一种开关柜触头温升预测方法及系统

1.本发明属于仿真技术领域，尤其涉及一种开关柜触头温升预测方法及系统。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
3.随着国民经济和社会的不断发展，人们对供电设备的可靠性提出了更高的要求。高压开关柜作为电力系统的主要电器设备，主要起到接受和分配电能的作用，其质量可靠性直接关系到主变乃至变电站的安全稳定运行。运行经验表明，10kv～35kv开关柜内部发热甚至过热现象普遍存在，特别是主进柜或在季节性用电高峰阶段。开关柜触头发热温升引起故障是开关柜内部过热故障的最主要形式之一。开关柜的梅花触头为弹性触指或外加弹簧结构，并在触指及静触头表面进行镀银处理，而由于弹性材料性能和质量的差异，加之其长期处于“热-力-电”多物理场作用下，触指或弹簧材料时常出现蠕变疲劳、性能劣化甚至断裂现象，接触紧密性难以保证；镀银层经过若干时间操作，表面磨损、氧化不可避免，接触电阻增大现象普遍存在。
4.为了保障开关柜运行的安全性及可靠性，避免过热故障，人们提出了各种各样的触头温度监控手段，比如示温腊片、红外测温、光纤测温等。但由于触头结构复杂、服役工况苛刻，上述手段一般只能测量触头外部温度，难以测量触头内部(尤其是触指与动/静触头接触区域)温度，确定发热的高温区域，开展准确的故障诊断。而通常触指与动/静触头接触区域由于为可分离接触区域，接触紧密性难以保证，加上触头镀层磨损与老化等问题，使得触指与动/静触头接触区域为接触电阻增大，成为发热故障起源位置和高温区域，准确预测触头温升、确定高温区域是确保开关柜运行安全性的重要因素之一，亦是开关柜故障诊断的重要依据。
5.为了解决开关柜运行中触头内部温度难以测量，高温区域难以确定等上述问题，有研究公开了一种基于多元线性回归模型的高压开关柜电缆触头故的障检测方法，通过分析高压开关柜触头温度数据的特征，给出待定系数的多元线性回归模型，将触点温度数据预处理后，把高压开关的a,b,c三相的触点温度数据按照一定的格式写入多元线性回归模型之中，然后建立特征工程，选取20分钟、40分钟、1小时三种区间段序列，区间内特征属性选取区段最低值、区段最高值、区段平均值以及均值次数五种属性。这种方法考虑了多个因素对温度的影响，设计了一种优化的多元线性回归模型，使预测值更加贴近真实值，适合长期的温度预测，便于高压开关柜的故障检修。
6.然而，发明人研究发现：此方法在开光柜运行过程中，无法对高压开关a,b,c,三相的触头温度进行直接测量，三相触点温度测量值与触头内部实际温度值仍然存在较大差距，无法准确测量。而且高压开关柜触头的温升往往与多种物理场因素有关，采用简单的线性回归模型预测，与高压开关柜触头升温的实际情况有较大差距，难以准确预测开关柜触头的温升情况，确定开关柜高温区域。
7.另外，有研究公开了一种基于支持向量机和遗传算法的开关柜电场预测与优化方法，包括选取影响开关柜内部电场分布的主要因素及水平，建立正交试验表，进行开关柜内部电场计算，得到触头盒表面的最大电场强度，构建训练样本，采用支持向量机回归模型建立开关柜触头盒表面最大电场强度的预测模型，选取影响因素和水平组合进行有限元电场计算，得到触头盒表面的最大电场强度，构建验证样本，对预测模型的惩罚因子和核函数参数进行优化，得到优化后的预测模型。利用遗传算法对开关柜结构进行优化设计，触头盒表面最大电场强度最小值对应的影响因素取值即为优化后的结构参数。该方法可以简单、高效、准确地对开关柜电场进行预测和结构优化。
8.然而，发明者研究发现，此方法虽然准确地建立了对开关柜触头盒表面最大电场强度的预测模型，并选取影响因素和水平组合进行有限元电场计算，但该模型的适用场景有很大的局限性，当对高压开关柜触头接触的电场进行建模计算时，由于涉及多个触头，模型较复杂，影响因素取值较多，难以通过该模型简单实现。
9.研究者们除了不断对高压开关柜触头本身温升测量与模型预测研究外，还对开关柜触头测温传感器进行了探索。
10.例如：有研究公开了一种开关柜无线测温装置，该装置包括高压侧发射系统、低压侧接收系统和基站,高压侧发射系统与低压侧接收系统通讯连接，且低压侧接收系统和基站通讯连接。
11.该开关柜无线测温装置，采用半导体ic温度传感器测温和无线传输的测温方案，此测温装置分高压侧发射系统、低压侧接收系统和基站三部分组成，高压侧发射系统主要完成高压开关柜触头温度的测量以及温度数据的无线发送，低压侧接收系统主要完成无线温度数据的接收，并通过rs-232总线，以modbus通信协议的方式将温度数据上传给基站监控。
12.然而，发明者研究发现，该装置虽然可以准确测量开关柜温升情况，但在实际操作过程中，半导体ic温度传感器的安装较为繁琐，对工作环境要求较高。


技术实现要素：

