【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于电力系统电力设备短路故障，具体涉及一种特高压换流变压器内部电弧故障油流流速仿真方法。
技术介绍
1、在特高压直流输电系统工程中，换流变压器作为构成直流输电回路的关键主设备，发挥着连接交直流系统、提供短路阻抗以及为换流阀供给所需电压等重要作用。作为换流站内绝缘等级要求最高、制造工艺最复杂的单体设备，换流变压器的运行安全性在很大程度上决定了整个换流站的运行安全和直流工程的运行可靠性。随着我国直流输电技术的不断发展、输电等级和输送容量的不断提升，应用的换流变压器容量已从向家坝-上海特高压直流示范工程的321mva提升至现在的510mva甚至更高，对换流变压器及其相关部件的设计、制造以及运行都提出了更为严峻的挑战。
2、换流变压器内部发生短路故障时，巨大的短路电流流过绕组，导致绕组剧烈震动、绝缘破坏，在换流变内部电弧故障的起始阶段，电弧周围的绝缘油由于电弧的极高温度而瞬间汽化，形成的瓦斯气泡逐渐包裹住电弧，故瓦斯气泡内部的压强与气体外部流场的压强相互博弈，即在宏观上表现为以气泡的形式发生膨胀和收缩等运动。瓦斯气泡动态增长挤压周围绝缘油造成换流变内部压力升高以及油流涌动，该故障超压对换流变油箱带来很大的破坏，极易损坏薄弱部件，如果其不能及时释放，就会在极短的时间内形成超过油箱承受力的静压，从而导致爆炸事故发生。随着在运换流变数量的增多，由于内部短路故障引发的换流变爆炸事故已经屡见不鲜，严重威胁电网稳定运行以及人民生命安全。然而，由于长期以来认识的不足以及仿真方法的缺陷，现有的理论方法难以准确的描述油中电弧的气泡动
技术实现思路
1、为克服现有技术中的问题，本专利技术的目的在于，提供一种特高压换流变压器内部电弧故障油流流速仿真方法，通过对气泡-流体耦合边界条件设定，采用有限体积法对特高压换流变压器故障状态下油流流速进行计算，并在此基础上得到换流变压器油流流速时空分布情况，能够准确的描述油中电弧的气泡动力学行为、油流流速变化特征。
2、为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：
3、一种特高压换流变压器内部电弧故障油流流速仿真方法，包括以下步骤：
4、步骤1，获取特高压换流变压器的运行参数、结构数据与材料数据；
5、步骤2，根据步骤1中的特高压换流变压器的运行参数、结构数据与材料数据，建立特高压换流变压器仿真模型；
6、步骤3，对特高压换流变压器仿真模型中的流体区域进行四面体网格划分；
7、步骤4，针对网格划分后的流体域设置动网格、边界条件和求解控制器参数；根据瓦斯气泡边界运动速度，对气泡-流体耦合边界条件设定；采用有限体积法，根据特高压换流变压器在发生内部电弧故障时的电弧能量，在每个时间步内迭代计算电弧故障下特高压换流变压器油箱内部油流流速。
8、进一步的，运行参数包括：额定容量、额定电压与额定频率；
9、结构数据包括：油箱长度、油箱宽度、油箱高度、油枕半径、油枕长度与油箱壁厚；
10、材料数据包括：流体材料密度、体积模量与粘度系数。
11、进一步的，动网格通过下式设置：
12、
13、式中，ρ是流体密度；г是扩散系数；a是面积矢量；sφ表示源项；φ为边界为的移动控制体v上的标量；u为流体速度矢量；ug为网格移动速度。
14、进一步的，特高压换流变压器在发生内部电弧故障时的电弧能量通过下式计算：
15、
16、式中，warc为电弧能量；t0是故障起始时刻；t是时间；uarc是电弧电压；iarc是电弧电流。
17、进一步的，电弧电压通过下式计算：
18、uarc＝e·larc
19、式中，e为弧柱电场强度，larc为电弧长度。
20、进一步的，瓦斯气泡边界运动速度通过下式计算：
21、
22、式中：r、和分别是瓦斯气泡半径、瓦斯气泡边界运动速度与加速度；rd是气泡到边界的距离；pd是流体边界压强；μ是绝缘油动态粘度系数；σoil是绝缘油表面张力系数。
23、进一步的，气泡内压pb通过下式计算：
24、
25、式中，γ是瓦斯气体比热比；vb是瓦斯气泡体积。
26、进一步的，瓦斯气泡内能ub通过下式计算：
27、ub＝q-wb+u0
28、式中，q是注入瓦斯气泡的能量；wb是气泡膨胀对外做功；u0是气泡初始内能。
29、进一步的，采用有限体积法，根据特高压换流变压器在发生内部电弧故障时的电弧能量，在每个时间步内迭代计算电弧故障下特高压换流变压器油箱内部油流流速，从而得到油流流速分布，包括以下步骤：
