计算方法，包括：

4、建立有限元计算模型，对有限元计算模型各部分进行参数设定；

5、计算设置好参数的有限元模型的电场分布；

6、添加电流场及流固传热场耦合计算电磁损耗；

7、将电磁作为套管的热源插入项，计算电磁-热-流耦合结果，基于电磁-热-流耦合结果施加边界条件，计算瞬态温度分布场；

8、基于温度场分布和电场分布对套管内部热点温度进行动态监测，获得热点温度随运行时间变化模型。

9、优选地，建立有限元计算模型的步骤具体为：

10、依次确定最大径向场强和绝缘层数，选取许用轴向场强，根据许用轴向场强确定下部台阶；

11、基于额定的工频击穿电压确定电容芯子上下部轴向场强基于下部台阶确定上部台阶上；

12、根据最大径向场强确定两侧的径向场强；

13、基于最大径向场强和两侧的径向场强获取各层极板半径和电极长度，建立有限元计算模型。

14、优选地，对有限元计算模型各部分进行参数设定包括对sf6气体、铜导电杆、铝合金结构件、环氧浸渍纸、变压器油、硅橡胶绝缘护套和法兰参数的设定。

15、优选地，计算设置好参数的有限元模型的电场分布的步骤具体为：

16、将零序极板与中心载流导体整体及其相连的金属部件设置为高电势，外导杆不参与载流，但与内导体为等电势；

17、末屏极板及连接法兰、变压器油箱设置为接地；

18、除零序极板和末屏极板外，其余极板设置为悬浮电位；

19、采用采用静电物理场计算在交流电压激励下的电场分布。

20、优选地，将电磁作为套管的热源插入项，计算电磁-热-流耦合结果具体为：

21、

22、式中：t为温度；c为比热容；λ为热导率；x，y，z为坐标值；ρ为密度；t为时间；q为单位体积发热功率，由电磁热耦合计算得到。

23、优选地，边界条件为：金属导杆作为整个模型的热源施加热量，电容芯子及绝缘护套绝缘介质的介质损耗发热；套管与空气和变压器油接触外表面存在自然对流换热，套管表面向外部环境辐射热量，辐射系数为0.9。

24、优选地，基于电磁-热-流耦合结果施加边界条件，计算瞬态温度分布场的步骤具体为：

25、首先，对套管温度场进行初始化，根据初始温度值确定出胶浸纸的各项介电和热物性参数，依次施加电压及电流激励，得出总功率损耗分布，将功率数据加载到温度场计算环境下，计算得出当次迭代的温度数值，和前次迭代的温度场计算结果进行比较，如若小于收敛判据则停止仿真，输出结果，否则重复上述过程，直至收敛。

26、干式套管电-热仿真模型及动态温度计算系统，包括：

27、模型建立模块：用于建立有限元计算模型，对有限元计算模型各部分进行参数设定；

28、第一计算模块：用于计算设置好参数的有限元模型的电场分布；

29、第二计算模块：用于添加电流场及流固传热场耦合计算电磁损耗；

30、温度场分布获取模块：用于将电磁作为套管的热源插入项，计算电磁-热-流耦合结果，基于电磁-热-流耦合结果施加边界条件，计算瞬态温度分布场；

31、监测模块：基于温度场分布和电场分布对套管内部热点温度进行动态监测，获得热点温度随运行时间变化模型。

32、一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现干式套管电-热仿真模型及动态温度计算方法的步骤。

33、一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现干式套管电-热仿真模型及动态温度计算方法的步骤。

34、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明提供了一种干式套管电-热仿真模型及动态温度计算方法及相关设备，建立有限元计算模型，对有限元计算模型各部分进行参数设定，计算设置好参数的有限元模型的电场分布，基于电场分布进行电磁-热-流耦合计算，获得电磁-热-流耦合计算结果，基于电磁-热-流耦合计算结果施加边界条件，获得干式套管温度场分布，输出干式套管温度场分布和电场分布，构建的干式套管仿真计算模型考虑实际运行工况下外部参量变化特征，动态构建热点温度随运行时间变化模型，实现对干式套管芯体电场及温度分布的精确仿真，为判断干式套管运行状态提供参考依据。

技术特征：

1.干式套管电-热仿真模型及动态温度计算方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的干式套管电-热仿真模型及动态温度计算方法，其特征在于，建立有限元计算模型的步骤具体为：

3.根据权利要求1所述的干式套管电-热仿真模型及动态温度计算方法，其特征在于，对有限元计算模型各部分进行参数设定包括对sf6气体、铜导电杆、铝合金结构件、环氧浸渍纸、变压器油、硅橡胶绝缘护套和法兰参数的设定。

4.根据权利要求1所述的干式套管电-热仿真模型及动态温度计算方法，其特征在于，计算设置好参数的有限元模型的电场分布的步骤具体为：

5.根据权利要求1所述的干式套管电-热仿真模型及动态温度计算方法，其特征在于，将电磁作为套管的热源插入项，计算电磁-热-流耦合结果具体为：

6.根据权利要求1所述的干式套管电-热仿真模型及动态温度计算方法，其特征在于，边界条件为：金属导杆作为整个模型的热源施加热量，电容芯子及绝缘护套绝缘介质的介质损耗发热；套管与空气和变压器油接触外表面存在自然对流换热，套管表面向外部环境辐射热量，辐射系数为0.9。

7.根据权利要求1所述的干式套管电-热仿真模型及动态温度计算方法，其特征在于，基于电磁-热-流耦合结果施加边界条件，计算瞬态温度分布场的步骤具体为：

8.干式套管电-热仿真模型及动态温度计算系统，其特征在于，包括：

9.一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至7任一项所述干式套管电-热仿真模型及动态温度计算方法的步骤。

10.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至7任一项所述干式套管电-热仿真模型及动态温度计算方法的步骤。

技术总结本发明公开了一种干式套管电‑热仿真模型及动态温度计算方法及相关设备，建立有限元计算模型，对有限元计算模型各部分进行参数设定，计算设置好参数的有限元模型的电场分布，基于电场分布进行电磁‑热‑流耦合计算，获得电磁‑热‑流耦合计算结果，基于电磁‑热‑流耦合计算结果施加边界条件，获得干式套管温度场分布，输出干式套管温度场分布和电场分布，构建的干式套管仿真计算模型考虑实际运行工况下外部参量变化特征，动态构建热点温度随运行时间变化模型，实现对干式套管芯体电场及温度分布的精确仿真，为判断干式套管运行状态提供参考依据。技术研发人员：乔亚军,丛培杰,刘芸,周福升,潘雄,上官海洋,许孜博,王杰,潘欢,关世龙,朱春常受保护的技术使用者：广东电网有限责任公司广州供电局技术研发日：技术公布日：2024/10/10