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CN111985075A - 适用于氧化锌避雷器的温度分布计算方法及系统 - Google Patents

适用于氧化锌避雷器的温度分布计算方法及系统 Download PDF

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Abstract

本公开提供了一种适用于氧化锌避雷器的温度分布计算方法及系统，本公开将阳光辐射与风速大小转化为相应的边界条件施加在温度场仿真模型中，从而不需要进行周期长、误差大的温升试验，就可以对外界环境因素影响下的特高压避雷器温度分布规律进行研究分析，为避雷器红外测温及故障诊断提供技术支持。

Description

适用于氧化锌避雷器的温度分布计算方法及系统
技术领域
本公开属于高压设备状态检测领域，涉及一种适用于氧化锌避雷器的温度分布计算方法及系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
氧化锌避雷器是特高压变电站内重要过电压防护设备，一般配置在GIS的主变及线路出线侧。当避雷器内部电阻片出现受潮、劣化等现象时，会导致表面温度特征的变化，从而可以通过红外测温手段对特高压避雷器运行状况进行诊断。
然而避雷器属于电压致热型设备，具有发热量小、表面温升低的特点，且其表面温度同样受到外界环境因素的影响，例如光照强度、风力大小等，势必会给红外测温及故障诊断带来困难，若等待合适环境条件则降低工作效率，甚至不能及时发现缺陷，因此需要对外界环境因素影响下的特高压避雷器内外部温度分布特征进行研究。
传统的避雷器温升试验通常在试验大厅内进行，试验周期长，误差因素多，更无法真实模拟户外现场运行环境，若能利用仿真软件建立综合考虑风速、阳光等多种因素影响的避雷器温度场计算模型，便可快捷准确的对外界环境因素影响下的避雷器内外部温度分布规律进行研究分析。
发明内容
本公开为了解决上述问题，提出了一种适用于氧化锌避雷器的温度分布计算方法及系统，本公开将阳光辐射与风速大小转化为相应的边界条件施加在温度场仿真模型中，从而不需要进行周期长、误差大的温升试验，就可以对外界环境因素影响下的特高压避雷器温度分布规律进行研究分析，为避雷器红外测温及故障诊断提供技术支持。
根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：
一种适用于氧化锌避雷器的温度分布计算方法，在温度场计算过程中，将阳光辐射与风速大小转化为相应的边界条件施加在温度场仿真模型中，进行计算，求解得到各个位置的温度分布。
作为可选择的实施方式，所述边界条件包括避雷器外部与空气的交界面施加对流边界条件、避雷器向光侧施加太阳辐射边界条件，以及避雷器其余各部分交界面施加交界面连续边界条件。
作为可选择的实施方式，在温度场计算过程前，还包括电场计算过程，具体包括：
(1-1)对避雷器的不同部位施加相应的电场边界条件；
(1-2)对避雷器各部分的介电常数、电阻率进行赋值；
(1-3)对避雷器进行电场仿真计算，并利用仿真得到的电压电流数据，计算泄漏电流发热及介质损耗发热量。
作为可选择的实施方式，所述步骤(1-1)中，电场边界条件包括：
均压环、底座施加第一类边界条件，其电位是已知量，均压环电位为运行电压，底座电位为0V；其余各部分交界面施加交界面连续边界条件。
作为可选择的实施方式，温度场计算过程的具体步骤为：
(2-1)以电场计算得到的泄漏电流发热及介质损耗发热量作为热源，避雷器在整个温度场计算区域内满足泊松方程；
(2-2)对避雷器的不同部位施加相应的热传导边界条件；
(2-3)对避雷器各部分的导热系数及其表面的对流换热系数、辐射系数进行赋值；
(2-4)对避雷器进行温度场仿真计算，求解得到各个位置的温度分布。
一种适用于氧化锌避雷器的温度分布计算系统，包括：
电场计算模块，被配置为对避雷器进行电场仿真计算，并利用仿真得到的电压电流数据计算泄漏电流发热及介质损耗发热量；
温度场计算模块，被配置为结合泄漏电流发热及介质损耗发热量，将阳光辐射与风速大小转化为相应的边界条件施加在温度场仿真模型中，进行计算，求解得到各个位置的温度分布。
作为可选择的实施方式，所述电场计算模块包括：
第一边界条件施加模块，被配置为对避雷器的不同部位施加相应的电场边界条件；
第一赋值模块，被配置为对避雷器各部分的介电常数、电阻率进行赋值；
第一仿真计算模块，被配置为对避雷器进行电场仿真计算，并利用仿真得到的电压电流数据，计算泄漏电流发热及介质损耗发热量。
作为可选择的实施方式，所述温度场计算模块包括：
热源构建模块，被配置为以电场计算得到的泄漏电流发热及介质损耗发热量作为热源；
第二边界条件施加模块，被配置为对避雷器的不同部位施加相应的热传导边界条件；
第二赋值模块，被配置为对避雷器各部分的导热系数及其表面的对流换热系数、辐射系数进行赋值；
