本發(fā)明涉及判別瓦斯繼電器誤動技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于CFD的瓦斯繼電器動作時整定值的確定方法。

背景技術(shù)：

在電力系統(tǒng)中，由于變壓器具有電壓變換、電流變換、阻抗變換、隔離和穩(wěn)壓等的功能，因而變壓器是一種常用的電力設(shè)備。由于環(huán)境及電壓等的作用使得變壓器損壞，損壞的變壓器又會對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定造成影響，因而需要對變壓器進(jìn)行保護(hù)。

目前，常用的變壓器保護(hù)裝置為瓦斯繼電器。瓦斯繼電器又稱氣體繼電器，安裝在變壓器的儲油柜和油箱之間的管道內(nèi)。當(dāng)變壓器內(nèi)部發(fā)生故障時，故障會使管道內(nèi)的油分解產(chǎn)生氣體或造成油流涌動，使得瓦斯繼電器發(fā)生接點動作，接通制定的控制回路，并及時發(fā)出信號警告或啟動保護(hù)元件自動切除變壓器，進(jìn)而使得變壓器得以保護(hù)。在瓦斯繼電器保護(hù)變壓器的過程中，若瓦斯繼電器發(fā)生誤動，則瓦斯繼電器會發(fā)出一系列的保護(hù)動作，使得原本正常運行的變壓器中斷，影響電力系統(tǒng)的正常運行，因此，瓦斯繼電器是否發(fā)生誤動將影響電力系統(tǒng)的正常運行。

由于實際應(yīng)用中瓦斯繼電器安裝在變壓器的儲油柜和油箱之間的管道中，且瓦斯繼電器內(nèi)部空間有限，因此在實際應(yīng)用中無法分析瓦斯繼電器的動作。目前，瓦斯繼電器誤動的研究一般采用試驗法模擬瓦斯繼電器的工作狀態(tài)，進(jìn)而測定瓦斯繼電器的動作情況。試驗臺由油泵、流量計、瓦斯繼電器卡裝位、電源等部分組成，在試驗中，油泵的轉(zhuǎn)速控制油流的速度，瓦斯繼電器的擋板受到油流沖擊壓力而形成的轉(zhuǎn)動力矩，從而帶動擋板轉(zhuǎn)動，致使瓦斯繼電器發(fā)生動作。一般的，油流速度達(dá)到1.0-1.3m/s時，瓦斯繼電器的擋板發(fā)生轉(zhuǎn)動，此時的油流速度為瓦斯繼電器的整定值，之后流速的增加已不對瓦斯繼電器動作產(chǎn)生影響。由于瓦斯繼電器在出廠時都會有一個整定值，在投入使用前要在試驗臺上測定真實的整定值和廠家所給的整定值是否一致，不一致時就需要重新測定整定值，因而需要對油流速度到達(dá)整定值的時間進(jìn)行分析，進(jìn)而判定瓦斯繼電器是否發(fā)生誤動。然而從實際生產(chǎn)中瓦斯繼電器保護(hù)動作后的故障記錄可知，流速的增加從零到整定值一般為50-150ms，時間非常短，而且試驗中瓦斯繼電器內(nèi)部的流場、各部件的壓力無法直接觀測，因此，在現(xiàn)有技術(shù)下，無法模擬瓦斯繼電器的上述變化過程，進(jìn)而不能反映實際情況下的油流暫態(tài)變化情況，進(jìn)而也就無法判別瓦斯繼電器在暫態(tài)流速下是否發(fā)生誤動。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種基于CFD(Computational Fluid Dynamics，計算流體動力學(xué))的瓦斯繼電器動作時整定值的確定方法，以解決實際應(yīng)用中無法監(jiān)測瓦斯繼電器動作使得整定值的問題。

