接地開關用導流排的熱穩定性分析

駱常璐 秦曉宇 張壘

摘要：550kV高壓斷路器在我國電網建設中占據主要位置，其設備的安全運行至關重要。為了保證設備長期運行的安全性與可靠性，國標規定，需要對接地開關（ES）進行短時耐受性能試驗。文章結合磁場與瞬態溫度場進行耦合分析，得出導流排在短路電流下的溫升情況，同時對比理論計算結果，分析差異原因，給出合理的尺寸設計。

關鍵詞：有限元分析；接地開關；導流排；熱穩定性；高壓斷路器；電網建設 文獻標識碼：A

中圖分類號：TM75 文章編號：1009-2374（2016）29-0034-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.29.014

氣體絕緣金屬密封設備（GIS設備）經過不斷優化與改進，其自身開斷能力已經從25kA增大到63kA，而大電流的通過勢必帶來設備高溫升的情況。當GIS設備發生短路故障時，接地開關用導流排通過50Hz 63kA大電流，3秒內溫升高達200℃～300℃，而導流排截面積選取不合適，會直接導致導流排熔斷等危害電網系統的故障，因此短路電流對導流排的材料選擇、尺寸設計等都提出了較高要求。所以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。對此，解析計算接地開關用導流排在短路電流下的溫升是非常必要的，選擇合適的尺寸，在降低設備成本的同時保證足夠的通流能力和安全裕度也是工程設計追求的目標之一。

大電流通過載流導體時，由于導體本身電阻的存在，會產生大量焦耳熱，同時一般的電路短路時，設備會自動切斷線路，因此標準中規定了最大短路電流通過時間為3秒，在這么短的時間內，熱量無法擴散，載流導體承擔了所有熱量，導致自身溫度急劇上升。為保證今后產品的安全運行，要確保在短路電流后載流導體溫度不超過材料軟化點溫度，不產生破壞性溫升故障。目前，短路電流的溫升計算方法有解析法與有限元法兩種，解析法就是建立簡單的數學模型，推導公式進行理論計算，但由于空間結構復雜多樣以及交流電流集膚效應的影響，傳統的溫升計算公式精度差、局限多，計算繁瑣。另外，伴隨著有限元計算軟件的高速發展，通過交流電流在電磁場中的熱量分析，能夠準確地模擬集膚效應的影響，之后通過瞬態溫度場分析，得出精確的溫升變化，精度高且便于計算。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的電磁場與溫度場進行耦合分析與理論計算結果進行對比，得出導流排在短路沖擊電流下的溫升結果，給出合理的尺寸設計，為高壓GIS接地開關設計提供理論依據。

1 計算方法與基本參數

1.1 計算方法

對于載流導體溫升的理論計算較為成熟，其計算流程也較為簡單，如圖1所示，通過計算導體電阻而求出發熱功率，最后直接計算導體溫升結果。

對于在電磁-溫度場耦合分析，由于是交流電流，首先計算得到電流在載流導體中的密度分布，根據電流密度大小再計算局部各個位置的發熱功率，最后將發熱功率作為初始條件導入溫度場中，計算出載流導體在3秒后的溫升情況。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的相互作用且是多步的。

本次解析計算，瞬態溫度分析采用ANSYS Transient Thermal模塊進行，電磁場分析選擇Maxwell 3D有限元仿真軟件來進行。分析流程如圖2。

1.2 基本參數

本次解析對象的導流排基本設計尺寸中寬度80mm、長度282mm、厚度7mm。導流排材料為銅板T2R，選擇ANSYS材料庫中的“Copper”，材料相對磁導率為1，電導率為5.9×107s/m，材料密度為8.3×103kg/m3，比熱容為385J/kg·℃，兩端通過螺栓固定于接地開關上，本次解析計算，簡化處理，不再考慮螺栓孔影響。按照國標要求，其在短路電流試驗中通過的電流為63kA/0.3s，建立有限元模型，對模型加載激勵電流到導體端面，其有限元模型及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。

