[发明专利]基于电磁-温湿度耦合的三维开关柜温湿度分布计算方法

摘要

本发明公开了一种基于电磁‑温湿度耦合的三维开关柜温湿度分布计算方法，包括三维计算模型的建立、电磁‑温度场耦合和温度‑湿度场耦合。(1)三维计算模型的建立步骤包括采用简化的开关柜结构，运用结构化网格剖分形式，提高计算的准确度和效率；(2)计算中考虑电磁‑温度场耦合过程，准确剖析了引起开关柜内部温度场变化的原因，采用导体中流过大电流的方式计算焦耳热引起的开关柜内部温度分布，与实际开关柜运行工况一致；(3)计算中考虑温度‑湿度场耦合过程，在计算温度分布时，同时考虑了湿空气扩散的影响；在湿度计算时，同时考虑了温度分布不均匀带来的影响。本发明计算结果可实时呈现开关柜内部温湿度分布，可为开关柜的优化设计提供指导。

主权项

1.基于电磁‑温湿度耦合的三维开关柜温湿度分布计算方法，其特征在于，包括三维计算模型的建立、电磁‑温度场耦合和温度‑湿度场耦合：其中，三维计算模型的建立，包括以下步骤：(1)该三维计算模型考虑母线、穿墙套管、断路器、触头盒和电缆；(2)在计算之前，对三维计算模型的网格进行剖分；电磁‑温度场耦合，包括以下步骤：(1)当开关柜内母线流过大电流时，金属导体上产生焦耳热，这些热量来自于涡流损耗，开关柜内部的热量通过柜体表面的自然对流换热及热辐射两种方式将热量散发到周围环境，引起开关柜内环境温度的升高，开关柜内部温度分布与热量之间的关系为：式(1)中，ρ为材料的密度；λ为材料的导热系数；c为材料的比热容；Q为材料的体积生热率；(2)开关柜内部的热量传递过程包括母线和穿墙套管、触头盒、电缆之间的热传导，母线和空气之间的对流换热以及热辐射，开关柜外壳与周围空气之间的对流换热和热辐射，热量传递过程采用式(2)来表示：q＝kε(T‑Tab)+εσ(T4‑Tab4)  (2)式(2)中，q为传递的热量；kε为对流换热系数；T为材料表面的温度；Tab为环境温度；ε为固体表面的热发生率；σ为玻尔兹曼常数，σ＝1.38×10‑23J/K；温度‑湿度场耦合，包括以下步骤：(1)开关柜内部母线、断路器、穿墙套管、触头盒、电缆吸湿后，膨胀变形较小，湿空气在开关柜内部的扩散过程满足Fick扩散定律，如下：式(3)中，C为含湿量，D为湿扩散系数；(2)由于开关柜内温湿度场同时存在，在计算温度和湿度分布时，考虑温度场和湿度场之间的相互影响；在计算湿度场之前，首先获取开关柜内部的温度场分布，进而获取材料的传湿特性参数，然后进行湿度场的计算，反过来，开关柜内部的湿度场分布也会影响材料的传热特性参数，温湿度的耦合计算可由式(3)来表示：式(4)和(5)中，khh为导热系数；khm为温度场中的湿耦合系数；Dmm为湿度场中的湿扩散系数；Dmh为湿度场中的热耦合系数；采用伽辽金算法对上述方程进行求解。