[發明專利]10kV高壓開關柜防爆安全設計方法

在審

• 申請號: 202011083469.8
• 申請日: 2020-10-12
• 公開（公告）號: CN112257195A
• 公開（公告）日: 2021-01-22
• 發明（設計）人: 楊鑫;董盼;雷佳成
• 申請（專利權）人: 長沙理工大學
• 主分類號: G06F30/17
• 分類號: G06F30/17;G06F30/23;G06F30/28;G06F113/08;G06F119/08;G06F119/14
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1.一種10kV高壓開關柜防爆安全設計方法，其特征在于，包括：在實際開關柜現有的防爆設計(隔離艙室分別加泄壓板)的基礎上，針對其內部發生短路電弧引起的爆炸沖擊過程，基于溫度場、流體場和位移場耦合的有限元計算方法，利用熱源等效和分艙建模方式，對開關柜內部電弧沖擊過程進行了仿真計算；得到在分隔艙室泄壓板動作時刻，并計算柜體關鍵及薄弱部位壓力分布隨時間的變化關系；分析柜體的抵受性能，并得出開關柜關鍵部位(柜體厚度、柜門螺栓數量)安全設計方法。

2.根據權利要求1所述的10kV高壓開關柜防爆安全設計方法，其特征在于,仿真中以各隔艙室中短路電弧實際發生位置為參考，以圓形熱源模型模擬短路電弧爆源，以試驗實測的電弧能量數據作為爆源的等效能量。

3.根據權利要求1所述的10kV高壓開關柜防爆安全設計方法，其特征在于，仿真過程中的多物理場耦合方式選擇為熱力場-流體場-位移場3個物理場相互耦合，并設置了相應的耦合方程和邊界條件。

4.根據權利要求1所述的10kV高壓開關柜防爆安全設計方法，其特征在于，仿真簡化計算條件為：

1)去掉對隔艙室氣體流動影響較小的零部件，同時將這些零部件去掉后剩余的孔隙作封閉處理；

2)為了更直觀地體現高溫高壓氣體對隔艙室柜體的沖擊效果，對各隔艙室內部作空腔處理，以此來校驗柜體的極限沖擊抵受性能。

3)在整個燃弧過程中，各隔艙室的表面作絕熱處理，氣體參數如密度、熱容、粘度等都隨著溫度的變化而變化。

4)根據試驗過程可知，各隔艙室底部固定不動，故仿真時在各隔艙室底部施加固定約束。

5.根據權利要求1所述的10kV高壓開關柜防爆安全設計方法，其特征在于，艙室短路電弧爆炸波能沖擊下的泄壓板動作時刻t_max計算方法為：

1)計算艙室從發生短路電弧產生后，艙室上蓋板尼龍鉚釘處應力隨時間變化函數關系，并繪制關系曲線圖graph_x。

2)艙室上蓋板的泄壓板一般采用n₁個尼龍鉚釘固定。單個尼龍鉚釘的斷裂應力計算公式如下：

式中：F₁為尼龍鉚釘的極限拉力,S₁為尼龍鉚釘應力作用面積。

3)將式(9)得到的尼龍鉚釘極限斷裂應力作為依據，在圖graph_x中分別得到各尼龍鉚釘極限應力斷裂所對應時間t_max1及t_max2，選取數值大的作為泄壓板的動作時間t_max。

6.根據權利要求1所述的10kV高壓開關柜防爆安全設計方法，其特征在于，艙室柜體強度的安全設計方法為：

1)通過對體應力分布的仿真計算，找到泄壓板完全打開時刻對應柜體應力最大點σ_g所在位置。

2)選擇不同厚度的殼體，分別計算在泄壓板動作時刻t_max，最大應力點所承受的最大的應力值σ_g。

3)柜體材料能承受的極限斷裂應力值為σ_j,當σ_g＜σ_j時，則柜體厚度可以承受住短路電弧引起爆炸的沖擊。由于開關柜柜體一般采用優質鋼板，σ_j一般取值為3.2×10⁸N/m²。

7.根據權利要求1所述的10kV高壓開關柜防爆安全設計方法，其特征在于，艙室柜門安全設計方法為：

1)通過仿真計算，找到泄壓板在完全打開時刻t_max，艙室柜門對應壓力最大點P_k所在位置。

2)計算從短路電弧產生后，壓力最大點P_k隨時間變化曲線圖。找出t_max時刻對應的P_k大小。

3)通過式(1)得到單個鉚釘的最大拉裂力F_M。

F_M＝σ_M*S_M (10)

式中：σ_M為螺栓的抗拉強度,S_M為螺栓的應力截面積。

4)通過式(2)可以得到柜門所需螺栓數n。

式中：S_g為艙室柜門面積。