朱云逸

（中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 嘉興 314300）

0 引言

進(jìn)線柜，就是從外部引進(jìn)電源的開(kāi)關(guān)柜。一般是從供電網(wǎng)絡(luò)引入10KV電源，10KV電源經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)柜將電能送到10KV母線，這個(gè)開(kāi)關(guān)柜就是進(jìn)線柜。作為電能傳輸設(shè)備，進(jìn)線柜就是由低壓電源（變壓器低壓側(cè)）引入配電裝置的總開(kāi)關(guān)柜。35KV～110KV及以上電壓等級(jí)的變電站，進(jìn)線柜均所指為變壓器低壓（10KV）開(kāi)關(guān)柜。即由變壓器低壓側(cè)輸出連接至10KV母線的初始端的第一個(gè)柜：稱為進(jìn)線柜，也稱為變低進(jìn)線柜。進(jìn)線柜為負(fù)荷側(cè)的總開(kāi)關(guān)柜，該柜擔(dān)負(fù)著整段母線所承載的電流，由于該開(kāi)關(guān)柜所聯(lián)接的是主變與低壓側(cè)負(fù)荷輸出，就顯其作用的重要所在。進(jìn)線柜的溫升對(duì)其工作性能和可靠性影響較大，當(dāng)其溫升上升到一定極限時(shí)，就會(huì)加速絕緣老化、甚至絕緣破壞，直接影響進(jìn)線柜系統(tǒng)使用壽命和相關(guān)設(shè)備的安全。

國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有不少學(xué)者采用有限元計(jì)算法研究進(jìn)線柜的溫度問(wèn)題[1]。迄今為止，渦流電磁場(chǎng)的分析與計(jì)算仍是人們關(guān)注和努力解決的問(wèn)題，數(shù)值計(jì)算方法是解決它的一個(gè)有效工具[2]。本文采用有限元法分析渦流感應(yīng)和溫度場(chǎng)分布模型。進(jìn)線柜中母線分別施加不同電流等級(jí)三相電流，計(jì)算其周圍電磁場(chǎng)分布以及母線導(dǎo)體和柜殼體的表面溫升。對(duì)進(jìn)線柜的電磁場(chǎng)物理問(wèn)題進(jìn)行分析可知，進(jìn)線柜中母線導(dǎo)體施加三相交變電流后，在母線內(nèi)部及周圍空間產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，交變磁場(chǎng)會(huì)引起母線導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電流（渦流），影響導(dǎo)體中的電流分布，即母線導(dǎo)體中電流集中在導(dǎo)體表面分布，母線導(dǎo)體表面損耗增大。所以對(duì)進(jìn)線柜的磁場(chǎng)計(jì)算需要采用交流時(shí)諧磁場(chǎng)計(jì)算，計(jì)算考慮母線導(dǎo)體中的渦流分布。

圖1 進(jìn)線柜磁場(chǎng)計(jì)算模型Fig.1 Magnetic field calculation model of inlet cabinets

圖2 磁場(chǎng)計(jì)算模型整體網(wǎng)格Fig.2 Magnetic field calculation model overall grid

圖3 A/B/C表示三相母線導(dǎo)體布局Fig.3 A/B/C Indicates the layout of three-phase busbar conductors

在磁場(chǎng)計(jì)算完成后，將磁場(chǎng)計(jì)算的損耗結(jié)果通過(guò)插值的方式傳遞至熱分析計(jì)算模型，進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱計(jì)算，計(jì)算母線導(dǎo)體表面溫升分布。進(jìn)線柜的電場(chǎng)分布采用靜電場(chǎng)進(jìn)行分析計(jì)算，電場(chǎng)分析模型與磁場(chǎng)分析模型不同，電場(chǎng)分析中保留所有內(nèi)部接地導(dǎo)體以及內(nèi)部絕緣體。

1 有限元模型

進(jìn)線柜有限元模型分為5層：母線導(dǎo)體層、殼內(nèi)空氣層、外殼層、殼外空氣層及遠(yuǎn)場(chǎng)單元層（遠(yuǎn)場(chǎng)單元是應(yīng)用無(wú)限元法來(lái)模擬無(wú)限遠(yuǎn)處邊界條件的專用有限元單元）。工頻磁場(chǎng)采用法求解，具體選用ANSYS/MULTIPHYSICS模塊和PLANE53單元，在遠(yuǎn)場(chǎng)單元邊界設(shè)置矢量磁位A_=0。要計(jì)算母排和外殼中的渦流，應(yīng)分別對(duì)各個(gè)母排以及外殼進(jìn)行電壓耦合，指定各個(gè)母排及外殼的橫截面分別為等位面[3]。

母線導(dǎo)體材料為銅，相對(duì)磁導(dǎo)率為1，電阻率為1.7E～8ΩM，空氣相對(duì)磁導(dǎo)率為1。

1.1 磁場(chǎng)計(jì)算網(wǎng)格劃分

磁場(chǎng)計(jì)算劃分網(wǎng)格模型如圖2所示。

磁場(chǎng)計(jì)算模型劃分總單元數(shù)約為60.39萬(wàn)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)約為134.24萬(wàn)。

由于母線導(dǎo)體需要計(jì)算其渦流分布，所以為了保證計(jì)算結(jié)果精度，對(duì)母線導(dǎo)體的網(wǎng)格劃分做了簡(jiǎn)化處理，其網(wǎng)格如圖3所示。