第二仿真计算模块，被配置为对避雷器进行温度场仿真计算，求解得到各个位置的温度分布。
一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行所述的适用于氧化锌避雷器的温度分布计算方法。
一种终端设备，包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行所述的适用于氧化锌避雷器的温度分布计算方法。
一种避雷器故障识别方法，利用上述适用于氧化锌避雷器的温度分布计算方法得到的温度分布，确定各部分是否发生故障。
与现有技术相比，本公开的有益效果为：
1、计算速度快、效率高，避免了现场温升试验周期长、浪费人力物力、误差因素多等缺点。同时，采用热电耦合的方法计算氧化锌避雷器温度分布，以电场仿真结果计算得到的功率损耗值作为温度场仿真的热源，具有较高的准确性。
2、可以方便地对运行环境中风速大小、光照强度等环境因素进行模拟，只需要修改相应的边界条件，便可以方便快捷地对不同环境因素影响下的氧化锌避雷器的温度分布进行研究分析。
3、可随意设置氧化锌避雷器运行状况，受潮、劣化、污秽等，得出的结论对非理想环境下的红外测温与故障识别具有一定的参考意义，具有较好的实际应用价值和推广价值。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1是本实施例的氧化锌避雷器结构示意图；
图2(a)、图2(b)是本实施例不同情况下避雷器的温度分布示意图；
图3(a)-(d)是本实施例不同风速影响下避雷器温度分布示意图；
图4是本申请实施例子的氧化锌避雷器电场计算过程和温度场计算过程方法流程图。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
一种适用于氧化锌避雷器温度分布的仿真计算方法，如图4所示，包括电场计算过程和温度场计算过程。
(1)电场计算过程的具体步骤为：
(1-1)避雷器运行时内外部没有电荷激励源，因此在整个计算区域内满足拉普拉斯方程。
(1-2)对避雷器的不同部位施加相应的电场边界条件：均压环、底座施加第一类边界条件，其电位是已知量，均压环电位为运行电压，底座电位为0V；其余各部分交界面施加交界面连续边界条件。
(1-3)对避雷器各部分的介电常数、电阻率进行赋值。
(1-4)对避雷器进行电场仿真计算，并利用仿真得到的电压电流数据进一步计算泄漏电流发热Pl及介质损耗发热量Pj。
(2)温度场计算过程的具体步骤为：
(2-1)以电场计算得到的泄漏电流发热Pl及介质损耗发热量Pj作为热源，避雷器在整个温度场计算区域内满足泊松方程。
(2-2)对避雷器的不同部位施加相应的热传导边界条件：避雷器外部与空气的交界面施加对流边界条件；避雷器向光侧施加太阳辐射边界条件；其余各部分交界面施加交界面连续边界条件。
(2-3)对避雷器各部分的导热系数及其表面的对流换热系数、辐射系数进行赋值。
(2-4)对避雷器进行温度场仿真计算，求解得到各个位置的温度分布。
作为一种典型实施例，如图1所示，1000kV氧化锌避雷器主要由均压环、底座以及5节串联的避雷器节组成，按照本发明提出的实施步骤，先后对1000kV氧化锌避雷器进行电场与温度场仿真，得到正常运行以及第二节电阻片整体劣化时避雷器的温度分布如图2(a)、 (b)所示。
避雷器正常运行时，外表面温度分布较为均匀，最高温度为 17.7℃，温升小于0.2K。避雷器第二节整体劣化时，第一节和第三节出现局部高温，这是由于劣化电阻片承担电压降低，使得相邻两节承担更高的电压，导致温度升高。此时避雷器外表面最高温度为20.4℃，温升约为2.3K。
改变1000kV氧化锌避雷器与空气交界面的对流边界条件，仿真计算得到不同风速影响下(分别为1m/s、3m/s、6m/s、9m/s)避雷器温度分布如图3(a)-(d)所示。
风速增大加强了空气对流散热，使得避雷器内部缺陷发热导致的表面最高温度下降，温升减小，甚至可能低于避雷器红外测温缺陷判定阈值，因此若在风速较高时进行红外测温，则有可能难以及时发现缺陷。
另外，可随意设置氧化锌避雷器运行状况，以及运行中的各种环境因素，有利于进行科学研究和工程模拟，具有较好的实际应用价值和推广价值。
还提供以下产品实施例或应用实施例：
一种适用于氧化锌避雷器的温度分布计算系统，包括：
电场计算模块，被配置为对避雷器进行电场仿真计算，并利用仿真得到的电压电流数据计算泄漏电流发热及介质损耗发热量；
温度场计算模块，被配置为结合泄漏电流发热及介质损耗发热量，将阳光辐射与风速大小转化为相应的边界条件施加在温度场仿真模型中，进行计算，求解得到各个位置的温度分布。
作为可选择的实施方式，所述电场计算模块包括：
第一边界条件施加模块，被配置为对避雷器的不同部位施加相应的电场边界条件；
第一赋值模块，被配置为对避雷器各部分的介电常数、电阻率进行赋值；
第一仿真计算模块，被配置为对避雷器进行电场仿真计算，并利用仿真得到的电压电流数据，计算泄漏电流发热及介质损耗发热量。
作为可选择的实施方式，所述温度场计算模块包括：
