河南平芝高壓開(kāi)關(guān)有限公司 龍錦霞

高壓GIS用母線的溫升仿真計(jì)算

河南平芝高壓開(kāi)關(guān)有限公司 龍錦霞

高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備(GIS) 在我國(guó)的電網(wǎng)建設(shè)中占據(jù)著重要位置，其中設(shè)備的安全運(yùn)行至關(guān)重要，而在實(shí)際運(yùn)行中，由于設(shè)備長(zhǎng)期帶電，電阻損耗發(fā)熱導(dǎo)致溫度升高，從而會(huì)影響到產(chǎn)品性能。為了保證GIS可靠的電力連接，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的安全運(yùn)行，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，滿足溫升設(shè)計(jì)的使用要求成為重要的課題之一。本文以550kV GIS用母線單元為研究對(duì)象，通過(guò)建立三維有限元模型，利用熱網(wǎng)格法與有限元法相結(jié)合，對(duì)其進(jìn)行溫升計(jì)算。通過(guò)將計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了該方法的準(zhǔn)確性，其試驗(yàn)值與計(jì)算值最大誤差在10%以內(nèi)，滿足工程許用精度要求，為新產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

GIS；母線；溫升；有限元法

0 引言

作為世界能源消耗第二大國(guó)，我國(guó)有著全球最龐大的電網(wǎng)系統(tǒng)，自2002年起至今，電源裝機(jī)、電網(wǎng)規(guī)模已居世界首位。伴隨著國(guó)內(nèi)用電量急增與城鎮(zhèn)化建設(shè)需要，高壓GIS設(shè)備正不斷朝著小體積、大參數(shù)方向發(fā)展[1]，其母線設(shè)備同樣需要進(jìn)行小型化設(shè)計(jì)。由于設(shè)備體積小，密封優(yōu)良，產(chǎn)生的熱量很難傳導(dǎo)出去，造成溫升超標(biāo)，導(dǎo)致絕緣材料絕緣性能降低、金屬材料機(jī)械強(qiáng)度下降、導(dǎo)體接觸部電阻升高的等不良影響，從而無(wú)法滿足工程需求，因此研究和預(yù)測(cè)母線單元的發(fā)熱與溫升，關(guān)鍵在于了解設(shè)備內(nèi)部分溫升分布，這對(duì)材料的選擇、合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與裝配都是非常重要的[2]。

在電器領(lǐng)域中，已經(jīng)有采用有限元的方法研究溫度場(chǎng)問(wèn)題[3-4]，他們大都采用磁場(chǎng)-流場(chǎng)耦合散熱模型進(jìn)行分析，但存在模型復(fù)雜，網(wǎng)格量大，計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)等缺點(diǎn)，本文以550kV GIS用母線單元為研究對(duì)象，基于ANSYS有限元分析平臺(tái)，結(jié)合熱網(wǎng)格法與有限元法，用解析法求解電阻率和散熱系數(shù)，用于計(jì)算模型的發(fā)熱功率與散熱效率，再用有限元法求解溫升值，計(jì)算出設(shè)備各部位最終的溫升情況。

1 計(jì)算模型及步驟

1.1 計(jì)算模型

本文采用的計(jì)算模型為550kV GIS產(chǎn)品用母線，有限元模型及實(shí)物見(jiàn)圖1。該母線筒體采用鋁合金6005A-H112材質(zhì)，導(dǎo)體采用鋁合金6063-T6材質(zhì)，導(dǎo)體連接采用彈簧觸指型進(jìn)行導(dǎo)通，采用絕緣支柱及絕緣盆子作為導(dǎo)體支撐件，內(nèi)部充SF6氣體，額定電流6300A，溫升試驗(yàn)電流6930A[5]，環(huán)境溫度20℃，室內(nèi)無(wú)風(fēng)環(huán)境。該母線單元水平布置，構(gòu)成簡(jiǎn)單，且筒體直徑小，其渦流損耗的影響，對(duì)導(dǎo)體與殼體的最高溫度影響在0.5℃左右[6]，因此為方便計(jì)算，本次計(jì)算分析不考慮殼體的渦流損耗。此外，本模型只考慮穩(wěn)定時(shí)的溫升，不考慮溫升建立過(guò)程及外界風(fēng)速的影響。最終有限元模型及實(shí)物見(jiàn)圖1所示。

