温度计算方法及装置与流程
本发明涉及电力技术领域，具体涉及一种温度计算方法及装置。
背景技术：
在一些电力电子设备中，通常存在导体的接触区域。由于存在接触电阻，因此当电流流经接触区域时，会产生额外的热量，因此在相同的条件下，接触区域的温度会高于导体的其他部位。
相关技术中，可以通过暂态温度的研究分析，对接触区域的温度分布进行计算。例如，可以利用导电桥模型并且采用热平衡方程对接触区域建立温度模型，并根据已经获取的各个参数利用软件工具对所建立的温度模型进行计算，从而得到导体的接触区域的温度分布。
然而，由于导体在接触区域的接触半径会随着温度的变化而变化，从而导致在接触区域温度变化的情况下计算得到的接触区域的温度不准确。
技术实现要素：
本发明的目的在于，针对上述现有技术中的不足，提供一种温度计算方法及装置，以解决在接触区域温度变化的情况下计算得到的接触区域的温度不准确的问题。
为实现上述目的，本发明实施例采用的技术方案如下：
第一方面，本发明实施例提供了一种温度计算方法，该方法包括：
基于导体的热膨胀系数进行计算，得到导体的接触半径的半径变化量，该半径变化量为与导体的接触区域在预定时间段的温度变化相关联的变化量；
根据导体的初始接触半径和半径变化量，确定导体的实际接触半径；
根据实际接触半径和针对接触区域预先设置的温度模型，计算接触区域的温度，该温度模型用于指示接触区域的温度特性。
进一步地，在所述基于导体的热膨胀系数进行计算，得到导体的接触半径的半径变化量之前，所述方法还包括：
获取导体的接触压力，该接触压力为接触区域所受到的压力；
根据接触压力利用霍尔姆(holm)公式进行计算，得到接触区域的等效半径，该等效半径表示利用温度模型进行计算时接触区域的径向范围。
进一步地，预定时间段为利用温度模型进行计算时在时间上的最小计算单元，以及在所述基于导体的热膨胀系数进行计算，得到导体的接触半径的半径变化量之前，所述方法还包括：
将接触区域划分成多个微元，每个微元用于表示利用温度模型进行计算时接触区域在空间上的最小计算单元；
针对每个微元和预定时间段，建立指示接触区域的温度特性的离散化热平衡方程；
根据离散化热平衡方程，建立温度模型。
进一步地，所述获取导体的接触压力，包括：采用测量的方式获取导体的接触压力。
进一步地，所述根据导体的初始接触半径和半径变化量，确定导体的实际接触半径，包括：将初始接触半径与半径变化量相加，得到实际接触半径。
第二方面，本发明实施例还提供了一种温度计算装置，该装置包括：
第一计算模块，用于基于导体的热膨胀系数进行计算，得到导体的接触半径的半径变化量，该半径变化量为与导体的接触区域在预定时间段的温度变化相关联的变化量；
第一确定模块，用于根据导体的初始接触半径和半径变化量，确定导体的实际接触半径；
第二计算模块，用于根据实际接触半径和针对接触区域预先设置的温度模型，计算接触区域的温度，该温度模型用于指示接触区域的温度特性。
进一步地，所述装置还包括：
第一获取模块，用于获取导体的接触压力，该接触压力为接触区域所受到的压力；
第三计算模块，用于根据接触压力利用霍尔姆(holm)公式进行计算，得到接触区域的等效半径，该等效半径表示利用温度模型进行计算时接触区域的径向范围。
进一步地，预定时间段为利用温度模型进行计算时在时间上的最小计算单元，以及所述装置还包括：
网格化模块，用于将接触区域划分成多个微元，每个微元用于表示利用温度模型进行计算时接触区域在空间上的最小计算单元；
方程建立模块，用于针对每个微元和预定时间段，建立指示接触区域的温度特性的离散化热平衡方程；
温度模型建立模块，用于根据离散化热平衡方程，建立温度模型。
进一步地，第一获取模块，具体用于：获取采用测量的方式得到的导体的接触压力。
进一步地，第一确定模块，具体用于：将初始接触半径与半径变化量相加，得到实际接触半径。
本发明的有益效果是：
本发明实施例通过基于导体的热膨胀系数进行计算，得到导体的接触半径的半径变化量，然后根据导体的初始接触半径和半径变化量，确定导体的实际接触半径，最后根据实际接触半径和针对导体的接触区域预先设置的温度模型，计算接触区域的温度。通过基于导体的热膨胀系数计算导体的接触半径的半径变化量，并且将该半径变化量用于导体的接触区域的温度计算，从而在接触区域的温度计算结果中引入了接触区域热膨胀因素的影响，使得能够在接触区域温度变化的情况下更加准确地计算接触区域的温度，提高了确定接触区域的温度的准确性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明一实施例提供的温度计算方法的流程示意图；
