一种变压器油中电弧放电压力仿真建模方法与流程

1.本发明属于变压器技术领域，尤其是涉及一种变压器油中电弧放电压力仿真建模方法。


背景技术：

2.变压器是电网中至关重要的设备，变压器一旦故障，容易导致变压器的油箱的爆裂和起火，在损坏变压器的同时可引起邻近的变压器或其它电气设备损坏，对变电站造成严重的破坏，影响到电网的安全稳定运行，大型油浸变压器在工作过程中遇到绝缘故障时，两绕组之间极易产生局部放电、电弧放电等故障，这些故障会使得变压器内部局部高温，油液被快速分解并产生大量的可燃性瓦斯气体，导致变压器内部的压力骤增，进而引发变压器爆炸和燃烧的安全问题，在多物理场耦合作用下的绝缘油中放电电弧的关键特征提取、立体空间建模和微观时空行为特性研究均具有较大局限性，短时间尺度下电弧放电演化受空间电磁场、空间流场、温度场耦合极端强场作用的规律，特别是电弧演化机制与温度、压强的对应关系还鲜有研究。
3.本行业技术人员基于上述问题设计了变压器绝缘油中电弧放电模拟、测量方法及系统，如专利为cn114371375a的中国发明“一种换流变压器绝缘油中电弧放电模拟、测量方法及系统”包括以下步骤：搭建换流变压器绝缘油中电弧放电实验平台，获取油箱内的参数指标变化；根据所获取的参数指标变化和预设的换流变压器等效模型，模拟变压器绝缘油中电弧放电实验；基于所模拟的变压器绝缘油中电弧放电实验，进行多工况下电弧燃烧过程的多维度、多尺度测量，搭建电弧放电实验平台，优化设计油箱结构，实现了箱内温度和压力变化的实时监测；在现有的光-电测量系统的基础上，提出一种针对电弧燃烧过程的多维度、多尺度测量方法，充分观测换流变压器爆炸前绝缘油中电弧放电演化的，改善同步测量技术，为重构空间电磁场、空间流场、电弧温度等三维空间模型、分析电弧放电的时域演变特性提供数据基础，为了之后对于防爆装置设置提供有力的数据支持。
4.该方案主要通过所搭建的实验平台进行电弧放电对油箱形变与箱内压力分布的影响，通过数据采集模块记录实验所需数据，为后期对于前沿防爆装置的设计提供有力数据支撑。但该方案需要搭建实验平台进行有效的模拟实验，在搭建实验平台时，容易产生实验误差，受人为以及实验器材因素影响较大，而且实验平台搭建步骤繁琐，实验数据收集分析需要多维度复杂操作，容易导致后期防爆阈值设置不正确，产生安全事故的危害。