圖1 有限元模型及實(shí)物

1.2 計(jì)算步驟

任何發(fā)熱計(jì)算的分析方法都是以第一定律為基礎(chǔ)的，即在一個(gè)沒(méi)有任何能量流入或流出的封閉系統(tǒng)中，其內(nèi)部能量存在平衡，系統(tǒng)內(nèi)電阻損耗全部轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)內(nèi)能。本次計(jì)算時(shí)，采用解析法與有限元法相結(jié)合，首先，利用ANSYS有限元軟件，對(duì)解析模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，再對(duì)交流阻抗與散熱系數(shù)進(jìn)行理論計(jì)算，得出結(jié)果作為有限元計(jì)算輸入的材料屬性參數(shù)與邊界條件參數(shù)，最后進(jìn)行仿真計(jì)算，得出溫升結(jié)果。該過(guò)程思路清晰，計(jì)算簡(jiǎn)潔，對(duì)于一般工程應(yīng)用非常方便。

2 發(fā)熱與散熱參數(shù)

2.1 電流密度與交流阻抗

當(dāng)電流通過(guò)導(dǎo)體作周期性變化時(shí)，磁場(chǎng)也跟著變化，而在線芯的每根導(dǎo)絲上就感生反對(duì)電流變化的電勢(shì)。由于靠近軸心的導(dǎo)絲電勢(shì)大（交鏈磁通多），反作用就大，軸心及附近電流密度就減小而外表電流密度增加。導(dǎo)體橫截面各點(diǎn)上的電流密度就不同，這種電流集表的現(xiàn)象即集膚效應(yīng)，它隨頻率f、導(dǎo)線直徑d、導(dǎo)磁率μ、導(dǎo)電率-的增大更加顯著。通過(guò)計(jì)算公式[7-8]：

式中：為導(dǎo)體直流電阻；為導(dǎo)體的集膚效應(yīng)系數(shù)；為導(dǎo)體溫度為20℃時(shí)的直流電阻率；為20℃時(shí)的電阻溫度系數(shù)；為導(dǎo)體的運(yùn)行溫度；為導(dǎo)體截面面積。對(duì)于圓柱及圓管導(dǎo)體的集膚效應(yīng)系數(shù)可通過(guò)查表[8]。

2.2 對(duì)流、傳導(dǎo)與輻射散熱系數(shù)

熱量的耗散有對(duì)流、輻射和傳導(dǎo)三種形式。其中熱對(duì)流可定義為由于溫差的存在，固體與接觸其表面的流體之間產(chǎn)生的熱量交換。熱傳導(dǎo)是指因?yàn)闇囟忍荻鹊拇嬖诙a(chǎn)生的熱量交換，其通常發(fā)生在兩個(gè)接觸完全的物體之間或一個(gè)物體的不同部分。熱輻射可以定義為物體吸收其他物體所發(fā)射的電磁能，并將其轉(zhuǎn)化為熱量的過(guò)程。該三種熱量傳遞的表達(dá)式相對(duì)成熟[9]，這里不再贅述。對(duì)于密封的母線單元來(lái)說(shuō)，其內(nèi)部導(dǎo)體與外部筒體由于通流產(chǎn)生熱量，而母線產(chǎn)生的熱量則通過(guò)輻射與對(duì)流傳遞到SF6氣體，而SF6氣體又通過(guò)熱對(duì)流將熱量傳遞帶筒體內(nèi)表面，從而形成了“受限空間的自然對(duì)流換熱”，因此可以認(rèn)為最后全部的熱量均是通過(guò)筒體表面的空氣對(duì)流進(jìn)行散熱，最終達(dá)到熱平衡狀態(tài)。

3 溫升計(jì)算

3.1 建立有限元模型

有限元法（FEM，F(xiàn)inite Element Method）在數(shù)學(xué)中是一種為求得偏微分方程邊值問(wèn)題近似解的數(shù)值技術(shù)[10-11]。根據(jù)有限元仿真分析步驟，首先建立三維仿真模型。為了節(jié)約系統(tǒng)資源、加快計(jì)算速度，在建立有限元仿真模型前，需要對(duì)模型各個(gè)部分進(jìn)行一定的簡(jiǎn)化。由于本次主要的研究對(duì)象是導(dǎo)體及筒體的發(fā)熱，因此對(duì)于螺栓、導(dǎo)流排、絕緣支撐、觸指等部件可以進(jìn)行省略或者簡(jiǎn)化。觸指部位的簡(jiǎn)化見(jiàn)圖2所示。

圖2 觸指部位簡(jiǎn)化示意圖

3.2 網(wǎng)格劃分及邊界條件加載

有限元方法計(jì)算過(guò)程由3個(gè)步驟組成：前處理、有限元計(jì)算和后處理。其前處理中網(wǎng)格劃分的好壞對(duì)于有限元仿真分析至關(guān)重要，其直接關(guān)系到仿真的時(shí)間以及仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，因此需要對(duì)網(wǎng)格劃分的質(zhì)量加以控制。理論上講，網(wǎng)格單元?jiǎng)澐值臄?shù)量與有限元計(jì)算結(jié)果的精度是成正比的，即剖分越細(xì)密，與真實(shí)的物理模型特征吻合的越好，當(dāng)然，計(jì)算機(jī)資源的消耗也越大，計(jì)算時(shí)長(zhǎng)會(huì)越長(zhǎng)。由于本次模型較大，為了減少不必要的計(jì)算時(shí)間，采用自由四面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，對(duì)導(dǎo)體和筒體劃分網(wǎng)格控制小于，以保證局部網(wǎng)格質(zhì)量。