本發(fā)明提供一種基于CFD的瓦斯繼電器動作時整定值的確定方法，所述方法包括：

建立瓦斯繼電器實體參數(shù)物理模型；

簡化所述物理模型內(nèi)部對內(nèi)部流場影響較小的部件，得到簡化模型；

對所述簡化模型進(jìn)行CFD數(shù)值分析，得到簡化模型的誤動參數(shù)；

根據(jù)所述簡化模型的誤動參數(shù)確定瓦斯繼電器中油流速從0增加到整定值之間的時間。

優(yōu)選地，簡化所述物理模型內(nèi)部對內(nèi)部流場影響較小的部件，得到簡化模型包括：

根據(jù)所述物理模型通過布爾運算得到所述物理模型的；

根據(jù)所述內(nèi)部流場將所述物理模型內(nèi)部對內(nèi)部流場影響較小的部件去除，得到簡化模型。

優(yōu)選地，對所述簡化模型進(jìn)行CFD數(shù)值分析，得到簡化模型的誤動參數(shù)包括：

對所述簡化模型進(jìn)行包括收斂因子的初始設(shè)置；

根據(jù)所述初始設(shè)置通過k-epsilion計算模型進(jìn)行迭代計算；

判斷相鄰兩次的計算值之差小于所述收斂因子；

若相鄰兩次的計算值之差小于所述收斂因子，則得到油流在所述簡化模型內(nèi)部流場內(nèi)的壓力分布和速度分布；

若相鄰兩次的計算值之差大于或等于所述收斂因子，則繼續(xù)進(jìn)行迭代計算；

計算所述擋板發(fā)生轉(zhuǎn)動時的轉(zhuǎn)矩。

優(yōu)選地，對所述簡化模型進(jìn)行包括收斂因子的初始設(shè)置包括：

根據(jù)所述簡化模型確定控制方程、邊界條件和變壓器油物理性質(zhì)，所述邊界條件包括流動進(jìn)口邊界、流動出口邊界、給定壓力邊界和壁面邊界；

對所述簡化模型的內(nèi)部流場進(jìn)行初始化，設(shè)定收斂因子；

對所述簡化模型的流場進(jìn)行網(wǎng)格劃分；

在所述簡化模型的擋板運動范圍內(nèi)對所述網(wǎng)格進(jìn)行加密。

優(yōu)選地，所述邊界條件為：入口設(shè)置為流動進(jìn)口邊界條件，初始壓強(qiáng)取試驗臺充滿油的微正壓環(huán)境540帕斯卡；流動出口邊界條件定義為outflow，其他邊界條件均定義為壁面。

本發(fā)明的實施例提供的技術(shù)方案可以包括以下有益效果：

本發(fā)明提供一種基于CFD的瓦斯繼電器動作時整定值的確定方法，所述方法包括：建立瓦斯繼電器實體參數(shù)物理模型；簡化所述物理模型內(nèi)部對內(nèi)部流場影響較小的部件，得到簡化模型；對所述簡化模型進(jìn)行CFD數(shù)值分析，得到簡化模型的誤動參數(shù)；根據(jù)所述簡化模型的誤動參數(shù)確定瓦斯繼電器中油流速從0增加到整定值之間的時間。本發(fā)明提供的基于CFD的瓦斯繼電器動作時整定值的確定方法通過對瓦斯繼電器建立物理模型，并對簡化后的物理模型進(jìn)行初始設(shè)置，根據(jù)初始設(shè)置計算得到油流在簡化模型內(nèi)部流場內(nèi)的壓力分布和速度分布，從而分析油流涌動下的物理模型的流速變化規(guī)律，得到發(fā)生故障后瓦斯繼電器動作流速從0到1.3米/秒的暫態(tài)內(nèi)瓦斯繼電器動作的時間，進(jìn)而通過與試驗臺設(shè)定值比較分析瓦斯繼電器誤動的原因。本發(fā)明提供的基于CFD的瓦斯繼電器動作時整定值的確定方法能夠?qū)崟r監(jiān)測瓦斯繼電器的內(nèi)部流場數(shù)據(jù)，操作性強(qiáng)，能夠與實際工況擬合度很高，且能夠減少人力物力成本，進(jìn)而降低實驗開支。

應(yīng)當(dāng)理解的是，以上的一般描述和后文的細(xì)節(jié)描述僅是示例性和解釋性的，并不能限制本發(fā)明。

附圖說明

此處的附圖被并入說明書中并構(gòu)成本說明書的一部分，示出了符合本發(fā)明的實施例，并與說明書一起用于解釋本發(fā)明的原理。

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員而言，在不付出創(chuàng)造性勞動性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明實施例提供的基于CFD的瓦斯繼電器動作時整定值的確定方法流程圖；