技术实现要素：

5.针对现有技术的缺陷，本发明所要解决的技术问题就是提供一种变压器油中电弧放电压力仿真建模方法，可以快速准确的获得油箱内压力场分布结果。
6.为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
7.一种变压器油中电弧放电压力仿真建模方法，所述方法包括如下步骤：
8.步骤s1：采集变压器油箱尺寸，根据变压器油箱尺寸进行油箱的三维建模并进行
网格划分；
9.步骤s2：选择流体力学计算模型；
10.步骤s3：以电弧能量曲线为输入量，输入流体力学计算模型；
11.步骤s4：通过传质模型仿真模拟电弧作用下变压器油气化分解过程；
12.步骤s5：通过油箱材质设置相应的流固耦合算法，计算油箱壁面所受冲击产生的形变以及油箱内压力场分布结果。
13.本技术方案中，通过建模软件对油箱进行1:1还原建模，并进行网格划分，可以方便后期对油箱进行有限元分析，再通过电弧放电压力产生原理选择相应的流体力学计算模型与介质模型，通过模型选择可以计算出相应电弧曲线下的油箱形变程度以及压力分布结果，整个过程在计算机上都可以得到相应的操作，不需要搭建实验平台，仅通过传质模型的运用，有效的仿真模拟电弧放电压力的产生，并通过计算模型可以得出油箱的有限元分析数据，故数据的产出高效而准确，因而可以快速准确的获得油箱内压力场分布结果。
14.本发明还进一步设置为：所述流体力学计算模型为vof计算模型。在vof模型中，流体共享一组动力学方程，并在整个计算域中跟踪每个计算单元中每种流体的体积分数vof在数值模拟中保证质量守恒，通过每种流体的体积分数来对两种或更多种不混溶流体进行建模，典型的应用包括射流破碎的预测、液体中大气泡的运动、溃坝后液体的运动以及任何液-气界面的稳态或瞬态跟踪，所以采用该模型可以计算出更加准确的油箱数据。
15.本发明还进一步设置为：所述传质模型为气化—蒸发模型。电弧放电压力的产生原理是电弧放电会使得变压器内部局部高温，油液被快速分解并产生大量的可燃性瓦斯气体，导致变压器内部的压力骤增，所以采用气化—蒸发模型能够更加精确的研究压力变化。
16.本发明还进一步设置为：电弧能量输入曲线的计算公式为：
17.w＝∫u(t)i(t)dt，其中u(t)为电弧电压，i(t)为电弧电流，其中u(t)为电弧电压，i(t)为电弧电流。通过积分曲线可以得到某一时段下相应电压、电流的电弧能量，对于后期对油箱进行有限元分析提供数据支撑。
18.本发明还进一步设置为：所述油箱材质为201不锈钢。201不锈钢具有一定的耐酸、耐腐蚀性、密度高、抛光无气孔、无针孔等优点，故采用201不锈钢来制作油箱安全性更高。
19.本发明还进一步设置为：通过电弧能量转化效率的数据分析选择传质模型，所述电弧能量转化效率为电弧能量转化成冲击波机械能的效率。通过对电弧能量转化效率进一步限定，可以通过计算得到准确的转化效率值，为后期进行仿真模拟实验提供数据支撑。
20.本发明还进一步设置为：所述冲击波机械能包括电弧导致油受热气化与分解产生的内能和化学能以及电弧膨胀导致油径向运动的机械能。通过对冲击波机械能的细化，可以有效计算出油箱中气-液转化效率以及分析电弧能量转化比。
21.本发明还进一步设置为：油箱壁面设有所受冲击产生的形变阈值，根据该阈值评估变压器油中电弧放电压力对油箱安全性的影响。从而可以评估油箱的安全性。
22.本发明的具体技术方案及其带来的有益效果将会在下面的具体实施方式中结合附图中予以详细的揭露。
附图说明
23.下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述：
24.图1为本发明一种变压器油中电弧放电压力仿真建模方法的流程图。
具体实施方式
25.下面结合本发明实施例的附图对本发明实施例的技术方案进行解释和说明，但下述实施例仅为本发明的优选实施例，并非全部。基于实施方式中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得其他实施例，都属于本发明的保护范围。
26.本领域技术人员可以理解的是，在不冲突的情况下，下述的实施例及实施方式中的特征可以相互组合。
27.实施例一：
28.如图1所示，本发明公开了一种变压器油中电弧放电压力仿真建模方法，包括如下步骤：
29.步骤s1：采集变压器油箱尺寸，根据采集尺寸进行油箱的三维建模并进行网格划分；
30.步骤s2：通过变压器油中电弧放电压力产生原理选择相应的流体力学计算模型；
31.步骤s3：通过以电弧能量曲线为输入量，将数据输入计算模型；
32.步骤s4：通过电弧能量转化效率的数据分析，选择相应的传质模型，仿真模拟电弧作用下变压器油气化分解过程；
33.步骤s5：通过油箱材质设置相应的流固耦合算法，计算油箱壁面所受冲击产生的形变以及油箱内压力场分布结果。
34.本实施例的采用的建模数据分为：1、工厂提供的油箱尺寸；2、利用红外测距仪器等测量仪器来测量实际油箱长、宽、高、厚度并记录下来的数据。建模采用solidworks、ug等三维建模软件来进行，建模过程需要参考实际模型尺寸并进行1:1还原建模，通过使用仿真软件对三维模型进行网格划分，网格数量根据油箱材料属性进行设置，本方案油箱材料选用201不锈钢，201不锈钢具有一定的耐酸、耐腐蚀性、密度高、抛光无气孔、无针孔等优点，故采用201不锈钢来制作油箱安全性更高。
35.进一步的，由于电弧放电压力的产生原理为：电弧放电会使得变压器内部局部高温，油液被快速分解并产生大量的可燃性瓦斯气体，导致变压器内部的压力骤增。通过这个原理的应用，所以实施例采用vof流体力学计算模型，vof流体计算模型是流体共享一组动力学方程，并在整个计算域中跟踪每个计算单元中每种流体的体积分数vof在数值模拟中保证质量守恒，通过每种流体的体积分数来对两种或更多种不混溶流体进行建模，典型的应用包括射流破碎的预测、液体中大气泡的运动、溃坝后液体的运动以及任何液-气界面的稳态或瞬态跟踪，所以采用该模型可以计算出更加准确的油箱数据。
36.进一步的，通过以电弧能量曲线为输入量，将数据输入计算模型，所述电弧能量输入曲线的计算公式为：w＝∫u(t)i(t)dt，其中u(t)为电弧电压，i(t)为电弧电流；利用曲线公式可以得到某一时段下相应电压、电流的电弧能量，方便后期对油箱进行有限元分析。
37.进一步的，通过该计算公式进行两种工况数据下的仿真实验：采用升压法加压，分别施加交流、直流和不同比例的交直流叠加电压，以恒定速度升压直至击穿；其中交流电压和直流电压采用直接升压击穿的方式，升压速度2kv/s(有效值)，交直流叠加电压则采用预加电压方式进行，预加直流电压1min后以恒定速度升高交流电压直至击穿。通过电弧能量
计算公式得到相应击穿电压时的电弧能能量值，将该能量值输入流体力学计算模型中，方便进行对比分析。
38.进一步的，采用直流极性反转方案，标准是参考iec61378标准制定的，但各单位采用的极性反转时间也存在不同，我国目前的标准规定对换流变压器进行极性反转实验时电压波形，首先在1min内将电压加到负向峰值并保持90min，然后在1min内将外加电压由负向峰值转变为幅值相同的正向峰值并保持90min，之后再将电压转变为负向峰值并保持45min，最后在1min内将电压降到0v。规定，在任意10min内大于2000pc的局部脉冲不超过10个。通过该方案可以得到电极反转瞬间所产生电弧的能量数据，将该数据输入vof计算模型中，可以得到相应工况下的油箱压力数据。
39.进一步的，通过电弧能量转化效率的数据分析，选择相应的传质模型，仿真模拟电弧作用下变压器油气化分解过程，所述传质模型为气化—蒸发模型。由于电弧产生之后会产生大量能量，该能量会转化为油箱内部的冲击波机械能，其中冲击波机械能分为电弧导致油受热气化与分解产生的内能和化学能以及电弧膨胀导致油径向运动的机械能，通过电弧能量的转化可以使得油箱内油体分解为油气，所以采用气化—蒸发模型为传质模型来仿真模拟电弧作用下变压器油气化分解过程。
40.进一步的，油箱材质设置相应的流固耦合算法，故算法采用boundary-conforming法，该方法隶属于传统连续介质为基础的计算流体力学，例如传统的非结构化网格。这种方法可以精准描述边界面，边界面作为一种特殊的边界，网格剖分时采用delaunay算法，或者更进一步，约束delaunay算法，对其进行全域剖分，该方案可以实现流程化的数值仿真。
41.进一步的，通过电弧能量曲线的输入以及介质模型的使用，从而使用计算模型对该条件下油箱壁面所受冲击产生的形变以及油箱内压力场分布结果，在通过油箱壁面设有所受冲击产生的形变以及油箱内压力阈值，可以通过实验数据与压力阈值进行对比，从而可以评估油箱的安全性。
42.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，熟悉该本领域的技术人员应该明白本发明包括但不限于附图和上面具体实施方式中描述的内容。任何不偏离本发明的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。

