换流变有载分接开关切换芯子磁-热耦合计算方法及系统与流程

1.本发明涉及换流变压器有载分接开关领域，尤其是涉及一种换流变有载分接开关切换芯子磁-热耦合计算方法及系统。


背景技术：

2.换流变是高电压直流输电技术中最主要的一次电力设备，主要作用是提供特殊要求的电源，其主要参数由直流系统的特殊要求以及所联结的交流系统参数而确定。在整流站，用换流变压器将交流系统和直流系统隔离，通过换流装置将交流网路的电能转换为高压直流电能，送到高压直流输电线路；在逆变站，通过换流装置将直流电能转换为交流电能，再通过换流变压器转换为正常交流正弦电压，送到交流电网；从而实现交流输电网路与高压直流输电线路的联络。
3.换流变压器有载分接开关动作频率高、动作时序复杂与快速，导致有载分接开关设计与制造加工精度高、装配精度远高于一般的电气设备。
4.现有中一般采用电流产生的焦耳热直接施加于分接开关的油室进行温升计算，因分接开关采用大量的铸铝机构件，实际运行中存在触头电流导致的涡流附加损耗，当前的单一场的计算方法无法准确计算该涡流附加损耗引起的附加温升，限制了分接开关的可靠设计，因此需要对此进行改进。


技术实现要素：

5.为了提高对有载分接开关各部件的磁热耦合检测精度，本技术提供一种换流变有载分接开关切换芯子磁-热耦合计算方法及系统。
6.第一方面，本技术提供一种换流变有载分接开关切换芯子磁-热耦合计算方法，采用如下的技术方案：一种换流变有载分接开关切换芯子磁-热耦合计算方法，包括以下步骤：获取有载分接开关各个部件的尺寸信息，并获取有载分接开关各个部件对应的磁导率；基于所获取的尺寸信息和磁导率建立有载分接开关的三维模型；基于所述三维模型确定有载分接开关磁-热耦合分析的线性方程组，并从线性方程组确定有载分接开关各个部件的磁-热耦合分布。
7.通过采用上述技术方案，有载分接开关由各部分零部件组成，获取组成有载分接开关各部分零件尺寸和磁导率等数据，根据所获取的数据建立关于有载分接开关的三维模型，采用三维模型中的相关数据得出有载分接开关的磁-热耦合分析的线性方程组，可确定有载分接开关磁热分布用于换流变有载分接开关的产品设计与运行中异常过热分析，从而判断换流变有载分接开关过热集中区域和热老化薄弱点，便于对有载分接开关各零部件的设计做出优化，以提高有载分接开关的质量；同时，该方法计算精度高，耦合性能好，以及求解效率高，提高对有载分接开关各部件的磁热耦合检测精度。
8.可选的，所述线性方程组通过以下方法计算：对所述三维模型进行自适应网格剖分，以获取有载分接开关磁-热耦合分析的节点数n和单元数m；根据所述节点数n和单元数m确定所述线性方程组：；其中，表示磁分析的系数矩阵，包含n*n个元素，中每个元素用表示；h表示温度分布的系数矩阵，包含n*n个元素，h为中每个元素用表示；表示磁分析的已知向量，大小为n，中每个元素用表示；表示温度分布的已知向量，大小为n，中每个元素用表示；表示磁分析的未知向量，大小为n，中每个元素用表示；表示温度分布的未知向量，大小为n，k中每个元素用表示；、、和通过以下方法计算：；；；；其中，表示数组b中行描述的空间区域，表示数组a中行数据建立的形状函数，表示数组a中行数据建立的形状函数，表示有载分接开关的磁边界条件，表示有载分接开关热边界条件通过采用上述技术方案，对有载分接开关的三维模型进行自适应网格剖分，以得到有载分接开关磁-热耦合分析的节点数n和单元数m，节点数n表示该模型运用了n个三维空间点描述有载分接开关磁-热耦合分析的三维图形模型，单元数m表示该模型运用了m个三维四面体单元描述有载分接开关磁-热耦合分析的三维图形模型，分别用数组a和数组b存储节点和单元基本信息，数组a的每一行包含一个节点编号和该点相对有载分接开关主轴底部的坐标值，数组b的每一行包含一个三维四面体单元编号和4个不同节点编号来描述部分有载分接开关磁-热耦合分析的三维图形模型，数组b中所有单元构成整个有载分接开关磁-热耦合分析的三维图形模型；将n和m代入到公式中进行求解，便可以得到线性方程组。