13.为克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种开关柜触头温升预测方法，通过监测触头外部温度可间接准确地获得触头内部温度数据，操作方式简便安全。
14.为实现上述目的，本发明的一个或多个实施例提供了如下技术方案：
15.第一方面，公开了一种开关柜触头温升预测方法，包括：
16.根据开关柜高压触头形状特征及相关尺寸参数，建立与实际工况相同的触头模型；
17.将触头模型导入模拟软件，利用模拟软件对触头模型进行网格划分，转换为数值分析模型；
18.根据开关柜的实际运行参数与工作环境设置合理的热-电-力边界条件，完成电参数的设置；
19.针对数值分析模型，输入触头工作电压，计算触头温度场及电场，获得触头内温度分布与电场的模拟结果；
20.建立触头表面典型位置实测温度与触头内部最高温度之间的相关性，预测工作运
行中高压开关柜触头的峰值温度。
21.进一步的技术方案，还包括：验证步骤：测量触头表面典型位置的温度特征值，将测量值与模拟结果对比分析，来验证模拟结果，从而分析开关柜触头内部的温度场与电场的实际情况。
22.进一步的技术方案，预测的工作运行中高压开关柜触头的峰值温度用于评估开关柜运行的安全性。
23.进一步的技术方案，针对数值分析模型，输入触头工作电压时，工作电压及工作电流为可控的，通过使触头处于不同的工作电压，获得不同的工作电压下的触头温度场及电场
24.进一步的技术方案，还包括设置材料热物性、热电性，通过对开关柜手车触头材料的导热系数和电阻率进行定义得到材料热物性、热电性。
25.进一步的技术方案，设置合理的热-电-力边界条件后，在通电导体一端施加设定的电流，另一端施加设定的电压，完成电参数的设置。
26.进一步的技术方案，获得触头内温度分布与电场的模拟结果后，获得触指与动/静触头接触区域温度，继而确定发热的高温区域，用于故障诊断。
27.第二方面，公开了一种开关柜触头温升预测系统，包括：
28.触头模型建立模块，用于根据开关柜高压触头形状特征及相关尺寸参数，建立与实际工况相同的触头模型；
29.数值分析模型建立模块，用于将触头模型导入模拟软件，利用模拟软件对触头模型进行网格划分，转换为数值分析模型；
30.边界条件设置模块，用于根据开关柜的实际运行参数与工作环境设置合理的热-电-力边界条件；
31.模拟模块，用于针对数值分析模型，输入触头工作电压，计算触头温度场及电场，获得触头内温度分布与电场的模拟结果；
32.预测模块，用于建立触头表面典型位置实测温度与触头内部最高温度之间的相关性，预测工作运行中高压开关柜触头的峰值温度。
33.以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：
34.本发明监测更加方便，在高压开关柜运行过程中，不直接监测触头温度的情况下，通过监测触头外部温度可间接准确地获得触头内部温度数据，操作方式简便安全。
35.本发明温升预测及高温区确定精度高，基于有限元数值模拟方法，此处可以为商用的有限元方法，比如ansys或者abaqus都能实现，综合考虑高压开关柜触头的实际工况，设置符合实际的边界条件，将模拟结果与触头表面测温结果并行耦合分析，比如触臂表面典型位置的温度测量结果为30度，相对于的预测的峰值温度为80度；而测量结果为40度，相对应的预测温度为83度；将所有的结果标定整理为数表或者对应曲线，从而得到外部典型位置温度与内部峰值温度的关系。
36.本发明根据建立的触头表面温升与触头内部的温升关系，准确预测触头接触区域与内部的温升情况，精准确定高温区域。
37.本发明成本相对传统方式更低，与传统测温方式相比，本发明对测温传感器的工况要求低，温度传感器不需直接接触高温区域，因此可以采用普通热电偶进行采集温度数
据，节省成本。
38.本发明的操作方法简单、成本低、具有普适性，易于规模化生产。
39.本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
40.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
41.图1为基于热电建模进行开关柜温升预测与故障诊断的流程图。
42.图2为开关柜触头几何模型，包括触头盒后母排1、静触头2、梅花触头触指3、动触臂2。
43.图3为开关柜触头网格模型。
44.图4为开关柜触头模型边界条件。
45.图5为开光柜触头内部温度场。
具体实施方式
46.应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
47.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发明的示例性实施方式。
48.在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