30、利用有限体积法对navier-stokes方程进行数值求解，得到换流变压器发生电弧故障期间绝缘油运动情况；
31、根据换流变压器发生电弧故障期间绝缘油运动情况，使用k-ε湍流模型计算故障期间换流变油箱内部油流流速。
32、进一步的，navier-stokes方程为：
33、
34、式中，f为质量力；p为压力；ν为流体运动粘性系数；
35、k-ε湍流模型为：
36、
37、式中，k是湍流动能，ui为流体速度矢量u的第i个分量；xi和xj为空间坐标；ε是湍流耗散率；μt为湍流动态粘度；gb和gk分别表示由浮力和平均速度梯度产生的湍流动能；ym表示可压缩湍流中波动膨胀对总耗散率的贡献；sk和sε为第一、第二源项；c1ε，c2ε和c3ε为第一、第二、第三常数；σk和σε是第一、第二湍流普朗特数。
38、与现有技术相比，本专利技术具有的有益效果在于：
39、本专利技术考虑故障瓦斯气泡动态行为，实现了在电弧能量持续注入下瓦斯气泡的能量计算以及在球坐标系，有限域内的气泡运动计算，实现特高压换流变内部故障下油流流速的准确计算。本专利技术中考虑换流变压器发生内部电弧故障时的电弧能量，能够有效且真实的反映出换流变压器油流流速时空分布，准确性高，实现在不同故障情况下油流流速。基于有限体积法进行数值计算求解，即使网格数量较大也能保证求解速度，且并行效率高。综合考虑流场边界条件，更加真实的模拟出实际换流变压器在发生内部电弧故障的情况。
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1.一种特高压换流变压器内部电弧故障油流流速仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的特高压换流变压器内部电弧故障油流流速仿真方法，其特征在于，运行参数包括：额定容量、额定电压与额定频率；
3.根据权利要求1所述的特高压换流变压器内部电弧故障油流流速仿真方法，其特征在于，动网格通过下式设置：
4.根据权利要求1所述的特高压换流变压器内部电弧故障油流流速仿真方法，其特征在于，特高压换流变压器在发生内部电弧故障时的电弧能量通过下式计算：
5.根据权利要求3所述的特高压换流变压器内部电弧故障油流流速仿真方法，其特征在于，电弧电压通过下式计算：
6.根据权利要求1所述的特高压换流变压器内部电弧故障油流流速仿真方法，其特征在于，瓦斯气泡边界运动速度通过下式计算：
7.根据权利要求6所述的特高压换流变压器内部电弧故障油流流速仿真方法，其特征在于，气泡内压Pb通过下式计算：
8.根据权利要求7所述的特高压换流变压器内部电弧故障油流流速仿真方法，其特征在于，瓦斯气泡内能Ub通过下式计算：>
9.根据权利要求1所述的特高压换流变压器内部电弧故障油流流速仿真方法，其特征在于，采用有限体积法，根据特高压换流变压器在发生内部电弧故障时的电弧能量，在每个时间步内迭代计算电弧故障下特高压换流变压器油箱内部油流流速，从而得到油流流速分布，包括以下步骤：
10.根据权利要求9所述的特高压换流变压器内部电弧故障油流流速仿真方法，其特征在于，Navier-Stokes方程为：
...【技术特征摘要】
1.一种特高压换流变压器内部电弧故障油流流速仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的特高压换流变压器内部电弧故障油流流速仿真方法，其特征在于，运行参数包括：额定容量、额定电压与额定频率；
3.根据权利要求1所述的特高压换流变压器内部电弧故障油流流速仿真方法，其特征在于，动网格通过下式设置：
4.根据权利要求1所述的特高压换流变压器内部电弧故障油流流速仿真方法，其特征在于，特高压换流变压器在发生内部电弧故障时的电弧能量通过下式计算：
5.根据权利要求3所述的特高压换流变压器内部电弧故障油流流速仿真方法，其特征在于，电弧电压通过下式计算：
6.根据权利要求1所述的特高压换流变压器内部电弧故障油流流速仿真方法，...
【专利技术属性】
技术研发人员：闫晨光，刘振峰，杨弘熙，郭家旭，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：
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