一种电力开关设备的电弧辐射能量计算方法、装置和设备与流程

本技术涉及高压断路器电弧，尤其涉及一种电力开关设备的电弧辐射能量计算方法、装置和设备。

背景技术：

1、高压断路器是电力系统中的关键设备，担负着控制电力系统运行方式及故障保护的重要任务。当电力系统中发生短路等故障时，为保证电力系统其他部分的稳定运行，需要高压断路器迅速切除故障线路。在此过程中，高压断路器的弧触头间会产生电弧，电弧能否顺利及时地熄灭与高压断路器的正常工作以及电力系统的可靠运行息息相关。

2、电弧仿真对于高压断路器开断特性的研究具有十分重要的作用，因此非常有必要建立准确的电弧模型。电弧的能量来源于电流通过电弧时产生的焦耳热，电弧的能量耗散则主要有三个方式，分别为传导、对流和辐射。相比于传导和对流，在大电流高压气体断路器中电弧最高温度可达数万开尔文，辐射能量耗散机制占主导地位，因此建立电弧辐射模型对于整个电弧开断过程的仿真计算至关重要。电弧中辐射输运过程实质上是光子的输运，可用辐射输运方程描述：式中，iv为光谱辐射强度，kv为光谱吸收系数，s为辐射传播方向，bv为普朗克常数。

3、可以通过求解辐射输运方程可以得到电弧的辐射特性，然而在实际运用中存在以下两个问题：一是由于辐射对空间和光谱的依赖性，使得严谨的辐射传递方程的计算很困难；二是在辐射输运方程求解过程中需要考虑各种原子、分子辐射机制及过程，过于复杂。因此通过求解辐射输运方程的准确计算辐射将会消耗大量的时间，对于工业应用来说往往不必要。

技术实现思路

1、本技术实施例提供了一种电力开关设备的电弧辐射能量计算方法、装置和设备，用于解决现有断路器因其辐射对空间和光谱的依赖性，采用现有辐射输运方程计算电弧得到的结果不准确的技术问题。

2、为了实现上述目的，本技术实施例提供如下技术方案：

3、一方面，提供了一种电力开关设备的电弧辐射能量计算方法，包括以下步骤：

4、获取电力开关设备的结构、电弧半径、初始温度和初始压力，根据电力开关设备的结构基于二维磁流体动力学基本方程构建二维轴对称几何的二维电弧仿真模型；

5、根据所述初始温度和所述初始压力在所述二维电弧仿真模型中进行迭代计算，得到满足迭代约束条件的温度数据；

6、根据所述电弧半径和所述温度数据计算，得到电力开关设备中电弧核心区域的第一辐射能量和电弧边缘区域的第二辐射能量。

7、优选地，根据所述电弧半径和所述温度数据计算，得到电力开关设备中电弧核心区域的第一辐射能量和电弧边缘区域的第二辐射能量包括：根据所述电弧半径和所述温度数据采用电弧辐射能量计算公式计算，得到电力开关设备中电弧核心区域的第一辐射能量和电弧边缘区域的第二辐射能量；所述电弧辐射能量计算公式为：

8、

9、u＝u0(t)k

10、式中，t为温度数据，k为折合压力系数，β为电力开关设备的斯特番-玻尔兹曼常数，u0(t)为电弧核心区域的第一辐射能量，u为电弧边缘区域的第二辐射能量，r为电力开关设备的电弧半径。

11、优选地，所述折合压力系数是由电力开关设备处于电弧边缘区域位置的实际压力和电力开关设备处于电弧核心区域位置的压力计算得到的，且所述折合压力系数不大于1。

12、优选地，根据所述初始温度和所述初始压力在所述二维电弧仿真模型中进行迭代计算，得到满足迭代约束条件的温度数据包括：

13、将所述初始温度和所述初始压力输入所述二维电弧仿真模型中进行计算，得到电力开关设备的第一压力和与所述第一压力对应的焓值；

14、根据所述二维电弧仿真模型中温度与焓h之间关系式反推，得到一次迭代后的温度，以此类推直至相邻两次迭代计算温度差值满足迭代约束条件，将最后一次迭代计算得到的温度作为满足迭代约束条件的温度数据；