9.可选的，所述线性方程组中的未知向量通过以下方法计算：根据所述节点初始向量c0和h0，
将磁分析的系数矩阵d分解成m、b和n三个矩阵，通过以下方法分解：如果i=j，则=，否则=0；如果i》j，则=，否则=0；如果i《j，则=，否则=0；其中，i为自然数，且0《i《n；j为自然数，且0《j《n；将温度分布的系数矩阵h分解成s、v和q三个矩阵，通过以下方法分解：如果i=j，则=，否则=0；如果i》j，则=，否则=0；如果i《j，则=，否则=0；其中，i为自然数，且0《i《n；j为自然数，且0《j《n；得到从、、、、和，计算和的公式：（1-1）（1-2）=（1-3）=
‑‑
（1-4）其中，w为自然数，且0《12000，重复迭代计算上述（1-1）-（1-4）的公式，直到且。
10.通过采用上述技术方案，将磁分析的系数矩阵和温度分布的系数矩阵分别分解成三个矩阵，将分解得到的、、、、和代入到公式中，通过数字迭代方法计算出和，从而得出有载分接开关磁热分析的未知向量。
11.可选的，所述方法还包括：通过以下公式计算有载分接开关三维模型中任一点的电场信息：；其中，表示有载分接开关磁-热耦合分析中的某一点电位，表示空间中j单元的体积,m为三维图形模型中的剖分的单元数，和是根据所述数组a中i行和j行数据建立的形状函数；
根据所述电场信息生成有载分接开关的电场云图。
12.通过采用上述技术方案，根据有载分接开关磁-热耦合分析的未知向量的解，对应于有载分接开关磁-热耦合分析的三维图形模型中的剖分的节点n和单元数m,有载分接开关磁-热耦合分析的三维图形模型中任意一点电场分布可通过上述计算公式获得，并将值绘制成空间等位云图。
13.第二方面，本技术提供一种换流变有载分接开关切换芯子磁-热耦合计算系统，采用如下的技术方案：所述系统包括参数获取模块、三维建模模块和磁-热耦合分布计算模块：所述参数获取模块用于获取有载分接开关各个部件的尺寸信息，并获取有载分接开关各个部件对应的磁导率；所述三维建模模块与参数获取模块连接，用于接收所述尺寸信息和磁导率，基于所述尺寸信息和磁导率建立有载分接开关的三维模型；所述磁-热耦合分布计算模块与三维建模模块连接，用于接收所述三维模型，基于所述三维模型确定有载分接开关磁-热耦合分析的线性方程组，并从所述线性方程组确定有载分接开关各个部件的磁-热耦合分布。
14.通过采用上述技术方案，有载分接开关由各部分零部件组成，获取组成有载分接开关各部分零件尺寸和磁导率等数据，根据所获取的数据建立关于有载分接开关的三维模型，采用三维模型中的相关数据得出有载分接开关的磁-热耦合分析的线性方程组，可确定有载分接开关磁热分布用于换流变有载分接开关的产品设计与运行中异常过热分析，从而判断换流变有载分接开关过热集中区域和热老化薄弱点，便于对有载分接开关各零部件的设计做出优化，以提高有载分接开关的质量；同时，该方法计算精度高，耦合性能好，以及求解效率高，提高对有载分接开关各部件的磁热耦合检测精度。
15.第三方面，本技术提供一种换流变有载分接开关切换芯子磁-热耦合计算系统，采用如下的技术方案：一种应用上述任一所述的一种换流变有载分接开关切换芯子磁-热耦合计算方法，该方法用于
±
500kv直流输电工程整流侧或者逆变侧换流变有载分接开关磁热分析确定。
16.可选的，该方法用于
±
800kv直流输电工程整流侧或者逆变侧换流变有载分接开关磁热分析确定。
17.第四方面，本技术提供一种计算机设备，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上述任一项所述一种换流变有载分接开关切换芯子磁-热耦合计算方法的步骤。
