接地開關用導流排電磁結構分析

楊姣龍　龔咪咪　趙艷濤　閆飛越　高振奎

（河南平芝高壓開關有限公司，河南　平頂山　467013）

接地開關用導流排電磁結構分析

楊姣龍龔咪咪趙艷濤閆飛越高振奎

（河南平芝高壓開關有限公司，河南平頂山467013）

在GIS開關設備中，接地開關起著安全保障的作用。性能測試中，其需要滿足動穩定性試驗的要求。在動穩定性試驗中，導流排受到很大的沖擊電動力，為了保障接地開關工作的安全性與穩定性，建立三維有限元模型，對GIS接地開關中的導流排進行電磁-結構耦合仿真，得出不同結構下導流排應對短路沖擊電流的能力，對比分析結果，得出合理的結構設計，為高壓GIS接地開關設計提供理論依據。

有限元分析；接地開關；電動力；機械強度

Keyworks:finite element analysis；earthing switch；electric power；mechanical strength

導流排廣泛應用在氣體絕緣金屬封閉開關設備（GIS設備）中，其主要作用是保持設備接地，提供安全保障。當GIS設備發生短路故障時，導體和殼體所受電動力會急劇增大，如設備機械強度不足，則引起導流排結構變形、接觸電阻增大等，無法保障安全接地，嚴重危害設備和電力系統的安全。因此，接地開關在正式投入使用之前必須經受短路電流耐受試驗［1，2］。所以，計算分析接地開關導流排在短路條件下的電動力及機械特性，對于保證可靠的接地性能，提高電力設備的運行安全性和穩定性具有現實意義。

分析計算中，電動力與電氣回路中的電流密度和磁感應強度有關。因此，求解出各部分的電流密度和由電流密度產生的磁感應強度是準確求解電動力的關鍵。由于空間結構復雜多樣，傳統的電動力計算公式計算困難。伴隨有限元計算軟件的快速發展，通過電流傳導分析、磁場強度分析和結構場分析，可以精確地計算出電氣系統的電動力分布及機械強度。本文以小型化550kV GIS用接地開關的接地導流排為研究對象，基于ANSYS 16.1的電磁場與結構場進行耦合分析，得出不同結構在短路沖擊電流下的分析結果，分析機械性能，給出合理的結構設計，為高壓GIS接地開關設計提供理論依據。

1　計算方法與物理模型

1.1計算方法與流程

通常在電磁-結構耦合分析時，先計算得到電流在模型中的密度分布，根據電流密度大小經過磁場分析計算出空間磁通密度分布，再計算通流載體在該電磁場下所受的電動力，最后將電動力作為初始條件導入結構場中，計算出對結構的影響。在這個仿真過程中，按照物理順序進行多步仿真，每一步仿真的結果都作為下一步仿真的加載條件，整個物理過程是多個物理場之間相互作用，且是多步的。

本次解析計算，構場分析采用ANSYS Mechanical模塊進行，磁場選擇使用Maxwell 3D有限元仿真軟件來進行。分析流程如圖1所示。

圖1　計算流程

1.2物理模型與材料屬性

根據有限元仿真分析步驟，首先建立三維仿真模型，為了節約系統資源、加快計算速度，需要簡化接地回路有限元模型。由于本次主要的研究對象是導流排本身的受力情況，因此與力分析無關或者對電動力影響較小的部件可以省略或者簡化。本次結構中傳動機構部分電阻值大，回路電流主要通過導流排與殼體，故可不對傳動機構部分建模，結合實際工況，導流排厚度10mm，寬度80mm，采用3種結構型式，建立有限元模型如圖2所示。

圖2　有限元模型

導流排材料為鋁材1050A-H24，選擇ANSYS材料庫中的“aluminum”，其相對磁導率為1，電導率3.8×107S/m，楊氏模量7.1×104MPa，泊松比0.33，兩端通過螺栓固定于接地開關上。按照國標要求，其在峰值耐受電流試驗中通過的電流峰值為171kA/0.3s，對模型加載激勵電流到導體端面和殼體端面，完成回流，其電流方向示意圖見圖3。同時周圍建立真空求解域，滿足對電磁場求解要求。

鋁材1050A-H24的抗拉強度Rm大于105MPa，允許應力 Rp0.2為75MPa。為了確保接地回路能夠安全工作，導流排短路時的最大電流所產生的彎曲應力不應該超過材料本身的最大允許應力，即R≤Rp0.2。

