[发明专利]一种基于改进无网格法的换流变电-热耦合场计算方法

权利要求书

1.一种基于改进无网格法的换流变电-热耦合场计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

101、确定特高压换流变压器计算模型结构尺寸以及绝缘油、绝缘纸板材料属性，并根据换流变压器承受交流和直流复合作用运行工况，确定其电场、温度场耦合特性，建立特高压电-热耦合场计算模型；

102、设置换流变压器计算初始时整个模型的电场、温度的初始值，采用改进无网格法对电场和温度场分别进行求解，改进无网格法在计算中调整靠近边界的节点局部子域大小，避免与全局边界相交，在边界节点处采用配点法进行计算；

103、根据几何坐标查找温度场局部子域高斯积分点在电场计算模型中的局部子域，并且根据该电场计算模型中的局部子域内节点数目插值获得热载荷值，采用查找局部子域高斯积分点法的方式更新电场材料属性，实现电-热耦合迭代计算；

104、重复步骤101-103，获取换流变关键绝缘部件的电-热场分布规律；

所述步骤102采用改进无网格法对电场和温度场分别进行求解，求解的场和温度场控制方程如下：

电场控制方程：考虑换流变内部存在交直流复合运行工况，其电场控制方程如下：

其中γ为电导率，ε为相对介电常数；x，y，z分别表示计算区域坐标；

温度场控制方程：稳态时换流变内部热传导控制方程为：

式中，λ为热导率，W/(m·K)；T为介质温度，℃；Q_v为单位体积产热率，W/m³；

其中，温度场计算所需Q_v通过下式计算得到

式中，σ表示电导率，S/m，J为包括源电流密度及涡流电流密度的总电流密度，A/m²；

所述步骤102采用改进无网格法对电场和温度场分别进行求解，求解的电场边界条件和温度场边界条件为：

电场边界条件：在考虑换流变绝缘部件电-热耦合效应时，需要考虑阀侧绕组存在直流情况，在计算时在阀侧绕组及静电环部分别加载高电压,在网侧绕组及与其相连的静电环加地电位，其具体数学表达式分别为：

此外，在构建换流变电-热耦合模型时需要考虑绝缘油和绝缘纸电导率与温度的数学关系，其表达式如(5)所示，

γ＝κ₀exp(-F/k.T) (5)

其中k₀和F为相关系数，均根据绝缘油和绝缘纸在不同温度下的电导率变化规律拟合得到；

温度场边界：油纸表面通过自然对流向外界散热，其边界条件表示为：

式中，h为表面对流换热系数，W/(m²·K)；T_f为发热体表面温度，℃；T_amb为环境温度，℃；

而换流变绝缘部件其他边界设置为热绝缘，如公式(7)所示，

2.根据权利要求1所述的基于改进无网格法的换流变电-热耦合场计算方法，其特征在于，所述步骤103具体包括步骤：设置温度初始值，根据温度初始值计算材料电导率，在计算温度场热载荷时根据节点局部子域中高斯积分点的坐标位置，查找其在电场计算模型中所处节点的局部子域，根据该节点局部子域大小搜索周围节点数目，采用无网格法中RPIMp形函数的配点法插值得到热载荷值，同样采用基于RPIMp形函数的配点法查找电场计算模型中节点材料属性在温度场中的映射点，并根据所映射的局部子域内节点个数插值求得电场电导率更新参数，计算电场分布，判断相邻两次计算结果差值是否满足计算误差要求，若不满足，则进入下一次迭代，直至相邻两次迭代计算结果差值满足控制精度要求。

3.根据权利要求2所述的基于改进无网格法的换流变电-热耦合场计算方法，其特征在于，所述改进无网格方法计算电场和温度场时，包括以下步骤：

计算换流变电场，得到其电场分布，根据换流变温度场计算模型；再根据几何坐标查找各个局部子域内高斯积分点在电场模型中所属的局部子域，采用RPIMp形函数计算其电场分布，并根据损耗计算公式，计算其单位体积内的热量q；

根据得到的热量q，结合温度场控制方程和边界条件，采用改进无网格方法计算其温度分布，计算电场模型中各节点的温度t，然后按照电导率与温度的关系，更新材料属性。