圖2為本發(fā)明實施例提供的擋板式QJ-80型瓦斯繼電器的三維模型示意圖；

圖3為本發(fā)明實施例提供的擋板式QJ-80型瓦斯繼電器擋板的力矩與時間關(guān)系圖；

圖4為本發(fā)明實施例提供的擋板式QJ-80型瓦斯繼電器擋板開啟狀態(tài)與時間的關(guān)系圖。

具體實施方式

這里將詳細(xì)地對示例性實施例進(jìn)行說明，其示例表示在附圖中。下面的描述涉及附圖時，除非另有表示，不同附圖中的相同數(shù)字表示相同或相似的要素。以下示例性實施例中所描述的實施方式并不代表與本發(fā)明相一致的所有實施方式。相反，它們僅是與如所附權(quán)利要求書中所詳述的、本發(fā)明的一些方面相一致的裝置和方法的例子。

請參考附圖1，附圖1示出了本發(fā)明實施例提供的基于CFD的瓦斯繼電器動作時整定值的確定方法流程圖，下述具體實施例的描述均以附圖1為基礎(chǔ)。

CFD技術(shù)是一門用數(shù)值計算方法直接求解流動主控方程以發(fā)現(xiàn)各種流動現(xiàn)象規(guī)律的科學(xué)，具有投資小成本低、研究周期短和精度易于提高等特點，不僅可以減少人力物力，縮短工作周期，而且還有可重復(fù)性強(qiáng)，可操作性強(qiáng)的特點，因而將CFD技術(shù)應(yīng)用于瓦斯繼電器的動作模擬分析能夠避免因試驗臺數(shù)據(jù)延遲而造成的錯誤分析。

本發(fā)明實施例提供的基于CFD的瓦斯繼電器動作時整定值的確定方法包括：

S01：建立瓦斯繼電器實體參數(shù)物理模型；

測量瓦斯繼電器的實體數(shù)據(jù)，使用ProE軟件根據(jù)瓦斯繼電器的實體物理參數(shù)建立1:1的三維模型。

S0 2：簡化所述物理模型內(nèi)部對內(nèi)部流場影響較小的部件，得到簡化模型；

由于瓦斯繼電器的內(nèi)部存在很多對流場影響較小的部件，如細(xì)小的螺栓、墊片等微小部件，由于這些細(xì)小部件處于流場的壁面位置，且不會隨著流場的變化而改變位置，細(xì)小部件刪減后不會對后續(xù)的動作模擬產(chǎn)生影響。因此，為簡便網(wǎng)格劃分和便于計算，需要對影響較小的部件進(jìn)行簡化，以提高網(wǎng)格質(zhì)量。在對影響較小部件進(jìn)行簡化時，需要通過布爾運算計算出物理模型的內(nèi)部流場，進(jìn)而根據(jù)內(nèi)部流場將影響較小的部件刪除，得到簡化模型。

S03：對所述簡化模型進(jìn)行CFD數(shù)值分析，得到簡化模型的誤動參數(shù)；

簡化模型的CFD數(shù)值分析需要根據(jù)簡化模型選擇合適的控制方程、邊界條件和變壓器油物理性質(zhì)，并對簡化模型的內(nèi)部流場進(jìn)行初始化，設(shè)定收斂因子以及對簡化模型的流場進(jìn)行網(wǎng)格劃分，進(jìn)而得到簡化模型的誤動參數(shù)。

具體的，控制方程可選自質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程或能量守恒方程等流體力學(xué)方程。若流動包含有不同成分的混合或相互作用系統(tǒng)，則選取的方程還要遵守組份守恒方程；若流動處于湍流狀態(tài)，則選取的方程還要遵守附加的湍流輸運方程。

邊界條件表示在求解域的邊界上所求解的變量或其一階導(dǎo)數(shù)隨時間變化的規(guī)律。只有給定了合理的邊界條件，才可能得到合理的誤動參數(shù)。一般的，邊界條件包括流動進(jìn)口邊界、流動出口邊界、給定壓力邊界和壁面邊界。優(yōu)選地，邊界條件選取入口設(shè)置為流動進(jìn)口邊界條件，初始壓強(qiáng)取試驗臺充滿油的微正壓環(huán)境540帕斯卡；流動出口邊界條件定義為outflow，其他邊界條件均定義為壁面。