图2为本发明另一实施例提供的温度计算方法的流程示意图；
图3为本发明又一实施例提供的温度计算方法的流程示意图；
图4为本发明的对接触区域进行空间离散化的示意图；
图5为本发明一实施例提供的温度计算装置的示意图；
图6为本发明另一实施例提供的温度计算装置的示意图；
图7为本发明又一实施例提供的温度计算装置的示意图；
图8为本发明实施例提供的温度计算装置的示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
图1为本发明一实施例提供的温度计算方法的流程示意图，如图1所示，该方法包括：
步骤101、基于导体的热膨胀系数进行计算，得到导体的接触半径的半径变化量。
其中，半径变化量为与导体的接触区域在预定时间段的温度变化相关联的变化量。
在一些电力电子设备中的导体的接触区域，由于存在接触电阻，因此当电流流经接触区域时，会产生额外的热量，从而导致接触区域的温度高于导体的其他部位。
相应的，受到导体的热膨胀因素的影响，接触区域的温度变化会导致接触半径的变化，因此为了准确计算接触区域的温度，需要计算接触区域在温度变化的情况下接触半径的半径变化量。
在导体的接触区域的温度发生变化时，可以根据如下式(1)计算接触半径的半径变化量：
其中，rc为导体的初始接触半径，△rc为在相差预定时间段的两个时刻之间接触半径的半径变化量，△t为导体的接触区域在所述两个时刻之间的温度变化量，αl为接触区域的热膨胀系数，例如，αl可以为接触区域的线性热膨胀系数。
需要说明的是，在实际计算中，由于rc和αl是与导体的形状、材料属性相关的参数，因此可以预先获知。预定时间段可以根据期望的计算精度进行预先设定，预定时间段的值设定地越小，计算结果越精确，相应的，在计算一定时间长度范围内的温度分布所花费的时间就越长，因此预定时间段可以根据实际情况进行设定，本发明实施例对此不做限定。
另外，在对接触区域的温度进行计算的过程中，为了计算在一定时间长度范围内的温度分布，可以采取有限差分法进行迭代计算，在进行迭代时，相邻时刻的时间差为上述的预定时间段。
例如，△t可以为ti与ti-1之差，以便用于计算接触区域ti时刻与ti-1时刻之间的半径变化量，而ti为ti时刻接触区域的温度，ti可以由未考虑热膨胀因素的常规热力学平衡方程获得，而ti-1可以为ti-1时刻接触区域的温度，ti-1可以采用本发明实施例中的温度模型计算方法获得，另外，在温度的迭代计算中，t0时刻的初始温度t0为环境温度。
步骤102、根据导体的初始接触半径和半径变化量，确定导体的实际接触半径。
由于受到接触区域的温度变化的影响，接触区域的接触半径会随着温度变化。因此，在计算接触区域的温度的过程中，需要根据计算得到的半径变化量，确定导体的实际接触半径，以便在后续步骤中，可以根据该实际接触半径确定导体接触区域的温度。
具体地，可以通过将根据上述计算得到的半径变化量和导体的初始接触半径进行求和，计算得到半径变化量和初始接触半径的和值，并且将该和值作为导体的实际接触半径。
需要说明的是，还可以采用加权求和的方式计算得到导体的实际接触半径。例如，可以通过将根据上述计算得到的半径变化量乘以权重因子后再与导体的初始接触半径进行求和，计算得到加权半径变化量和初始接触半径的和值，并且将该和值作为导体的实际接触半径。该权重因子可以根据导体的材料属性、导体的接触界面情况等进行预先设定，当权重因子取值为1时，即为上述非加权求和的情况。
在本发明的迭代计算中，在t0时刻导体的初始接触半径可以采取测量的方式获取，而ti时刻导体的初始接触半径可以采用通过如上所述计算得到的ti-1时刻的实际接触半径。
步骤103、根据实际接触半径和针对接触区域预先设置的温度模型，计算接触区域的温度。
其中，该温度模型用于指示接触区域的温度特性。
需要说明的是，在实际应用中，导体的接触区域可以采用导电桥模型进行模拟，针对接触区域预先设置的温度模型根据传热学原理利用热力学平衡方程进行设置。
在温度模型的计算求解过程中，通过应用考虑了热膨胀因素的实际接触半径来替代常规计算方法中的未考虑热膨胀因素的初始接触半径，可以获得更加准确的接触区域的温度。