本次對(duì)母線單元端面施加溫升試驗(yàn)電流6930A，對(duì)接筒體的導(dǎo)流排施加0電位，從而實(shí)現(xiàn)電流回路的建立。同時(shí)，對(duì)外殼內(nèi)表面與導(dǎo)體外表面施加無(wú)滑移邊界條件，外殼外表面施加對(duì)流換熱系數(shù)[12]，為了與試驗(yàn)溫升值進(jìn)行對(duì)比，設(shè)置環(huán)境溫度與試驗(yàn)溫度值為20℃，求解溫度場(chǎng)方程。

3.3 求解及后處理

為了驗(yàn)證計(jì)算的可靠性，需要對(duì)母線的溫升進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試。該母線溫升試驗(yàn)由國(guó)家高壓電器質(zhì)量監(jiān)督中心西安高壓電器研究所高壓電氣試驗(yàn)室完成，試驗(yàn)電流為6900A，電流頻率50Hz，周圍風(fēng)速≤0.5m/s，試驗(yàn)?zāi)妇€SF6氣壓0.5MPa，環(huán)境溫度為20℃。通過(guò)與試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比，可以得出本次溫升的最大值出現(xiàn)在絕緣盆的連通導(dǎo)體上，其值為83.5℃，而實(shí)際試驗(yàn)值為78.9℃，解析計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值偏差在10%誤差以內(nèi)，滿足工程許用精度要求。母線溫升云圖見(jiàn)圖3。

圖3 母線溫升云圖

4 結(jié)論

伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，有限元仿真技術(shù)在工程應(yīng)用具有越來(lái)越重要的地位。本文基于ANSYS的有限元分析，建立了高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備中母線溫升的有限元模型，結(jié)合熱網(wǎng)格發(fā)和有限元法，簡(jiǎn)化集膚效應(yīng)和內(nèi)部氣體對(duì)流的計(jì)算，通過(guò)建立熱平衡狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)在“受限空間的自然對(duì)流換熱”的溫升計(jì)算。后期通過(guò)對(duì)母線的溫升仿真數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比，得出其溫升結(jié)果誤差在10%以內(nèi)，驗(yàn)證了該方法的準(zhǔn)確性，其具有工程應(yīng)用價(jià)值，該方法計(jì)算簡(jiǎn)潔，使用方便，能夠大大的縮短研發(fā)周期，提高設(shè)計(jì)效率，降低研發(fā)成本，為新產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)，有必要進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

[1]周小謙．我國(guó)電力發(fā)展與西北電力展望[J]．電網(wǎng)與清潔能源,2008(9)．

[2]徐國(guó)政．高壓斷路器原理與應(yīng)用[M]．北京:清華大學(xué)出版社,2000．

[3]宋帆,申春紅,林莘,等．800kV GIS隔離開(kāi)關(guān)磁場(chǎng)-溫度場(chǎng)計(jì)算與分析[J]．高電壓技術(shù),2008,34(7):1383-1388．

[4]殷家敏．歐勇,等．GIS母線損耗發(fā)熱的電磁場(chǎng)-流場(chǎng)-溫度場(chǎng)計(jì)算及影響因素分析[J]．水力發(fā)電,2012,38(4):28-42．

[5]GB/T 11022-2011高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)的共用技術(shù)要求[S]．2011．

[6]王沨等．高壓同軸GIS母線三維磁-熱耦合場(chǎng)的計(jì)算與分析[J]．湖南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2014,41(8):73-770．

[7]李建兵．電流趨膚效應(yīng)的二維數(shù)值分析[J]．微電子學(xué)與計(jì)算機(jī),2007,24(1)．

[8]熊信銀．發(fā)電廠電氣部分[M]．北京:中國(guó)電力出版社,2009．

[9]圓山重直．傳熱學(xué)[M]．北京:北京大學(xué)出版社,2011．

[10]成思源．有限元法的方法論[J]．重慶大學(xué)學(xué)報(bào)(社會(huì)科學(xué)版),2001(04):61-63．

[11]張洪信．ANSYS有限元分析[M]．北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2008．

[12]武安波．密集型母線槽磁場(chǎng)—溫度場(chǎng)綜合有限元分析[J]．高壓電器,2003,39(4):7-10．

龍錦霞（1983—），大學(xué)本科，助理工程師，研究方向：高壓斷路器設(shè)計(jì)。