銅板T2R的熔點溫度為1083℃，軟化點溫度不低于380℃，允許最大發熱溫度250℃。為了確保接地回路能夠安全工作，導流排在短路沖擊電流下所產生的溫升不應該超過材料本身的最大允許溫升，即不超過250℃。

2 理論計算及有限元結果對比

2.1 發熱量結果分析

理論計算，根據基本尺寸參數，求得導流排的橫截面積S為560mm2，長度L為282mm，電導率k為5.9×107s/m，額定短路電流I的有效值為63kA，則計算導流排的發熱功率W：

W=I2R=I2 =3.386×104W

解析計算，根據有限元分析步驟，首先建立三維仿真模型，并劃分網格對其進行前處理，其前處理對有限元解析至關重要，本次解析結構簡單，對導流排網格單元簡單設置尺寸為小于2mm即可，對電磁場中真空求解域采用自由網格劃分，最終有限元模型網格剖分結果見圖4。

通過電磁場解析，計算導流排在50Hz 63kA短路電流下的發熱功率，并通過數據映射器，將整體數據映射到溫度場網格上，完成Maxwell 3D與ANSYS Transient Thermal的數據傳輸，同時由于映射誤差的存在，發熱功率不能完整的傳輸，通過查看映射數據與網格劃分，將功率的傳遞誤差控制在0.1%左右。其映射后的各部分發熱功率云圖與傳遞誤差如圖5所示，可見解析計算結果總發熱功率為3.665×104W，較公式計算高出8.24%，兩者存在誤差。

2.2 溫升結果分析

理論計算，根據基本參數，求得導流排的體積V為1.512×105mm3，發熱時間t為3s，材料密度σ為8.3×103kg/m3，比熱容C為385J/kg·℃，則計算導流排的溫升ΔT：

ΔT===210℃

可知通過理論公式計算，結果滿足許用溫升要求，考慮環境溫度20℃也滿足不高于軟化點溫度250℃的使用要求。

解析計算，通過溫度場分析，通流3秒后的導流排溫度如圖6所示：

可知，通過有限元分析，結果不滿足使用要求，最高溫升高達268℃，最低溫升在180℃，再考慮到環境溫度30℃的情況下，使用溫度更高。

2.3 影響因素分析

通過以上結果可以看出，理論計算與解析計算存在誤差，而且直接影響是否滿足使用要求的判定。本次短路電流時50Hz 63kA，為交流電，而當導體中有交流電通過是，導體內部電流分布不均，電流集中在導體的“皮膚”部分，也就是說電流集中在導體外表的薄層，越靠近導體表面，電流密度越大，導線內部實際上電流較小，這就是趨膚效應。這種現象使導體的電阻值增加，損耗功率也增加，同時也是造成導流排兩端溫升較高，中間部分溫升較低的原因所在。通過調取有限元解析結果，導出導流排截面上電流密度云圖（圖7），也可以清晰看到趨膚效應的影響非常顯著。

3 改進方案

通過有限元解析，導流排現有尺寸無法滿足使用要去，需要變更，其厚度方向由原來的7mm變更為10mm，其余尺寸保持不變，這樣導流排截面積增大至560mm2，導體電阻降低，發熱量減少，同時由于導流排體積的相對增加，整體溫升也將得到很大改善，再次通過有限元對新尺寸導流排進行解析計算，得到溫升云圖見圖8所示，導流排最高溫升降至200℃，考慮到環境的溫度，也完全滿足允許溫升250℃的使用要求。

4 結語

通過建立導流排的電磁-溫度場耦合有限元分析，通過電磁分析得到導流排的發熱功率，再將發熱功率導入到溫度場分析中，最終完成對導流排的溫升計仿真計算及優化設計。通過有限元分析，可以充分考慮交流電的趨膚效應現象，彌補了理論計算溫升較低的誤差，提高了計算效率，降低了產品運行時的風險，保證了設備長期安全可靠的運行，耦合仿真對于導流排的設計具有指導意義。

參考文獻

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作者簡介：駱常璐（1988-），男，河南平芝高壓開關有限公司助理工程師，研究生，研究方向：高壓斷路器設計。

（責任編輯：蔣建華）