综上所述，本发明实施例通过基于导体的热膨胀系数进行计算，得到导体的接触半径的半径变化量，然后根据导体的初始接触半径和半径变化量，确定导体的实际接触半径，最后根据实际接触半径和针对导体的接触区域预先设置的温度模型，计算接触区域的温度。通过基于导体的热膨胀系数计算导体的接触半径的半径变化量，并且将该半径变化量用于导体的接触区域的温度计算，从而在接触区域的温度计算结果中引入了接触区域热膨胀因素的影响，使得能够在接触区域温度变化的情况下更加准确地计算接触区域的温度，提高了确定接触区域的温度的准确性。
图2为本发明另一实施例提供的温度计算方法的流程示意图，如图2所示，该方法包括：
步骤201、获取导体的接触压力。
其中，该接触压力为接触区域所受到的压力。
由于在导体接触时，为保证稳固良好的电接触，导体的接触界面之间(也就是导体的接触区域)必定受到一定的压力。该压力的大小影响导体接触界面的实际接触情况，进而会影响到接触电阻和接触区域的温度。
可选的，该接触压力可以通过压力测量装置进行实际测量来获得。例如，可以通过触头压力测量仪等设备进行测量，从而得到导体的接触压力。
步骤202、根据接触压力利用霍尔姆公式进行计算，得到接触区域的等效半径。
其中，该等效半径表示利用温度模型进行计算时接触区域的径向范围。
针对导体的接触区域，霍尔姆(holm)曾经提出如下导电桥模型：导体的实际接触区域可以等效为一个小圆柱。因此，需要确定导电桥的半径来作为接触区域的等效半径，以便在后续步骤中，可以在该等效半径限定的接触区域的径向范围内利用温度模型进行计算。
具体地，导电桥的半径可以通过holm公式计算得到。holm公式如下式(2)所示，
其中，r’为导电桥的半径，r’对应的单位通常为mm(毫米)；f为接触界面之间的压力(单位为n)；ξ为经验参数，用于表征导体的接触界面的接触情况，其取值范围在0.3至0.6，在工程上通常取0.45；h为接触界面材料的布氏硬度。导电桥材料与接触界面材料相同，如果接触界面两端的材料不一致时，导电桥的物理参数(例如电导率、热导率等)取两种材料对应物理参数的平均值。
因此，根据上式(2)可知，在确定接触界面材料的情况下，在实际中只需要通过实际测量得到接触界面的接触压力，即可计算得到小圆柱的半径，并将该半径作为接触区域的等效半径，该等效半径表示利用温度模型计算接触区域温度时接触区域的径向范围。对于绝热温升过程的计算，计算结果主要由导电桥半径决定，而导电桥的高度(也即是接触区域的轴向范围)对计算结果影响很小。通常，导电桥的高度在0.1mm至0.25mm之间，例如为0.15mm，但是本申请对导电桥的高度不做限定，导电桥的高度还可以取其他合理值。
步骤203、基于导体的热膨胀系数进行计算，得到导体的接触半径的半径变化量。
其中，半径变化量为与导体的接触区域在预定时间段的温度变化相关联的变化量。
步骤204、根据导体的初始接触半径和半径变化量，确定导体的实际接触半径。
步骤205、根据实际接触半径和针对接触区域预先设置的温度模型，计算接触区域的温度。
其中，该温度模型用于指示接触区域的温度特性。
由于步骤203至步骤205的过程，与步骤101至步骤103的过程类似，在此不再赘述。
需要说明的是，在步骤205中，在温度模型的计算求解过程中，接触区域的径向范围被限定为在步骤202中计算得到的接触区域的等效半径。
综上所述，本发明实施例通过获取接触压力，进而利用holm公式计算得到接触区域的等效半径，从而限定了后续利用温度模型进行计算时接触区域的径向范围，随后通过基于导体的热膨胀系数进行计算，得到导体的接触半径的半径变化量，然后根据导体的初始接触半径和半径变化量，确定导体的实际接触半径，最后根据实际接触半径和针对导体的接触区域预先设置的温度模型，计算接触区域的温度。通过基于导体的热膨胀系数计算导体的接触半径的半径变化量，并且将该半径变化量用于导体的接触区域的温度计算，从而在接触区域的温度计算结果中引入了接触区域热膨胀因素的影响，使得能够在接触区域温度变化的情况下更加准确地计算接触区域的温度，提高了确定接触区域的温度的准确性。
图3为本发明又一实施例提供的温度计算方法的流程示意图，如图3所示，该方法包括：
步骤301、将接触区域划分成多个微元。
