[發明專利]GIS隔離開關不同接觸狀態下的多物理場耦合仿真模擬方法和系統

有效

• 申請號: 202110027189.3
• 申請日: 2021-01-09
• 公開（公告）號: CN112800647B
• 公開（公告）日: 2022-11-08
• 發明（設計）人: 李征宇;高寶明;王克勝;許輝;郭靖;高晉文;李琦;嚴智;牌永鋒;韓國文
• 申請（專利權）人: 國網山西省電力公司超高壓變電分公司
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 李紅霖

1.GIS隔離開關不同接觸狀態下的多物理場耦合仿真模擬方法，其特征在于，包括建模過程和模擬過程：

所述建模過程包括：

基于GIS隔離開關的不同接觸狀態，建立GIS隔離開關不同接觸狀態下的幾何模型，所述不同接觸狀態包括接觸良好、半分半合和臨界分離，所述幾何模型建模的對象包含GIS隔離開關的動觸頭、靜觸頭、導桿、屏蔽罩、GIS金屬外殼、SF₆絕緣氣體和外部空氣域；

設置所述幾何模型中所述對象的材料屬性；

基于所述幾何模型和各對象的材料屬性，計算仿真回路在不同接觸狀態的回路電阻值，將仿真得到的不同接觸狀態的回路電阻值與GIS隔離開關在不同接觸狀態下實測得到的回路電阻值分別對應進行比較，判斷是否一致，如果一致，將所述幾何模型作為仿真模型，如不一致，調整GIS隔離開關不同接觸狀態下的幾何模型，直至仿真得到的不同接觸狀態的回路電阻值與實測得到的不同接觸狀態的回路電阻值一致；

所述模擬過程包括：

設置仿真模型中各對象的物理場控制方程、邊界條件、初始條件和物理場耦合關系，并進行求解，得到GIS隔離開關的多物理場分布特性；

所述物理場的控制方程包含電磁場中的麥克斯韋方程、溫度場中的廣義傳熱方程、對流換熱方程和輻射傳熱方程以及流體場中的連續性方程和動量守恒方程；

其中：依據電磁場麥克斯韋方程組，導體區域的控制方程為：

其中，A₁和分別為導體區域的矢量位函數和標量位函數，σ₁為導體的電導率，J為外施電流密度，μ₀為真空磁導率，為哈密頓算子，j為虛數單位，ω為角頻率；

非導體區域的控制方程為：

其中，A₂和分別為非導體區域的矢量位函數和標量位函數，σ₂為該區域材料對應的電導率，μ_r為該區域材料的相對磁導率；

固體中熱量傳遞的控制方程為：

其中，ρ為密度，c為比熱容，T為溫度，t為時間，k為導熱系數，Q為熱源；

流體中熱量傳遞的控制方程為：

其中，u為流體的速度；

流固表面對流換熱方程為：

q＝hΔT

其中，q為熱流密度，h為對流換熱系數，ΔT為流體和物體表面的溫差；

導桿與GIS金屬外殼之間、GIS金屬外殼與外界環境之間輻射換熱方程為：

其中，Q_f為輻射換熱量，ε₁為導桿表面發射系數，S₁為導桿表面積，δ為黑體輻射常數，T₁為導桿表面溫度，T₂為GIS金屬外殼表面溫度；

GIS隔離開關中流體場的流動模型選擇層流物理模型，其控制方程為：

其中，η為流體動力黏度，g為重力加速度；

針對GIS隔離開關中，物理場之間耦合關系如下：

在電磁熱雙向耦合中，將電磁場中的電磁體積損耗密度設置為溫度場中的熱源，導桿和GIS金屬外殼所用鋁合金材料的電阻，隨溫度的變化關系如下所示：

其中，E為電場強度，α為電阻率溫度系數，σ_ref、T_ref分別為參考電導率和參考溫度；

在流場和溫度場之間的耦合中，流體密度、導熱系數、動力黏度隨溫度的變化關系如下所示：

其中，P為流體的壓強，K₁為流體的摩爾質量，K₂為通用的氣體常數，ρ_ref、k_ref、η_ref分別為參考密度、參考導熱系數、參考動力黏度，S為蘇士蘭常數；

采用有限元法對仿真模型中各對象的物理場控制方程、邊界條件、初始條件和物理場耦合關系進行求解；

求解時，在進行三維空間網格剖分時，針對導桿、GIS金屬外殼、外部空氣域采用先用三角形網格剖分面，再將面單元掃掠成體單元的網格剖分方式；對于動觸頭、靜觸頭、屏蔽罩和SF₆絕緣氣體采用自由四面體網格剖分。