三相GIS母線優化設計論文

2021-04-22 論文

　　1電磁場仿真分析

　　1.1參數設置

　　本文分析母線導體通入50Hz交流電所產生的磁場情況．在分析的物理幾何模型中有空氣區、導磁區、導電區、永磁區等一種或多種材料，每一種材料區都必須輸入相對應的材料特性．本文主要考慮磁場強度、電流密度、能量損耗等，故只需給材料區域定義磁導率及電阻率．各材料區域對應的材料號、磁導率及電阻率．格智能劃分工具中能夠自動生成網格，且網格單元尺寸越小，網格劃分越細致，程序運行時間越長．這種方式適用于模型相對小，且各部分網格精確度要求一樣的模型中．本文主要觀察導電桿的電磁場分布等參數，若采用智能劃分會使不必細致的部位過于細致，使程序運行時間過長，甚至無法運行．因此，使用智能剖分方式和尺寸控制方式劃分網格．首先通過智能剖分將導電桿與其他部分剖分為兩部分，接著使用尺寸控制方式分別設置兩部分的尺寸，將導電桿的網格劃分單元設置為1mm，其他部分按照ANSYS默認的網格劃分尺寸進行劃分，從而將導電桿部分劃分密度相對細致，其余部分劃分密度相對粗糙

　　1.2結果與分析

　　母線外殼上有少許電流流過，而導電桿上的電流密度則呈現出不同的分布趨勢，導電桿表面的電流分布較導電桿內側的電流分布略密集一些．單獨分析導電桿上的電流密度分布情況，導電桿電流密度矢量圖．圖中不同顏色表示不同電流密度大小，藍色最小，紅色最大．可以看出，550kV三相GIS母線導電桿上的電流密度在導電桿外側分布較密集，約為1.67×106A/m2;在導電桿內側電流密度分布較稀疏，最小值約為9.85×105A/m2，說明電流密度分布呈現了集膚效應．假設電流在導電桿上是均勻分布的，則平均電流密度JS=I/S，其中I=2828A，S=π(0．042－0．032)m2，理論計算結果為1．29×107A/m2．與仿真結果對比可以得出導電桿外側電流密度大于平均電流密度，而導電桿內側電流密度小于平均電流密度，同樣說明電流密度分布呈現了集膚效應，這與理論相符合．

　　2溫度場分析

　　2.1結果與分析

　　研究實體模型的溫升狀況，只需要觀察溫度分布效果，因此只需查看模型的溫度分布效果圖．首先將環境溫度設置為恒定溫度20℃，且設置空氣外表面作為絕熱邊界20℃，得到整體溫度分布均勻分布的.熱量使整體溫度呈現對稱的分布，且溫度集中分布在導電桿周圍．主要原因是導電桿是電流分布最集中的部位，因此產生的熱量較多，散熱也較慢，而殼體與周圍電流分布較稀疏，所以溫度不是很高．整體最高溫度約為92℃，則溫升為72℃，符合行業內規定的溫升要求(＜115℃)．導電桿內側溫度比外側略微高1～2℃左右．主要原因是由于母線運行在三相對稱電流情況下時，電流密度呈現集膚效應，從而使溫度分布也遵循一樣的分布規律，即電流密度大的區域溫度較高，電流密度小的區域溫度較低．為了進一步證明集膚效應對溫度分布的影響，單獨分析550kV三相GIS母線殼體的溫度分布，殼體溫度靠近導電桿部位溫度較高，且整體溫度呈現兩頭向中部逐漸變低的現象．造成該現象的主要原因是由于流過導電桿的電流的的集膚效應使靠近導電桿的殼體部位溫度受到較大影響，從而導致靠近導電桿部位溫度較高