18.第五方面，本技术提供一种计算机可读存储介质，存储有能够被处理器加载并执行上述任一种所述方法的计算机程序。
19.综上所述，本技术具有以下有益效果：通过有载分接开关的磁-热耦合分析，有载分接开关由各部分零部件组成，获取组成有载分接开关各部分零件尺寸和磁导率等数据，根据所获取的数据建立关于有载分接开关的三维模型，采用三维模型中的相关数据得出有载分接开关的磁-热耦合分析的线性方程组，可确定有载分接开关磁热分布用于换流变有载分接开关的产品设计与运行中异常过
热分析，从而判断换流变有载分接开关过热集中区域和热老化薄弱点，便于对有载分接开关各零部件的设计做出优化，以提高有载分接开关的质量；同时，该方法计算精度高，耦合性能好，以及求解效率高，提高对有载分接开关各部件的磁热耦合检测精度。
附图说明
20.图1是本技术其中一实施例中换流变压器有载分接开关切换芯子磁-热耦合计算方法的原理图；图2是本技术其中一实施例中换流变压器有载分接开关的整体结构示意图；图3是本技术其中一实施例中换流变压器有载分接开关的三维模型自适应网格剖分示意图；图4是本技术其中一实施例中换流变压器有载分接开关的温度场分布示意图；图5是本技术其中一实施例中单侧、双侧和中性点触头的温度场分布示意图；图6是本技术其中一实施例中换流变压器有载分接开关切换芯子磁-热耦合计算系统的框图。
具体实施方式
21.以下结合附图1-6对本技术作进一步详细说明。
22.本技术实施例公开一种换流变有载分接开关切换芯子磁-热耦合计算方法，参见图1，该方法包括以下步骤：s1、获取有载分接开关各个部件的尺寸信息，并获取有载分接开关各个部件对应的磁导率。
23.在本实施例中，各个部件是指构成有载分接开关的各个零部件；磁导率是指各个零部件磁介质磁性的物理量。
24.具体地，有载分接开关模型参数的获取工具，包括测量有载分接开关几何模型尺寸的长卷尺和各部件相对介电常数的测量仪。有载分接开关几何模型尺寸包含以下方面：测量有载分接开关绝缘筒的长、宽和高；测量单侧触头的长、宽和高；测量双侧触头的长、宽和高；测量中性点触头的长、宽和高；测量真空灭弧室的直径和高度；测量绝缘支架的长、宽和高；测量隔离刀闸的内径、外径和高度。
25.换流变有载分接开关各部件的磁导率，包括有载分接开关绝缘筒的磁导率，单侧触头、双侧触头、中性点触头和绝缘支架的磁导率，以及真空灭弧室的磁导率。
26.其中测量换流变压器有载分接开关几何模型尺寸的长卷尺、各部件相对介电常数的测量仪为市售产品。方法步骤如下：换流变压器有载分接开关模型参数的获取：通过长卷尺测量换流变有载分接开关尺寸如表1:表1：换流变几何模型尺寸
通过磁导率测量仪测量有载分接开关各部件磁导率如表2：表2：换流变各部件磁导率测量部位相对介电常数绝缘筒/绝缘支架/单侧触头、双侧触头、中性点触头2.5真空灭弧室2s2、基于所获取的尺寸信息和磁导率建立有载分接开关的三维模型。
27.在本实施例中，有载分接开关的三维模型包括各零部件组成的单元模块以及有载分接开关整体的三维模型。
28.参见图2，具体地，使用现有的三维建模软件，在本实施例中，通过三维建模软件绘制换流变压器的有载分接开关磁-热耦合分析的三维图形模型，输入所获取的有载分接开关的尺寸信息和磁导率，建立关于有载分接开关的三维模型。
29.换流变铁芯的三维图形绘制包括根据有载分接开关绝缘筒的长、宽和高绘制绝缘筒的三维图形。换流变绕组的三维图形绘制包括根据测量单侧触头的长、宽和高绘制单侧触头的三维图形；根据测量双侧触头的长、宽和高绘制双侧触头的三维图形；根据测量中性点触头的长、宽和高绘制中性点触头的三维图形。换流变铁芯的三维图形绘制包括根据有载分接开关真空灭弧室的直径和高度绘制真空灭弧室的三维图形。换流变铁芯的三维图形绘制包括根据有载分接开关测量隔离刀闸的内径、外径和高度绘制隔离刀闸的三维图形。