圖3　電流方向示意圖

2　數學模型

2.1電磁控制方程

動穩定性是考核設備在峰值電流電動力作用下影響。為便于分析使用準靜態假設的電磁場問題，可以忽略位移電流，并引入磁矢量位A作為輔助變量，麥克斯韋方程組可表述為：

將磁矢量位A的表達式代入安培環路方程，可以得出電磁場的控制方程：

同時采用庫倫規范條件：?·A=0，控制方程可以表述為泊松方程形式：

式（3）中，μ為材料磁導率；H為磁場強度；B為磁感應強度；E為電場強度；J為流經導體的激勵電流密度。

2.2電動力控制方程

按電磁場理論，任何磁場力都可以歸結為磁場對運動電荷的作用力，稱為洛倫磁力。導體中的電流由電荷的運動產生，假設導體中傳導電流的密度為J，則磁場對載流導體單位體積的作用力為：

在實際計算磁場對載流導體的作用力時，首先用數值計算法求解磁感應強度B，求得單位體積上作用力，則作用于載流導體上總的力為：

式（5）中，V為載流導體的體積，J和B分別為導體中傳導電流密度矢量和磁感應矢量。

3　計算結果及影響因素分析

3.1電磁場計算結果分析

通過電磁場分析，導流排在峰值短路電流下的磁通密度分布從計算的結果可以看出，導流排結構型式不同，使其電流密度和周圍磁通密度分布也不相同，從而影響到導流排上的電動力密度分布不同。

3.2結構場計算結果

在磁場中通電導體承受電動力，該作用力分布在導流排每個單元上，并以體積力體-磁網格映射到與之不同的結構網格上，使結構分析中包含電動力密度，映射后的力密度云圖見圖4。可以看到，3種方案中，整體電動力密度分別為0.3、0.6和0.3，其中方案二受到電動力局部較大，這也符合其導流排距通電導體距離越近，其所受電動力也就越大，且兩者之間電動力體現為斥力的現象。

將單元上的電動力轉換為作用力，約束導流排兩固定面，得出應力計算結果，對比結果見圖5。可以看出方案一和方案三局部應力值已經遠大于許用應力Rp0.2（75MPa），這樣將無法保證導流排的機械強度，導致變形。方案二其最大值76.4MPa，在螺栓緊固面處，其余部位均遠小于材料的許用應力Rp0.2，不會產生結構變形，滿足使用要求。

圖4　導流排力密度分布

3.3影響因素分析

接地導流排的布置型式一方面影響磁通密度的分布，進而影響通電導體所受電動力的大小；另一方面，不同的布置型式下，導流排長度和固定方式的不同會導致受力情況不同。因此，為使導流排在電動力下的結構穩定性最好，需要通過合理的結構布置以滿足使用要求。

方案一和方案三雖然導流排距離通電導體距離較遠，有效地降低了局部電動力，但由于結構長，整體承受電動力依然很大，且機械性能較方案二差。方案二中，導流排距離通電導體距離較原結構更近，雖然使得局部電動力變大，但由于導流排長度變短和固定方式的改變，使其在結構上機械性能更好。

圖5　結果對比

4　結語

通過建立接地開關的電磁-結構耦合有限元模型，通過電磁分析得到導流排的電流密度、磁通密度及電動力密度分布后，將電動力作為初始條件導入結構場分析中，最終對導流排進行了仿真分析及優化設計。通過對不同結構型式進行分析，分析影響因素，給出合理結構，大大縮短了研發周期，提高了設計效率，降低了研發成本，保證了產品質量，有必要進行進一步的推廣。

Analysis of Electromagnetic and Structure of Diversion Row Used in Earthing Switch

Yang JiaolongGong MimiZhao YantaoYan FeiyueGao Zhenkui
（Henan Pingzhi High-High-voltage Switchgear Co.Ltd.，Pingdingshan Henan 467013）

Earthing switch plays the role of security in GIS，and dynamic stability must be satisfied in performance testing.Moreover，great impulse electric power may be produced in diversion row，when dynamic stability test is conducted.To guarantee the security and stability of earthing switch，the coupled simulation of electromagnetic and structure for diversion row was used in ground loop based on the three-dimensional finite element model.And the capability of diversion row to respond to the short-circuit impulse current has been acquired among different structures.Reasonable structure design was obtained by comparing the results of the analysis，which provides a theoretical basis for the design of earthing switch used in GIS.

TM564

A

1003-5168（2016）05-0129-03

2016-04-18

作者介紹：楊姣龍（1983-），男，本科，助理工程師，研究方向：高壓斷路器設計。

［1］黎斌.SF6高壓電器設計［M］.北京：機械工業出版社，2009.

［2］林莘.現代高壓電器技術［M］.北京：機械工業出版社，2002.