其中，每个微元用于表示利用温度模型进行计算时接触区域在空间上的最小计算单元。
为了在后续步骤中，可以通过采用有限差分法建立的温度模型进行计算，首先可以对接触区域在空间上进行离散化处理，也就是说将接触区域网格划分成多个微元，这些微元是在后续计算中空间上的最小计算单元。
其中，微元的大小决定了利用模型计算温度所需时长以及计算结果的精确度。微元越大，计算所需要的时间越短，但是计算结果的精确度越低；反之，微元越小，计算所需要的时间越长，但是计算结果的精确度越高。因此在进行网格划分时，需要根据实际情况综合考虑来选定微元的大小，本发明对微元的大小不做限制。
另外地，可以将预定时间段作为利用温度模型进行计算时在时间上的最小计算单元。也就是说，相邻时刻之间的时间间隔为预定时间段，从而对温度模型的计算在时间上进行了离散化处理。预定时间段的长度决定了对一定时间长度范围内温度分布进行计算时的耗费时长以及计算精确度。预定时间段越长，则对一定时间长度范围内温度分布进行计算时需要迭代的次数越少，耗时越短，但是计算精确度越低；反之，预定时间段越短，则对一定时间长度范围内温度分布进行计算时需要迭代的次数越多，耗时越长，但是计算精确度越高。因此需要根据实际情况综合考虑来选定预定时间段的大小，本发明对此不做限制。
步骤302、针对每个微元和预定时间段，建立指示接触区域的温度特性的离散化热平衡方程。
根据步骤301将接触区域划分成了若干个微元，根据传热学原理，导体的接触区域的热平衡方程可以表示如下式(3)：
其中，c为微元的比热容，λ为微元的热导率，qj为微元的热源功率，r为微元到接触区域的中心的径向距离，t为微元的温度，t为时间变量。
进一步地，微元的热源功率可以通过如下式(4)计算得到：
qj＝ρj2(4)
其中，j为微元的电流密度，ρ为微元在工作温度下的电阻率。在考虑电阻率的温度系数的情况下，可以得到：
ρ＝ρ20[1+α(t-20)](5)
其中，ρ20为20℃下的材料电阻率，α为材料的温度系数。
具体地，单个微元的电流密度可以通过如下式(6)计算得到：
其中，i为流经微元的电流，rc为导体的实际接触半径，该实际接触半径考虑了接触区域温度变化时热膨胀因素对接触半径的影响，r为微元到接触区域的中心的径向距离。
图4为本发明的对接触区域进行空间离散化的示意图，如图4所示，黑色圆点表示微元，水平方向的ri表示径向方向第i个微元到接触区域的中心的径向距离；轴向方向的zj表示轴向方向第j个微元的轴向高度，如前所述，该轴向高度对温度的计算结果影响很小，因此在下文计算中不考虑轴向高度因素；ji,j表示径向方向第i个并且轴向方向第j个微元的电流密度，ti,j表示径向方向第i个并且轴向方向第j个微元的温度。
进一步地，对热平衡方程在时间和空间上进行离散化处理，具体过程如下：
利用有限差分法对热平衡方程中在空间上进行离散化处理，空间离散化处理后的计算公式如下式(7)所示：
其中，△r为微元长度，ti为第i个微元的温度。在实际数值计算中，还需要在时间上进行离散化处理，即令：
步骤303、根据离散化热平衡方程，建立温度模型。
根据在步骤302中建立的离散化热平衡方程，结合导体的接触区域的结构模型，建立了描述导体的接触区域的温度特性的温度模型。在对该温度模型进行求解计算中，各个微元的初始温度为环境温度，并且边界条件为第二类边界条件，即热绝缘边界条件。
步骤304、基于导体的热膨胀系数进行计算，得到导体的接触半径的半径变化量。
其中，半径变化量为与导体的接触区域在预定时间段的温度变化相关联的变化量。
步骤305、根据导体的初始接触半径和半径变化量，确定导体的实际接触半径。
步骤306、根据实际接触半径和针对接触区域预先设置的温度模型，计算接触区域的温度。
其中，该温度模型用于指示接触区域的温度特性。
由于步骤304至步骤306的过程，与步骤101至步骤103的过程类似，在此不再赘述。
需要说明的是，在步骤306中，温度模型为根据步骤303所建立的温度模型。
综上所述，本发明实施例通过对接触区域进行空间离散化并且对计算时间进行离散化，进而建立指示接触区域的温度特性的离散化热平衡方程，从而建立了接触区域的温度模型，随后通过基于导体的热膨胀系数进行计算，得到导体的接触半径的半径变化量，然后根据导体的初始接触半径和半径变化量，确定导体的实际接触半径，最后根据实际接触半径和针对导体的接触区域所建立的温度模型，计算接触区域的温度。通过基于导体的热膨胀系数计算导体的接触半径的半径变化量，并且将该半径变化量用于导体的接触区域的温度计算，从而在接触区域的温度计算结果中引入了接触区域热膨胀因素的影响，使得能够在接触区域温度变化的情况下更加准确地计算接触区域的温度，提高了确定接触区域的温度的准确性。
