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        基于ANSYS的管型母線損耗計(jì)算

        2014-09-01 11:56:16吐松江卡日希望阿不都瓦依提
        機(jī)電信息 2014年21期
        關(guān)鍵詞:管型電磁場(chǎng)導(dǎo)體

        吐松江·卡日 希望·阿不都瓦依提

        (新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院,新疆 烏魯木齊 830046)

        基于ANSYS的管型母線損耗計(jì)算

        吐松江·卡日 希望·阿不都瓦依提

        (新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院,新疆 烏魯木齊 830046)

        基于ANSYS仿真分析管型母線的損耗分布,通過(guò)對(duì)管型母線厚度進(jìn)行優(yōu)化,計(jì)算獲得損耗最小的厚度。

        ANSYS;管型母線;損耗

        0 引言

        母線用于連接各種電機(jī)和電器,以傳輸電流和功率并通過(guò)配電裝置分配電能。材料利用率高、機(jī)械強(qiáng)度大、集膚系數(shù)小及安全性能好等優(yōu)點(diǎn)使得管型母線在大型發(fā)電廠和變電站中廣泛使用。管型母線溫升是其運(yùn)行過(guò)程中需要考慮的重要方面[1-4]。除了外部日照因素外,集膚效應(yīng)導(dǎo)致的焦耳熱是造成母線溫度升高的重要原因。本文基于ANSYS仿真分析母線損耗,通過(guò)厚度的優(yōu)化,降低母線損耗。

        1 管型母線電磁場(chǎng)數(shù)學(xué)模型

        1.1 電磁場(chǎng)控制方程

        假設(shè)母線無(wú)限長(zhǎng),則通過(guò)二維仿真代替三維;根據(jù)麥克斯韋方程組,引入矢量磁位,母線區(qū)域的電磁場(chǎng)控制方程為:

        ▽×(v▽×A)=J

        (1)

        式中,v為媒質(zhì)的磁阻率;A為矢量磁位;J為源電流密度。

        二維電磁場(chǎng)求解過(guò)程中矢量磁位和電流密度只有Z軸分量,即Ax=Ay=0,Jx=Jy=0,則式(1)改寫成:

        (2)

        而:

        Jz=Jsz+Jcz

        (3)

        (4)

        式中,Jsz為已知源電流密度;Jcz為導(dǎo)電區(qū)域中感應(yīng)出的渦電流密度;σ為導(dǎo)電區(qū)域的電導(dǎo)率。

        引入庫(kù)侖規(guī)范▽·A=0,并在離外殼較遠(yuǎn)處設(shè)置遠(yuǎn)端邊界條件Az=0,構(gòu)成管型母線電磁場(chǎng)邊值問(wèn)題[5]。

        1.2 短路電流方程

        管型母線承載的工作電流表達(dá)式如下:

        (5)

        式中,I為工作電流有效值;ψ為初相角。

        本文取I=3 150 A,ψ=0°。

        2 管型母線基本參數(shù)

        通常情況下管型母線由中心導(dǎo)體和外殼構(gòu)成,其結(jié)構(gòu)如圖1所示,其中導(dǎo)體與外殼材料均為鋁。本文仿真模型結(jié)構(gòu)及材料屬性如表1所示,所建立的仿真模型如圖2所示。

        圖1 管型母線結(jié)構(gòu)

        表1 管型母線結(jié)構(gòu)及物性參數(shù)

        圖2 仿真模型

        3 管型母線損耗計(jì)算

        借助ANSYS/Emag模塊可計(jì)算模型損耗[6]。選擇鋁質(zhì)管型母線截面,建立2D模型;使用Plane53單元,分別耦合中心導(dǎo)體、殼體VOLT自由度。選擇諧波分析法,施加載荷,流過(guò)中心導(dǎo)體電流I=3 150 A。設(shè)置空氣邊界Az=0,構(gòu)成本次仿真的邊界條件。

        通過(guò)ANSYS后處理過(guò)程,可以計(jì)算求得單位長(zhǎng)度母線產(chǎn)生的損耗P=7.47 W/m,其磁場(chǎng)分布如圖3(a)所示,母線損耗如圖3(b)所示,可知母線損耗主要集中于導(dǎo)體表面,這是集膚效應(yīng)所致。

        圖3 管型母線仿真結(jié)果

        當(dāng)母線通以交流電時(shí),其產(chǎn)生的損耗與母線截面有密切關(guān)系,通過(guò)調(diào)整母線截面使母線產(chǎn)生的損耗最小。母線厚度H與損耗P之間關(guān)系如圖4所示。

        圖4 母線厚度與損耗間關(guān)系

        由圖4可知,母線產(chǎn)生的損耗與母線厚度有密切的關(guān)系。對(duì)鋁材料而言,當(dāng)厚度HAl=18 mm時(shí),母線所產(chǎn)生的單位長(zhǎng)度損耗達(dá)Pmin=6.73 W/m;而對(duì)銅材料而言,則是當(dāng)HCu=14 mm時(shí),母線所產(chǎn)生的單位長(zhǎng)度損耗達(dá)Pmin=5.25 W/m。

        4 結(jié)論

        (1) 基于ANSYS的有限元分析可以有效求得母線損耗值并獲得母線損耗分布。

        (2) 母線產(chǎn)生的損耗與厚度有密切關(guān)系。隨著壁厚的增加,母線損耗迅速減??;達(dá)到最佳壁厚時(shí)母線損耗最??;母線厚度進(jìn)一步增加,母線產(chǎn)生的損耗變化不大;可認(rèn)為當(dāng)厚度大于最佳壁厚8~10 mm后,母線損耗達(dá)到穩(wěn)定值。

        (3) 銅母線在母線厚度H=14 mm時(shí)產(chǎn)生的損耗最小,而鋁母線則在H=18 mm時(shí)產(chǎn)生的損耗最小。

        [1]孫晨宇.母線設(shè)備的電—磁—流—熱多物理場(chǎng)耦合分析[J].甘肅科技,2012(9)

        [2]楊琪.GIL與GIS母線的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與應(yīng)用[J].高壓電器,2011(8)

        [3]郭健.離相封閉母線場(chǎng)域分析及仿真軟件開(kāi)發(fā)[D].沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué),2005

        [4]徐敏.基于有限元分析的GIS母線筒溫度場(chǎng)分布研究[J].華東電力,2013(9)

        [5]顏威利.電氣工程電磁場(chǎng)數(shù)值分析[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2006

        [6]張濤.APDL參數(shù)化有限元分析技術(shù)及其應(yīng)用實(shí)例[M].中國(guó)水利水電出版社,2013

        國(guó)家自然科學(xué)基金,項(xiàng)目編號(hào)51367016

        2014-06-05

        吐松江·卡日(1984—),男,新疆喀什人,碩士研究生,講師,研究方向:電力設(shè)備仿真優(yōu)化與風(fēng)電并網(wǎng)技術(shù)。

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