49.实施例一
50.正如前文所述，目前开光柜触头温度监测存在难以测量触瓣与触臂接触部位高温的问题。为此，本实施例公开了一种开关柜触头温升预测方法，通过模拟图，可以直接提触瓣与触瓣接触点的网格和节点编号，应用节点编号，后处理提取相应的温度数据。
51.本发明根据实际工况建立相应的数值模型，并进行标定，相当于进行数字孪生实现开关柜触头内部温度的预测；另外，本发明根据模型预测的结果与触臂外部典型位置(位于非与触瓣接触的高温区域)的温度标定关系，并建立相应的对应数表，从而实现测量触臂外部低温区，获得触臂与触瓣接触高温区，实现峰值温度和温升的预测。
52.参见图1，本发明实现开关柜触头温升预测方法的具体步骤如下：
53.步骤一，根据具体高压触头形状特征及相关尺寸参数，建立准确的触头cad模型；
54.步骤二，根据实际分析需要，将触头cad模型导入计算机模拟软件，进行合理的网格划分，转换为cae模型；
55.步骤三，根据高压开关柜的实际运行参数与工作环境设置合理的热-电-力边界条件；
56.此处需要结合实际的运行参数设置，比如电流大小、电压大小，环境温度等等。
57.步骤四，基于有限元数值分析方法，输入工作电压，计算触头温度场及电场，获得触头内温度分布与电场的模拟结果；
58.步骤五，测量触头表面a，b，c三处典型位置的温度特征值，将测量值与模拟值对比分析，验证模拟计算结果的准确性，系统分析开关柜触头内部的温度场与电场的实际情况；
59.步骤六，建立触头表面典型位置实测温度与触头内部最高温度之间的相关性，准确预测工作运行中高压开关柜触头的峰值温度，评估开关柜运行的安全性。
60.此处峰值温度与测量点的温度具有对应关系，但不满足单纯线性或者曲线关系，与具体的服役工况有关。
61.本发明通过热电耦合模型与触臂外部裸露在触瓣接触区域之外的典型位置的实测温度，实现触头触瓣与触臂接触点处最高温度的测量，能够有效预测开关柜运行过程中的最高温度，有利于提高开光柜运行安全性。
62.下面结合具体的实施例，对本发明做进一步的详细说明，应该指出，所述具体实施例是对本发明的解释而不是限定。
63.正如前文所述，10kv～35kv开关柜内部发热甚至过热现象普遍存在，特别是主进柜或在季节性用电高峰阶段。由于触头结构复杂、服役工况苛刻，传统手段一般只能测量触头外部温度，难以测量触头内部(尤其是触指与动/静触头接触区域)温度，确定发热的高温区域，开展准确的故障诊断为了解决开关柜运行中触头内部温度难以测量，高温区域难以确定等上述问题，本发明提出了一种基于有限元的高压开关柜触头热-电耦合温升仿真模型，通过与开关柜触头典型位置测温结果耦合分析，准确预测。
64.在一些实例中，触头的材料可以为不同材料，如镀银铜、镀金铜。开关柜触头所通电流可以改变，如1000a、1250a，开关柜触头所加电压可以改变，如12kv，10kv，开关柜触头尺寸可以不同，开关柜触头弹簧形状、尺寸及弹簧所产生的预紧力可以不同。
65.参考图2，示例一种基于有限元开关柜触头温升预测、高温区确定及故障诊断方法模拟装配图，包括：动触臂1、梅花触头2、静触头3、触头盒后母排4。
66.所模拟的触头材料为t2紫铜合金，表面采用镀银处理，其中梅花触头触片整体尺寸为场60mm，最宽处为20mm，厚3mm，静触头尺寸为直径49mm，长82mm，一次触臂尺寸为直径50mm，长155mm，在此模型中将弹簧简化处理，弹簧预紧力作用通过梅花触头与动触臂、静触臂的接触面积体现。实际的模拟方法包括如下步骤：
67.根据高压触头形状特征及相关尺寸参数，建立准确的触头cad模型，并根据开关柜触头实际工作过程的位置，将各个触头部件进行合理装配，使其与实际工况相同。
68.根据实际分析需要，将装配好的cad模型导入计算机模拟软件，进行合理的网格划分，转换为cae模型。有限元仿真过程中，选择合适的网格剖分不但可以提高计算的精度而且可以使仿真计算的时间恰当，而不适宜的网格剖分则会使计算结果出现比较大的误差，甚至造成计算过程不收敛，无法得到所需要的仿真结果；而如果网格剖分过细密，会大大增加仿真计算的时间，而且对计算机的性能提出更高的要求，因此，对梅花触头这一复杂部位进行局部网格细化，其中，网格数共73350个，节点数共131980个。如图3所示为模型网格。
69.设置材料热物性、热电性，采用ansys workbench软件对开关柜手车触头材料的导热系数和电阻率进行定义。模型中的材料采用ansys workbench材料库中的铜，其导热系数401w/m
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℃，电阻率随时间变化呈线性变化。
70.根据高压开关柜的实际运行参数与工作环境设置合理的热-电-力边界条件，在通电导体一端施加1250a的电流，另一端施加12kv电压，完成电参数的设置。对于通电导体的