1.2 磁場(chǎng)計(jì)算結(jié)果

分別對(duì)三相母線導(dǎo)體施加電流4KA，其磁場(chǎng)及電流密度、損耗分布如圖4、圖5、圖6所示。

1.3 進(jìn)線柜熱場(chǎng)計(jì)算

建立進(jìn)線柜熱場(chǎng)分析模型，并將磁場(chǎng)計(jì)算結(jié)果焦耳熱生成率傳遞至熱分析模型，對(duì)導(dǎo)體表面時(shí)間對(duì)流換熱系數(shù)以及周圍環(huán)境溫度[4]，計(jì)算其表面溫度分布。

圖4 導(dǎo)體表面磁通量密度分布（實(shí)部）Fig.4 Distribution of magnetic flux density on conductor surface (solid part)

圖5 母線導(dǎo)體內(nèi)部電流密度分布（實(shí)部）Fig.5 Internal current density distribution of busbar conductors (real part)

圖6 母線導(dǎo)體損耗密度分布（時(shí)間平均值）Fig.6 Loss density distribution of busbar conductors (time average)

1.4 進(jìn)線柜電場(chǎng)計(jì)算

1）電場(chǎng)計(jì)算模型

對(duì)進(jìn)線柜進(jìn)行電場(chǎng)建模，電場(chǎng)分析模型如圖7所示。

進(jìn)線柜電場(chǎng)模型主要包含4部分：三相母線導(dǎo)體、柜體以及內(nèi)部接地支撐導(dǎo)體、內(nèi)部絕緣支撐以及內(nèi)部空氣介質(zhì)。其中三相母線導(dǎo)體施加高電位，接地支撐導(dǎo)體施加零電位，所有導(dǎo)體均為理想導(dǎo)體，相對(duì)介電常數(shù)取為1，絕緣支撐相對(duì)介電常數(shù)取為7，空氣相對(duì)介電常數(shù)為1。

對(duì)三相母線導(dǎo)體同時(shí)施加電壓12KV，計(jì)算其周圍空間電場(chǎng)分布。

2）電場(chǎng)分析劃分網(wǎng)格

對(duì)電場(chǎng)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分網(wǎng)格如圖8所示。

電場(chǎng)分析模型劃分網(wǎng)格總單元數(shù)約為122.166萬(wàn)，總節(jié)點(diǎn)數(shù)約為199.39萬(wàn)。

3）電場(chǎng)分析結(jié)果

圖7 進(jìn)線柜電場(chǎng)分析模型Fig.7 Electric field analysis model of inlet cabinets

圖8 進(jìn)線柜電場(chǎng)計(jì)算劃分網(wǎng)格Fig.8 Inlet cabinet electric field calculation partition grid

圖9 空間剖面的電位線分布Fig.9 Potential line distribution of spatial profiles

圖10 內(nèi)部絕緣體的電位分布Fig.10 Potential distribution of internal insulators

圖11 導(dǎo)體表面電場(chǎng)分布Fig.11 Electric field distribution of conductor surface

計(jì)算得出，導(dǎo)體表面電場(chǎng)最大約為8.6KV/CM，出現(xiàn)于與絕緣支撐相連接的支撐導(dǎo)體處，大部分電場(chǎng)強(qiáng)度值在1.07KV/CM～4.79KV/CM中。

計(jì)算得出絕緣支撐體表面電場(chǎng)最大約為6.83KV/CM，出現(xiàn)在導(dǎo)體與柜體伸出段位置，該位置由于受外部導(dǎo)體邊界條件影響，結(jié)果可不作考慮。絕緣體表面電場(chǎng)強(qiáng)度主要介于0.33KV/CM～2.28KV/CM之間。

1.5 進(jìn)線柜熱場(chǎng)計(jì)算

進(jìn)線柜單相銅排輸入電流幅值4000A，考慮此時(shí)銅排表面、銅排支撐件及進(jìn)線柜箱壁表面溫度場(chǎng)分布云圖，以考察進(jìn)線柜熱點(diǎn)分布。

經(jīng)過(guò)精確仿真模擬計(jì)算，此進(jìn)線柜結(jié)構(gòu)模型電場(chǎng)強(qiáng)度分布及熱場(chǎng)分布與實(shí)際運(yùn)行進(jìn)線柜電磁及熱場(chǎng)分布工況一致，可作為實(shí)際生產(chǎn)前理論分析優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)加以利用[5]。

2 結(jié)論

根據(jù)對(duì)空氣絕緣型進(jìn)線柜電磁場(chǎng)——渦流熱場(chǎng)及溫度場(chǎng)的耦合分析，本文得出如下結(jié)論：

1）本文建立的電磁場(chǎng)耦合渦流熱場(chǎng)分析步驟及方法對(duì)多種電氣設(shè)備的熱性能分析具有參考意義。

圖12 絕緣體表面電場(chǎng)分布Fig.12 Electric field distribution of insulator surface

圖13 銅排表面熱像分布云圖，其表面最高溫度74℃Fig.13 Image distribution of copper row surface thermal Image cloud map, its surface maximum temperature of 74℃

圖14 絕緣支撐件熱像分布云圖，其最高溫度37℃Fig.14 Thermal image distribution cloud map of insulated support parts with a maximum temperature of 37℃

圖15 進(jìn)線柜箱壁表面熱像分布云圖，其最高溫度41℃Fig.15 Wall surface thermal image distribution cloud map,its maximum temperature of 41℃

2）理論模型建立，驗(yàn)證過(guò)程確認(rèn)，對(duì)驗(yàn)證結(jié)論有效性評(píng)估可以結(jié)合實(shí)際試驗(yàn)狀態(tài)進(jìn)行，為此確定的整套模型驗(yàn)證體系，可作為今后進(jìn)線柜或配電結(jié)構(gòu)電磁耐熱及絕緣有效性的參考依據(jù)，對(duì)生產(chǎn)有效性起到很大的省材效果。