[发明专利]变压器用有载分接油开关正常切换过程油流速的计算方法

摘要

一种变压器用有载分接油开关正常切换过程油流速的计算方法，将计算过程分为两个阶段，即电弧作用下气体膨胀过程中流场的油流速计算以及电弧熄灭后两相流过程中流场的油流速计算；首先，根据有载分接油开关切换电流计算电弧能量，利用电弧能量与气体产生关系，计算切换过程中的气体产生速度和气泡最终体积；其次，将气体产生速度设定为初始条件，按照有载分接油开关具体结构设定无滑移边界条件，列写流场方程进而计算油流速；然后，根据电弧发生位置和气体产生体积设定两相流的初始状态，利用水平集方法求解相界面变化并与流场基本方程耦合，形成两相流过程流场方程计算两相流过程中的油流速；本发明方法可以避免有载开关的瓦斯保护因正常切换过程中的油流涌动而误动作。

主权项

1.一种变压器用有载分接油开关正常切换过程油流速的计算方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1：根据有载分接油开关的切换电流，计算电弧电流和电弧电压，进而计算电弧能量；此处求解过程如下：其中，i为电弧电流；I_m为切换电流的幅值；ω为电流的角频率；t为电弧燃烧时间；为电弧产生时电流的相位角；u为电弧电压；E为弧柱中的电场强度；l为电弧长度；W为电弧能量。步骤2：根据电弧能量和产生气体体积的关系，计算气体产生速度和气泡最终体积；电弧能量和气体体积的关系：变压器油在电弧作用下汽化分解，气体体积与电弧能量成正比，见式(2)，V＝αW                     (2)其中，V为气体体积；W为电弧能量；α为正比例系数，取值100；气体产生速度：气泡最终体积：按式(1)代入总燃弧时间t_max计算电弧能量，然后代入式(2)得到气体最终体积V_max；步骤3：建立电弧作用下气体膨胀过程中的流场方程：在湍流k‑e方程的基础上，根据步骤2计算得到的气体产生速度设定初始条件，根据有载分接开关具体结构，将固液边界设定为无滑移边界条件；湍流k‑ε方程如下：其中，u₁为气体膨胀过程中流场的油流速；ρ为流体密度；p为压强；I为单位矩阵；μ为流体动力粘度；k为湍流动能；μ_T为表征湍流对粘度影响的参量；P_k为和湍流动能有关的参量；g为重力加速度；ε为湍流耗散率；σ_k,σ_ε,C_ε1,C_ε2,C_μ均为常系数,分别取值1,1.3,1.44,1.92,0.09；初始条件的设定：其中，u_in为入口流速；u₀为入口流速的大小，和气体产生速度的关系见式(5)；I_T为湍流强度；L_T为湍流长度；n_in为球形入口法向量；其中，v为气体产生速度；r_设为设定的球形入口半径；未提及的参量的初始条件按0计算；边界条件的设定：u_lg1·n_lg＝0                                (6)其中，n_lg为固液边界法向量式(3)‑式(6)一起构成气体膨胀过程中的流场方程；步骤4：计算电弧作用下气体膨胀过程中的流场方程，得到气体膨胀过程中流场的油流速u₁；步骤5：建立电弧熄灭后两相流过程中的流场方程：将流场基本N‑S方程和水平集方程耦合；根据步骤2得到的气泡最终体积V_max以及有载分接油开关的切换开关位置设定初始界面；根据有载分接油开关具体结构，将固液边界设定为无滑移边界条件；流场基本N‑S方程和水平集方程耦合：其中，u₂为电弧熄灭后两相流过程中流场的油流速；ρ为流体密度；ρ_diss为气体密度；ρ_c为液体密度；p为压强；I为单位矩阵；μ为流体动力粘度；k为湍流动能；μ_T为表征湍流对粘度影响的参量；P_k为和湍流动能有关的参量；g为重力加速度；ε为湍流耗散率；σ_k,σ_e,C_e1,C_e2,C_m均为常系数,分别取值1,1.3,1.44,1.92,0.09；φ为水平集函数；F_hf为和表面张力有关的体积力；σ为表面张力系数；确定初始界面：根据步骤2得到的气泡最终体积V_max确定气泡的半径r_g，见式(8)，有载分接油开关的切换开关的位置即为气泡初始位置，设定气泡表面为初始界面，即气泡表面φ＝0；边界条件设定，固液边界满足无滑移边界条件：u·n_lg＝0                                  (9)其中，n_lg为固液边界法向量；式(7)‑式(9)共同构成两相流过程的流场方程；步骤6：计算电弧熄灭后两相流过程中的流场方程，得到两相流过程中流场的油流速u₂。