30.s3、基于三维模型确定有载分接开关磁-热耦合分析的线性方程组，并从线性方程组确定有载分接开关各个部件的磁-热耦合分布。
31.在本实施中，磁-热耦合分析是指有载分接开关的各零部件在组装状态下以及运动状态下的具体磁热分布情况。
32.具体地，参照图3，使用三维建模软件的分解功能对有载分接开关的三维模型进行自适应网格剖分，得到有载分接开关磁-热耦合分析的节点数n和单元数m，节点数n表示该模型运用了n个三维空间点描述有载分接开关磁-热耦合分析的三维图形模型，单元数m表示该模型运用了m个三维四面体单元描述有载分接开关磁-热耦合分析的三维图形模型，分别用数组a和数组b存储节点和单元基本信息，数组a的每一行包含一个节点编号和该点相对有载分接开关主轴底部的坐标值，数组b的每一行包含一个三维四面体单元编号和4个不同节点编号来描述部分有载分接开关磁-热耦合分析的三维图形模型，数组b中所有单元构成整个有载分接开关磁-热耦合分析的三维图形模型。
33.根据节点数n和单元数m确定线性方程组：；其中，表示磁分析的系数矩阵，包含n*n个元素，中每个元素用表示；h表示温度分布的系数矩阵，包含n*n个元素，h为中每个元素用表示；表示磁分析的已知向量，大小为n，中每个元素用表示；表示温度分布的已知向量，大小为n，中每个元素用表示；表示磁分析的未知向量，大小为n，中每个元素用表示；表示温度分布的未知向量，大小为n，k中每个元素用表示；、、和通过以下方法计算：；；；；其中，表示数组b中行描述的空间区域，表示数组a中行数据建立的形状函数，表示数组a中行数据建立的形状函数，表示有载分接开关的磁边界条件，表示有载分接开关热边界条件。
34.进一步地，线性方程组中的未知向量通过以下方法计算：根据节点初始向量c0和h0，初始向量c0和h0如下：将磁分析的系数矩阵d分解成m、b和n三个矩阵，通过以下方法分解：
如果i=j，则=，否则=0；如果i》j，则=，否则=0；如果i《j，则=，否则=0；其中，i为自然数，且0《i《n；j为自然数，且0《j《n；将温度分布的系数矩阵h分解成s、v和q三个矩阵，通过以下方法分解：如果i=j，则=，否则=0；如果i》j，则=，否则=0；如果i《j，则=，否则=0；其中，i为自然数，且0《i《n；j为自然数，且0《j《n；得到从、、、、和，计算和的公式：（1-1）（1-2）=（1-3）=
‑‑
（1-4）其中，w为自然数，且0《12000，重复迭代计算上述（1-1）-（1-4）的公式，直到且。
35.进一步地，参照图4，根据有载分接开关磁-热耦合分析的未知向量的解对应于有载分接开关磁-热耦合分析的三维模型中的剖分的节点n和单元数m。通过以下公式计算有载分接开关三维模型中任一点的电场信息：；其中，表示有载分接开关磁-热耦合分析中的某一点电位，表示空间中j单元的体积,m为三维图形模型中的剖分的单元数，和是根据数组a中i行和j行数据建立的形状函数；根据电场信息生成有载分接开关的电场云图。并绘制成空间等位云图，如图5，具体包括单侧触头、双侧触头和中性点触头。
36.举例说明，在本实施例中，对有载分接开关进行自适应网格剖分之后，得到换流变有载分接开关电场分析的节点数246782和单元数1345231，并形成节点和单元基本信息数值a和b（其中矩阵中的m表示的因数值太多，无法一一列举的省略符号）；
对应的，便可以得到线性方程组为：对应的，便可以得到线性方程组为：根据有载分接开关磁-热耦合分析的线性方程组，依据如下流程与步骤求解未知向量：向量：本技术实施例还公开一种换流变有载分接开关切换芯子磁-热耦合计算系统，参照图6，该系统包括参数获取模块、三维建模模块和磁-热耦合分布计算模块：参数获取模块用于获取有载分接开关各个部件的尺寸信息，并获取有载分接开关各个部件对应的磁导率；三维建模模块与参数获取模块连接，用于接收尺寸信息和磁导率，基于尺寸信息和磁导率建立有载分接开关的三维模型；磁-热耦合分布计算模块与三维建模模块连接，用于接收三维模型，基于三维模型确定有载分接开关磁-热耦合分析的线性方程组，并从线性方程组确定有载分接开关各个部件的磁-热耦合分布。