技术特征：
1.一种变压器油中电弧放电压力仿真建模方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤s1：采集变压器油箱尺寸，根据变压器油箱尺寸进行油箱的三维建模并进行网格划分；步骤s2：选择流体力学计算模型；步骤s3：以电弧能量曲线为输入量，输入流体力学计算模型；步骤s4：通过传质模型仿真模拟电弧作用下变压器油气化分解过程；步骤s5：通过油箱材质设置相应的流固耦合算法，计算油箱壁面所受冲击产生的形变以及油箱内压力场分布结果。2.根据权利要求1所述的一种变压器油中电弧放电压力仿真建模方法，其特征在于，所述流体力学计算模型为vof计算模型。3.根据权利要求1所述的一种变压器油中电弧放电压力仿真建模方法，其特征在于，所述传质模型为气化—蒸发模型。4.根据权利要求1所述的一种变压器油中电弧放电压力仿真建模方法，其特征在于，电弧能量输入曲线的计算公式为：w＝∫u(t)i(t)dt，其中u(t)为电弧电压，i(t)为电弧电流。5.根据权利要求1所述的一种变压器油中电弧放电压力仿真建模方法，其特征在于，所述油箱材质为201不锈钢。6.根据权利要求1所述的一种变压器油中电弧放电压力仿真建模方法，其特征在于，通过电弧能量转化效率的数据分析选择传质模型，所述电弧能量转化效率为电弧能量转化成冲击波机械能的效率。7.根据权利要求6所述的一种变压器油中电弧放电压力仿真建模方法，其特征在于，所述冲击波机械能包括电弧导致油受热气化与分解产生的内能和化学能以及电弧膨胀导致油径向运动的机械能。8.根据权利要求1所述的一种变压器油中电弧放电压力仿真建模方法，其特征在于，油箱壁面设有所受冲击产生的形变阈值，根据该阈值评估变压器油中电弧放电压力对油箱安全性的影响。

技术总结
本发明公开了一种变压器油中电弧放电压力仿真建模方法，包括如下步骤：步骤S1：采集变压器油箱尺寸，根据变压器油箱尺寸进行油箱的三维建模并进行网格划分；步骤S2：选择流体力学计算模型；步骤S3：以电弧能量曲线为输入量，输入流体力学计算模型；步骤S4：通过传质模型仿真模拟电弧作用下变压器油气化分解过程；步骤S5：通过油箱材质设置相应的流固耦合算法，计算油箱壁面所受冲击产生的形变以及油箱内压力场分布结果。本发明通过仿真建模，可以快速准确的获得油箱内压力场分布结果。速准确的获得油箱内压力场分布结果。速准确的获得油箱内压力场分布结果。


技术研发人员：倪钱杭 许海峰 谢栋 余杰 周冬冬 何强 杨智 陈天恒 段成 李丰 周戴明 任佳 赵天剑 王志亮 徐龙 刘永新 从前乐 倪利 邓蔚 陈泽文
受保护的技术使用者：国网浙江省电力有限公司绍兴供电公司
技术研发日：2023.05.11
技术公布日：2023/9/12