　　2.2電磁場與溫度場分析對比

　　根據電磁場仿真結果可以看出，電流的集膚效應導致導體內部電流分布不均勻，電流靠近導體表面流動且電流密度集中在導體的外表面上．此外，電流密度的分布呈現左右對稱．由此設想550kV三相GIS母線整體的溫度分布應該是左右對稱結構．但是垂直結構上由于受到重力加速度及氣體熱運動的影響，會使熱空氣上升而冷空氣下降，導致下部散熱快上部散熱慢，從而使母線結構上部溫度比下部溫度高．當然導電桿仍然會由于集膚效應的影響，而使外側溫度略高于內側溫度，但是B相導電桿的溫度會比A、C相略高，從而使殼體最高溫度對應于B相位置．為了驗證仿真結果與分析，對550kV三相GIS母線進行了溫升試驗．在環境溫度下，用調壓變壓器和大電流變壓器組成試驗回路，給三相GIS母線供給所需的工作電流，并使用銅—康銅熱電偶溫度測試法測量母線模塊的溫度．在分別通入2000A，2200A的電流時，測量母線模塊不同位置的溫度變化．試驗表明，在環境溫度為20℃時，A相溫升為59.7℃，B相溫升為58.7℃，C相為62.3℃，B相導電桿的溫度比A、C相低，與仿真結果有一定的差異．通過將仿真結果與試驗數據進行對比分析，可以看出兩者存在一定的誤差．造成該誤差的原因，首先是在仿真分析中，將環境溫度設置在恒定溫度20℃，而在試驗中環境溫度并不會一直穩定在20℃;其次是在做溫度場仿真分析時，沒有考慮風速對溫度的影響，從而使仿真結果比試驗所測溫升略高．但是仿真結果中導電桿的溫度分布規律及整體的溫度范圍與溫度場分析理論上相符合，說明使用ANSYS有限元分析軟件對550kV三相GIS母線進行溫度場分析是有效的．

　　3優化設計

　　影響550kV三相GIS母線溫升的因素有許多，比如導電桿的橫截面積、封閉母線的金屬外殼厚度都會對母線的散熱造成一定的影響，母線的材質會影響母線的電阻值，進而影響溫升．以母線外殼厚度作為優化參數．在尺寸設置中選擇母線外殼厚度作為分析對象，添加優化模塊，設置待優化的參數和優化范圍，得出優化結果，當母線外殼外徑為0.258m(即外殼厚度為8mm)時，導電桿的溫度為87.57℃，而當外殼厚度大于8mm(即外殼外徑大于0.258m)時，導電桿溫度有所上升，當外殼厚度小于8mm(即外殼外徑小于0.258m)的時，導電桿的溫度有所減少．以導電桿橫截面積作為優化參數，隨著導電桿的半徑增加，導電桿的溫升逐漸降低．根據Ｒ=l/s，增大導電桿半徑，即增大導電桿的橫截面積，降低了母線電阻值，加大自然對流換熱空間，使得大電流流過母線的時候的發熱減少，加快其散熱，因此母線溫升也就隨之減少．母線整體溫度場（銅合金）Fig.6Overalltemperaturefieldofthebus(copperalloy)可以看出母線的溫升有了明顯的降低．銅的電阻率比鋁小，用銅材料制作母線，因其電阻較鋁制的小，根據發熱公式P=I2Ｒ可以知道，其發熱損耗也將比鋁制母線的發熱損耗小．

　　4結論

　　1)基于電磁學理論，建立550kV三相GIS母線三維電磁場有限元模型，施加對稱三相電流，進行求解分析電流密度．結果表明，550kV三相GIS母線的電流密度分布呈現明顯的集膚效應．

　　2)根據熱力學理論，建立550kV三相GIS母線三維穩態有限元模型，施加平均分布的能量，求解觀察溫度分布．結果表明，平均分布的能量使母線導電桿溫度內側比外側略高2℃．殼體上靠近導電桿部位溫度較高．

　　3)分別對母線的外殼厚度，母線截面積以及母線材料進行優化，得出最優結果，為三相GIS母線的優化設計提供了新思。

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