37.进一步地，另一实施例中，磁-热耦合分布计算模块包括磁温向量计算单元，对三维模型进行自适应网格剖分以获取有载分接开关磁-热耦合分析的节点数n和单元数m；根据节点数n和单元数m确定线性方程组：；其中，表示磁分析的系数矩阵，包含n*n个元素，中每个元素用表示；h表示温度分布的系数矩阵，包含n*n个元素，h为中每个元素用表示；表示磁分析的已知向量，大小为n，中每个元素用表示；表示温度分布的已知向量，大小为n，中每个元素用表示；表示磁分析的未知向量，大小为n，中每个元素用表示；表示温度分布的未知向量，大小为n，k中每个元素用表
示；、、和通过以下方法计算：；；；；其中，表示数组b中行描述的空间区域，表示数组a中行数据建立的形状函数，表示数组a中行数据建立的形状函数，表示有载分接开关的磁边界条件，表示有载分接开关热边界条件。
38.进一步地，另一实施例中，磁-热耦合分布计算模块包括未知向量计算单元，通过以下方法计算：根据节点初始向量c0和h0，初始向量c0和h0如下：将磁分析的系数矩阵d分解成m、b和n三个矩阵，通过以下方法分解：如果i=j，则=，否则=0；如果i》j，则=，否则=0；如果i《j，则=，否则=0；其中，i为自然数，且0《i《n；j为自然数，且0《j《n；将温度分布的系数矩阵h分解成s、v和q三个矩阵，通过以下方法分解：如果i=j，则=，否则=0；如果i》j，则=，否则=0；如果i《j，则=，否则=0；其中，i为自然数，且0《i《n；j为自然数，且0《j《n；得到从、、、、和，计算和的公式：
（1-1）（1-2）=（1-3）=
‑‑
（1-4）其中，w为自然数，且0《12000，重复迭代计算上述（1-1）-（1-4）的公式，直到且。
39.进一步地，另一实施例中，该系统还包括：等位云图生成模块，通过以下公式计算有载分接开关三维模型中任一点的电场信息：通过以下公式计算有载分接开关三维模型中任一点的电场信息：；其中，表示有载分接开关磁-热耦合分析中的某一点电位，表示空间中j单元的体积,m为三维图形模型中的剖分的单元数，和是根据数组a中i行和j行数据建立的形状函数；根据电场信息生成有载分接开关的电场云图。
40.本技术实施例还公开了一种计算机设备，该计算机设备可以是服务器。该计算机设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器、网络接口和数据库。该计算机程序被处理器执行时以实现一种换流变有载分接开关切换芯子磁-热耦合计算方法，该方法包括以下步骤：s1、获取有载分接开关各个部件的尺寸信息，并获取有载分接开关各个部件对应的磁导率；s2、基于所获取的尺寸信息和磁导率建立有载分接开关的三维模型；s3、基于三维模型确定有载分接开关磁-热耦合分析的线性方程组，并从线性方程组确定有载分接开关各个部件的磁-热耦合分布。
41.本技术实施例还公开一种计算机可读存储介质。在一个实施例中，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：s1、获取有载分接开关各个部件的尺寸信息，并获取有载分接开关各个部件对应的磁导率；s2、基于所获取的尺寸信息和磁导率建立有载分接开关的三维模型；s3、基于三维模型确定有载分接开关磁-热耦合分析的线性方程组，并从线性方程组确定有载分接开关各个部件的磁-热耦合分布。
42.本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。
43.以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。