图5为本发明一实施例提供的温度计算装置的示意图，如图5所示，该装置可以包括：
第一计算模块501，用于基于导体的热膨胀系数进行计算，得到导体的接触半径的半径变化量，该半径变化量为与导体的接触区域在预定时间段的温度变化相关联的变化量；
第一确定模块502，用于根据导体的初始接触半径和半径变化量，确定导体的实际接触半径；
第二计算模块503，用于根据实际接触半径和针对接触区域预先设置的温度模型，计算接触区域的温度，该温度模型用于指示接触区域的温度特性。
可选地，该第一确定模块502，具体用于：将初始接触半径与半径变化量相加，得到实际接触半径。
可选地，参照图6，该装置还可以包括：
第一获取模块504，用于获取导体的接触压力，该接触压力为接触区域所受到的压力；
第三计算模块505，用于根据接触压力利用holm公式进行计算，得到接触区域的等效半径，该等效半径表示利用温度模型进行计算时接触区域的径向范围。
可选地，该第一获取模块504，具体用于：获取采用测量的方式得到的导体的接触压力。
可选地，参照图7，该装置还可以包括：
网格化模块506，用于将接触区域划分成多个微元，每个微元用于表示利用温度模型进行计算时接触区域在空间上的最小计算单元；
方程建立模块507，用于针对每个微元和预定时间段，建立指示接触区域的温度特性的离散化热平衡方程；
温度模型建立模块508，用于根据离散化热平衡方程，建立温度模型。
其中，预定时间段为利用温度模型进行计算时在时间上的最小计算单元。
上述装置用于执行前述实施例提供的方法，其实现原理和技术效果类似，在此不再赘述。
以上这些模块可以是被配置成实施以上方法的一个或多个集成电路，例如：一个或多个特定集成电路(applicationspecificintegratedcircuit，简称asic)，或，一个或多个微处理器(digitalsingnalprocessor，简称dsp)，或，一个或者多个现场可编程门阵列(fieldprogrammablegatearray，简称fpga)等。再如，当以上某个模块通过处理元件调度程序代码的形式实现时，该处理元件可以是通用处理器，例如中央处理器(centralprocessingunit，简称cpu)或其它可以调用程序代码的处理器。再如，这些模块可以集成在一起，以片上系统(system-on-a-chip，简称soc)的形式实现。
图8为本发明实施例提供的温度计算装置的示意图，该装置可以集成于终端设备或者终端设备的芯片，该终端可以是具备图像处理功能的计算设备。
该装置包括：存储器801、处理器802。
存储器801用于存储程序，处理器802调用存储器801存储的程序，以执行上述方法实施例。具体实现方式和技术效果类似，这里不再赘述。
可选地，本发明还提供一种程序产品，例如计算机可读存储介质，包括程序，该程序在被处理器执行时用于执行上述方法实施例。
在本发明所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能单元的形式实现。
上述以软件功能单元的形式实现的集成的单元，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。上述软件功能单元存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)或处理器(英文：processor)执行本发明各个实施例所述方法的部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(英文：read-onlymemory，简称：rom)、随机存取存储器(英文：randomaccessmemory，简称：ram)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
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