變壓器油物理性質(zhì)包括運動粘度、密度、傾點、閃點等，變壓器油物理性質(zhì)也可以在設(shè)置流體性質(zhì)時設(shè)置。如瓦斯繼電器中的流油可以選擇25號變壓器油，也可以選擇10號變壓器油，其中，10號變壓器油主要用于330kV以下的變壓器及類似要求的電器設(shè)備，10號變壓器油技術(shù)指標(biāo)為：運動粘度(40℃)13mm²/s、傾點為-10℃、閉口時的閃點為140℃。

在fluent軟件中選擇Solve/initialize命令，則fluent軟件將自動對流場初始化；設(shè)定流場計算收斂時的收斂因子，一般的，收斂因子默認(rèn)為1e^-6。

由于油流涌動引起繼電器擋板動作使得瓦斯繼電器報警，因此需要對擋板周圍的網(wǎng)格進(jìn)行局部加密，以增加計算的精度。在對網(wǎng)格進(jìn)行局部加密時，通過CFD中的ICEM模塊采用三維六面體網(wǎng)格對簡化模型的整個流場進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并在擋板的運動范圍內(nèi)，對網(wǎng)格進(jìn)行局部加密，進(jìn)而增加計算的精度。

采用k-epsilion計算模型對上述設(shè)置的各項簡化模型的誤動參數(shù)進(jìn)行迭代計算。判斷相鄰兩次的計算值之差是否小于收斂因子，若相鄰兩次的計算值之差小于收斂因子，則得到油流在簡化模型內(nèi)部流場內(nèi)的壓力分布和速度分布；若相鄰兩次的計算值之差大于或等于收斂因子，則繼續(xù)進(jìn)行迭代計算，直至相鄰兩次的計算值之差小于收斂因子。

將擋板和彈簧組成測力系統(tǒng)，便能夠得到擋板發(fā)生轉(zhuǎn)動時的力的大小，進(jìn)而根據(jù)W＝F×L×sinα即可計算得到擋板發(fā)生轉(zhuǎn)動時的轉(zhuǎn)矩，其中，W為轉(zhuǎn)矩，F(xiàn)為擋板發(fā)生轉(zhuǎn)動時的力的大小，L為力臂長度，α為F與L的夾角。

S04：根據(jù)所述簡化模型的誤動參數(shù)確定瓦斯繼電器中油流速從0增加到整定值之間的時間。

瓦斯繼電器在出廠時都會配置整定參數(shù)，進(jìn)而便于試驗臺對瓦斯繼電器的檢測。在試驗臺中，瓦斯繼電器入口管道處油流的平均流速在指定時間內(nèi)從0增加到整定值的過程中，瓦斯繼電器擋板轉(zhuǎn)動與不同的流速、加速時間均存在一定的關(guān)系，因而通過簡化模型參數(shù)能夠確定瓦斯繼電器中油流速從0增加到整定值1.3m/s之間的時間，進(jìn)而通過對比模擬出的簡化模型所測量的實驗值與出廠時的試驗臺整定參數(shù)，找到瓦斯繼電器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)對瓦斯繼電器動作的影響因素，從而找到瓦斯繼電器的誤動原因。

本發(fā)明實施例提供的基于CFD的瓦斯繼電器動作時整定值的確定方法通過對瓦斯繼電器建立物理模型，并對簡化后的物理模型進(jìn)行初始設(shè)置，根據(jù)初始設(shè)置計算得到油流在簡化模型內(nèi)部流場內(nèi)的壓力分布和速度分布，從而分析油流涌動下的物理模型的流速變化規(guī)律，得到發(fā)生故障后瓦斯繼電器動作流速從0到1.3米/秒的暫態(tài)內(nèi)瓦斯繼電器動作的時間，進(jìn)而通過與試驗臺設(shè)定值比較分析瓦斯繼電器誤動的原因。本發(fā)明提供的基于CFD的瓦斯繼電器動作時整定值的確定方法能夠?qū)崟r監(jiān)測瓦斯繼電器的內(nèi)部流場數(shù)據(jù)，操作性強(qiáng)，能夠與實際工況擬合度很高，且能夠減少人力物力成本，進(jìn)而降低實驗開支。

為驗證本發(fā)明實施例提供的基于CFD的瓦斯繼電器動作時整定值的確定方法是否能夠有效對瓦斯繼電器動作時的整定值進(jìn)行確定，本發(fā)明實施例還以擋板式QJ-80型瓦斯繼電器為例進(jìn)行具體說明。以擋板式QJ-80型瓦斯繼電器為例的具體說明如下：