15、其中，所述迭代约束条件为温度差值小于阈值数据，所述温度与焓h之间关系式为：

16、

17、式中，cp为温度与焓h之间关系系数，h为与第一压力对应的焓值，p为二维电弧仿真模型中迭代计算的压力，t为温度数据。

18、优选地，所述电力开关设备为压气式高压断路器或自能式高压断路器。

19、另一方面，提供了一种电力开关设备的电弧辐射能量计算装置，包括模型构建模块、迭代计算模块和能量计算模块；

20、所述模型构建模块，用于获取电力开关设备的结构、电弧半径、初始温度和初始压力，根据电力开关设备的结构基于二维磁流体动力学基本方程构建二维轴对称几何的二维电弧仿真模型；

21、所述迭代计算模块，用于根据所述初始温度和所述初始压力在所述二维电弧仿真模型中进行迭代计算，得到满足迭代约束条件的温度数据；

22、所述能量计算模块，用于根据所述电弧半径和所述温度数据计算，得到电力开关设备中电弧核心区域的第一辐射能量和电弧边缘区域的第二辐射能量。

23、优选地，所述能量计算模块根据所述电弧半径和所述温度数据采用电弧辐射能量计算公式计算，得到电力开关设备中电弧核心区域的第一辐射能量和电弧边缘区域的第二辐射能量；所述电弧辐射能量计算公式为：

24、

25、u＝u0(t)k

26、式中，t为温度数据，k为折合压力系数，β为电力开关设备的斯特番-玻尔兹曼常数，u0(t)为电弧核心区域的第一辐射能量，u为电弧边缘区域的第二辐射能量，r为电力开关设备的电弧半径。

27、优选地，所述折合压力系数是由电力开关设备处于电弧边缘区域位置的实际压力和电力开关设备处于电弧核心区域位置的压力计算得到的，且所述折合压力系数不大于1。

28、优选地，所述迭代计算模块包括焓值确定子模块和温度数据确定子模块；

29、所述焓值确定子模块，用于将所述初始温度和所述初始压力输入所述二维电弧仿真模型中进行计算，得到电力开关设备的第一压力和与所述第一压力对应的焓值；

30、所述温度数据确定子模块，用于根据所述二维电弧仿真模型中温度与焓h之间关系式反推，得到一次迭代后的温度，以此类推直至相邻两次迭代计算温度差值满足迭代约束条件，将最后一次迭代计算得到的温度作为满足迭代约束条件的温度数据；

31、其中，所述迭代约束条件为温度差值小于阈值数据，所述温度与焓h之间关系式为：

32、

33、式中，cp为温度与焓h之间关系系数，h为与第一压力对应的焓值，p为二维电弧仿真模型中迭代计算的压力，t为温度数据。

34、再一方面，提供了一种终端设备，包括处理器以及存储器；

35、所述存储器，用于存储程序代码，并将所述程序代码传输给所述处理器；

36、所述处理器，用于根据所述程序代码中的指令执行上述所述的电力开关设备的电弧辐射能量计算方法。

37、从以上技术方案可以看出，本技术实施例具有以下优点：该电力开关设备的电弧辐射能量计算方法、装置和设备，该方法包括获取电力开关设备的结构、电弧半径、初始温度和初始压力，根据电力开关设备的结构基于二维磁流体动力学基本方程构建二维轴对称几何的二维电弧仿真模型；根据初始温度和初始压力在二维电弧仿真模型中进行迭代计算，得到满足迭代约束条件的温度数据；根据电弧半径和温度数据计算，得到电力开关设备中电弧核心区域的第一辐射能量和电弧边缘区域的第二辐射能量。该电力开关设备的电弧辐射能量计算方法通过根据二维磁流体动力学基本方程构建电力开关设备的二维电弧仿真模型，在二维电弧仿真模型中根据电力开关设备的初始温度和初始压力进行迭代计算得到满足迭代约束条件的温度数据，根据温度数据和电力开关设备的电弧半径计算电力开关设备电弧辐射能量，分别考虑电弧不同区域的辐射计算，使得计算的辐射能量结果准确度高且在物理机制上具有合理性，避免了现有求解辐射输运方程，大大减少了辐射计算的时间，提高了计算效率，更适合电力工业领域电弧的仿真计算。解决了现有断路器因其辐射对空间和光谱的依赖性，采用现有辐射输运方程计算电弧得到的结果不准确的技术问题。