热仿真参数部分，考虑到导体与周围环境的热对流和辐射作用，其中表面对流换热系数取5w/(m2
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℃)，辐射系数为0.78。初始温度与环境温度均为22℃。导体回路设置的边界条件如图4所示。
71.基于有限元数值分析方法，输入工作电压，计算触头温度场及电场，获得触头内温度分布与电场的模拟结果。触指电流密度分布。计算结果中，电流密度在触指端部处出现明显收缩，最大电流密度达到3.5264
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106a/m2，远大于触片边缘的1117.4a/m2。在稳态1250a工况下，导体的温度分布如图5所示。最低温出现在触头盒后母排，为65.99℃。有接触电阻存在的梅花触头及其附近区域的温度相对较高，这是因为触头部分附近的电接触发热，电接触是重要热源。梅花触头的温度分布，最高温度为94.434℃，出现在触指与动触臂接触的位置，最低温度为93.181℃，出现在触片本体上。总体来说，由于铜良好的导热性，梅花触头上温度差异不大。由结果可以看出，静触头侧触指端部温度略低于动触臂侧触指端部温度，梅花触头两侧触指温度略高于触片本体，这主要是由于动触臂侧触指处电流流动的等效截面略小于静触头侧。
72.测量触头表面a,b,c三处典型位置的温度特征值，将测量值与模拟值对比分析，验证模拟计算结果，系统分析开关柜触头内部的温度场与电场的实际情况。
73.建立触头表面典型位置实测温度与触头内部最高温度之间的相关性，准确预测工作运行中，高压开关柜触头的峰值温度，评估开关柜运行的安全性。
74.实施例二
75.本实施例的目的是提供一种计算装置,包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述方法的步骤。
76.实施例三
77.本实施例的目的是提供一种计算机可读存储介质。
78.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时执行上述方法的步骤。
79.实施例四
80.本实施例的目的是提供一种开关柜触头温升预测系统，包括：
81.触头模型建立模块，用于根据开关柜高压触头形状特征及相关尺寸参数，建立与实际工况相同的触头模型；
82.数值分析模型建立模块，用于将触头模型导入模拟软件，利用模拟软件对触头模型进行网格划分，转换为数值分析模型；
83.边界条件设置模块，用于根据开关柜的实际运行参数与工作环境设置合理的热-电-力边界条件；
84.模拟模块，用于针对数值分析模型，输入触头工作电压，计算触头温度场及电场，获得触头内温度分布与电场的模拟结果；
85.预测模块，用于建立触头表面典型位置实测温度与触头内部最高温度之间的相关性，预测工作运行中高压开关柜触头的峰值温度。
86.本发明通过上述方案监测更加方便，在高压开关柜运行过程中，不直接监测触头温度的情况下，通过监测触头外部温度可间接准确地获得触头内部温度数据，操作方式简便安全。
87.本发明通过建立开关柜触头热电耦合多物理场模型，并结合触臂处实测温度，获得触头内部温度场，从而确定接触处最高温度，温升预测及高温区确定精度高，基于有限元数值模拟方法，综合考虑高压开关柜触头的实际工况，设置符合实际的边界条件，将模拟结果与触头表面测温结果并行耦合分析，根据建立的触头表面温升与触头内部的温升关系，准确预测触头接触区域与内部的温升情况，精准确定高温区域。
88.本发明本相对传统方式更低，与传统测温方式相比，本发明对测温传感器的工况要求低，温度传感器不需直接接触高温区域，因此可以采用普通热电偶进行采集温度数据，节省成本。
89.以上实施例二、三和四的装置中涉及的各步骤与方法实施例一相对应，具体实施方式可参见实施例一的相关说明部分。术语“计算机可读存储介质”应该理解为包括一个或多个指令集的单个介质或多个介质；还应当被理解为包括任何介质，所述任何介质能够存储、编码或承载用于由处理器执行的指令集并使处理器执行本发明中的任一方法。
90.本领域技术人员应该明白，上述本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算机装置来实现，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。本发明不限制于任何特定的硬件和软件的结合。
91.上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明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发明的保护范围以内。