热源构建模块，被配置为以电场计算得到的泄漏电流发热及介质损耗发热量作为热源；
第二边界条件施加模块，被配置为对避雷器的不同部位施加相应的热传导边界条件；
第二赋值模块，被配置为对避雷器各部分的导热系数及其表面的对流换热系数、辐射系数进行赋值；
第二仿真计算模块，被配置为对避雷器进行温度场仿真计算，求解得到各个位置的温度分布。
一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行所述的适用于氧化锌避雷器的温度分布计算方法。
一种终端设备，包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行所述的适用于氧化锌避雷器的温度分布计算方法。
一种避雷器故障识别方法，利用上述适用于氧化锌避雷器的温度分布计算方法得到的温度分布，确定各部分是否发生故障。
本领域内的技术人员应明白，本公开的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本公开可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本公开可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本公开是参照根据本公开实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种适用于氧化锌避雷器的温度分布计算方法，其特征是：在温度场计算过程中，将阳光辐射与风速大小转化为相应的边界条件施加在温度场仿真模型中，进行计算，求解得到各个位置的温度分布。
2.如权利要求1所述的一种适用于氧化锌避雷器的温度分布计算方法，其特征是：所述边界条件包括避雷器外部与空气的交界面施加对流边界条件、避雷器向光侧施加太阳辐射边界条件，以及避雷器其余各部分交界面施加交界面连续边界条件。
3.如权利要求1所述的一种适用于氧化锌避雷器的温度分布计算方法，其特征是：在温度场计算过程前，还包括电场计算过程，具体包括：
(1-1)对避雷器的不同部位施加相应的电场边界条件；
(1-2)对避雷器各部分的介电常数、电阻率进行赋值；
(1-3)对避雷器进行电场仿真计算，并利用仿真得到的电压电流数据，计算泄漏电流发热及介质损耗发热量。
4.如权利要求3所述的一种适用于氧化锌避雷器的温度分布计算方法，其特征是：所述步骤(1-1)中，电场边界条件包括：
均压环、底座施加第一类边界条件，其电位是已知量，均压环电位为运行电压，底座电位为0V；其余各部分交界面施加交界面连续边界条件。
5.如权利要求1所述的一种适用于氧化锌避雷器的温度分布计算方法，其特征是：温度场计算过程的具体步骤为：
(2-1)以电场计算得到的泄漏电流发热及介质损耗发热量作为热源，避雷器在整个温度场计算区域内满足泊松方程；
(2-2)对避雷器的不同部位施加相应的热传导边界条件；
(2-3)对避雷器各部分的导热系数及其表面的对流换热系数、辐射系数进行赋值；
(2-4)对避雷器进行温度场仿真计算，求解得到各个位置的温度分布。
6.一种适用于氧化锌避雷器的温度分布计算系统，其特征是：包括：
电场计算模块，被配置为对避雷器进行电场仿真计算，并利用仿真得到的电压电流数据计算泄漏电流发热及介质损耗发热量；
温度场计算模块，被配置为结合泄漏电流发热及介质损耗发热量，将阳光辐射与风速大小转化为相应的边界条件施加在温度场仿真模型中，进行计算，求解得到各个位置的温度分布。
7.如权利要求6所述的一种适用于氧化锌避雷器的温度分布计算系统，其特征是：所述电场计算模块包括：
第一边界条件施加模块，被配置为对避雷器的不同部位施加相应的电场边界条件；
第一赋值模块，被配置为对避雷器各部分的介电常数、电阻率进行赋值；
第一仿真计算模块，被配置为对避雷器进行电场仿真计算，并利用仿真得到的电压电流数据，计算泄漏电流发热及介质损耗发热量。
8.如权利要求6所述的一种适用于氧化锌避雷器的温度分布计算系统，其特征是：所述温度场计算模块包括：
热源构建模块，被配置为以电场计算得到的泄漏电流发热及介质损耗发热量作为热源；
第二边界条件施加模块，被配置为对避雷器的不同部位施加相应的热传导边界条件；
第二赋值模块，被配置为对避雷器各部分的导热系数及其表面的对流换热系数、辐射系数进行赋值；
第二仿真计算模块，被配置为对避雷器进行温度场仿真计算，求解得到各个位置的温度分布。
9.一种计算机可读存储介质，其特征是：其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行权利要求1-5中任一项所述的适用于氧化锌避雷器的温度分布计算方法。
10.一种避雷器故障识别方法，其特征是：利用权利要求1-5中任一项所述的适用于氧化锌避雷器的温度分布计算方法得到的温度分布，确定各部分是否发生故障。
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