測量擋板式QJ-80型瓦斯繼電器的實體數(shù)據(jù)，通過ProE軟件建立1:1的三維模型，以模擬瓦斯繼電器內(nèi)部空腔部分的流場。所模擬的三維模型請參考附圖2。將內(nèi)部流場影響較小的瓦斯繼電器的內(nèi)部部件刪除，形成簡化模型。選取邊界條件選取入口設(shè)置為流動進(jìn)口邊界條件，初始壓強(qiáng)取試驗臺充滿油的微正壓環(huán)境540帕斯卡；流動出口邊界條件定義為outflow，其他邊界條件均定義為壁面；其中，入口流態(tài)為：當(dāng)起始流速為0.588m/s時，動作時間為3307ms；當(dāng)起始流速為0.580m/s時，動作時間為3183ms；當(dāng)起始流速為0.583m/s時，動作時間為3245ms；當(dāng)起始流速為0.584m/s時，動作時間為3308ms。采用三維六邊形網(wǎng)格對簡化模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并對擋板的運動范圍進(jìn)行網(wǎng)格局部加密，以提高計算精度。根據(jù)上述設(shè)定及網(wǎng)格劃分，采用CFD對擋板式QJ-80型瓦斯繼電器的油流沖擊、彈簧力矩和擋板自身的重力矩三個工況點進(jìn)行模擬分析，從而得出擋板式QJ-80型瓦斯繼電器擋板的力矩與時間的關(guān)系。

附圖3示出了擋板式QJ-80型瓦斯繼電器擋板的力矩與時間關(guān)系圖，從附圖3中能夠看出，當(dāng)平均加速度為0.2180m/s²時，平均動作時間為3270ms，模擬動作時間為3430.1ms，時間相對誤差為4.90％；當(dāng)平均加速度為0.1765m/s²時，平均動作時間為1697.2ms，模擬動作時間為1746.9ms，時間相對誤差為2.93％；當(dāng)平均加速度為0.1015m/s²時，平均動作時間為773.8ms，模擬動作時間為801.0ms，時間相對誤差為3.52％。由上述數(shù)據(jù)可知，擋板一共受到油流沖擊力矩、彈簧力矩、擋板自身的重力矩三個力矩，在100毫秒的時間內(nèi)，根據(jù)三個力矩之和測得擋板所受的總力矩，在總力矩中占支配地位的是油流沖擊力矩，而彈簧力矩和重力矩在擋板的動作過程中變化不大，這與事實基本相符，在一定程度上證明了CFD模擬計算值的可信度。由于油流沖擊力矩在總力矩中占主導(dǎo)地位，因此本方法主要對油流流速的變化進(jìn)行監(jiān)測，進(jìn)而確定瓦斯繼電器中油流速從0增加到整定值之間的時間。

請參考附圖4，附圖4示出了擋板式QJ-80型瓦斯繼電器擋板開啟狀態(tài)與時間的關(guān)系圖。根據(jù)實際測量值，當(dāng)擋板轉(zhuǎn)角達(dá)到21.33度時，擋板已經(jīng)完全打開，之后擋板對油流影響很小，可忽略其轉(zhuǎn)角。由附圖4可知，擋板轉(zhuǎn)角開度為21.33度時，對應(yīng)的時刻是0.0927s，符合瓦斯保護(hù)要切除故障需要80-120ms的實際情況，再次說明運用CFD進(jìn)行模擬計算是基本可行的。

本領(lǐng)域技術(shù)人員在考慮說明書及實踐這里發(fā)明的公開后，將容易想到本發(fā)明的其它實施方案。本申請旨在涵蓋本發(fā)明的任何變型、用途或者適應(yīng)性變化，這些變型、用途或者適應(yīng)性變化遵循本發(fā)明的一般性原理并包括本發(fā)明未公開的本技術(shù)領(lǐng)域中的公知常識或慣用技術(shù)手段。說明書和實施例僅被視為示例性的，本發(fā)明的真正范圍和精神由下面的權(quán)利要求指出。

應(yīng)當(dāng)理解的是，本發(fā)明并不局限于上面已經(jīng)描述并在附圖中示出的精確結(jié)構(gòu)，并且可以在不脫離其范圍進(jìn)行各種修改和改變。本發(fā)明的范圍僅由所附的權(quán)利要求來限制。