開關柜母線的設計與仿真分析

易洋

摘要：在現有的開關柜實心型母線的基礎上，利用穿孔技術，設計了一種新型的孔洞型母線。孔洞型母線能夠有效減弱集膚效應，并且達到了節省銅用量的目的。在有限元分析軟件COMSOL中對母線進行建模，利用電流與溫度場耦合的方法，分析比較了實心型母線和孔洞型母線的溫升，得出了孔洞型母線能夠有效減小溫升的結論。理論分析與仿真分析均表明，文章所設計的孔洞型母線性能優良，可以在實際工程中推廣應用。

Abstract： On the basis of the existing solid bus-bar in switchgear， a hole-type bus-bar is designed by perforating technique. The hole-type bus-bar is able to reduce skin effect as well as saving copper consumption. The bus-bar model is made in COMSOL， the temperature rise of solid bus-bar and hole-style bus-bar is analyzed and compared by current and temperature field coupling method. The conclusion that hole-type bus-bar can reduce temperature rise is made. Through theoretical analysis and simulation analysis， the designed hole-type bus-bar has good performance to be applied in practical engineering.

關鍵詞：母線；有限元；溫度場

Key words： bus-bar finite；element；temperature field

中圖分類號：TM591 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）21-0170-03

0 引言

開關柜是電力系統中的重要設備，在電網中的應用非常普遍。目前，開關柜中的母線普遍采用實心型的銅體[1]。一方面，由于導體處于交變的磁場中，會產生集膚效應和鄰近效益，電流趨向于分布在母線表面，母線的交流電阻增大，發熱增加；另一方面，由于母線為實心型，與空氣的表面接觸面積較小，不利于散熱，導致溫升過高，容易引發事故。由于母線過熱造成的設備損壞等運行事件成為了開關柜安全運行的隱患[2，3]。針對以上問題，本文設計一種在不改變母線槽以及母線外表面的條件下的新型母線，方便實際工程的應用。該新型母線為孔洞型母線，即在母線截面上進行穿孔處理，實心型母線與孔洞型母線的對比如圖1所示。本文以10mm*120mm*1000mm的母線為例，利用有限元分析軟件對其進行建模，通過仿真分析，驗證在相同載流量的情況下，孔洞型母線的溫升小于實心型母線，從而得出所設計的新型母線不僅節省了原材料，并且更加有利于運行的結論。

1 理論分析

2 母線模型的建立

由于存在各種非線性計算以及物理場之間的耦合，利用解析算法計算母線的溫度分布將會非常復雜。而采用有限元法，通過網格的剖析，利用數值分析的方法，能夠將問題進行簡化，提高了計算的速度，所得的結果也較為精確。近年來，有限元分析法廣泛利用與電磁場、溫度場、聲場等各種物理場耦合問題的分析中，并取得了很好的效果。因此，本文在有限元分析軟件COMSOL中對母線進行建模仿真，最終計算出母線的溫度分布。

開關柜中母線處于熱穩定狀態時，其熱源為電流流過母線產生的焦耳熱。在COMSOL中，利用焦耳熱模塊對母線進行建模，即將電流與固體傳熱耦合，電流產熱作為母線的載荷，通過固體傳熱中的對流傳熱與輻射傳熱，計算分析母線的溫度穩定值[5，6]，具體的設置如下：

①在母線的兩端加上電勢，使母線的載流量符合仿真值，作為溫度場仿真的載荷。②在多物理場的耦合中，分別設置電磁熱源、邊界電磁熱源以及溫度耦合，使電流產生的焦耳熱與固體傳熱實現耦合。③在固體傳熱模塊中，外部環境溫度為20攝氏度母線的所有與空氣接觸的面設置為熱通量，外部為自然對流。傳熱系數綜合考慮對流散熱以及輻射散熱，并考慮溫度變化對傳熱系數產生的影響。

在COMSOL中建立母線的三維模型，網格的劃分是一個重要的環節，將會影響計算結果的精準度。但是，網格的劃分并非越細越好，不必要的網格精細化會造成運算速度的緩慢和暫用大量內存。通過多次試驗，本文的網格劃分采用物理場控制，進行細化的劃分，得到的開關柜母線的網格劃分模型如圖2所示。

3 仿真計算與分析

通過查詢電氣手冊，得知設計的母線的額定載流量為2400A，因此，分別對額定載流量的80%、100%和120%進行仿真，在實心型母線和孔洞型母線加載相同電流密度，對比分析兩者的溫度場分布情況。所得的仿真結果如圖3-圖5所示。

由仿真結果，可得母線溫度的最值，如表1所示。

由仿真圖的溫度場分布可知，母線中間的溫度較高，兩端溫度較低，這是由于母線兩端與空氣接觸面較大，有利于散熱。此外，隨著載流量的增大，母線的溫度增加，這是由于電流增大時，母線的損耗增大，此時產生的熱量較大，則熱平衡時母線的溫度較高，符合理論分析結果。

對比實心型母線和孔洞型母線的溫度最高值，在不同載流量的情況下，實心型母線的溫度均高于孔洞型母線，其溫度增加百分比分別為14%，16.25%以及17.82%。可知，隨著載流量的增加，實心型母線的溫度增加幅度更大，即孔洞型母線更利于散熱。有理論分析可知，孔洞型母線通過內部的孔洞增加了與空氣的接觸面，更加有利于對流散熱和輻射散熱，因此，在同樣載流量的情況下，孔洞型母線的溫度較實心型母線低。

4 結論

本文設計了一種新型開關柜母線，在現有的實心型母線的基礎上，進行穿孔處理，不改變母線原有的安裝固定方式，便于母線的更替。新型的孔洞型母線不僅能夠減弱集膚效應，并且通過有限元仿真分析，在相同的載流量下，孔洞型母線的溫升較實心型母線有所降低。由此可知，本文設計的新型開關柜母線能夠減少銅的用量，運行溫度較低，適用于工程的推廣。

參考文獻：

[1]張北寧.管形絕緣母線和矩形銅排母線性能比較及應用[J].水電與新能源，2010（06）：60-64.

[2]詹金特，江思源.一起10kV開關柜主母線過熱的缺陷分析及對策[J].廣東科技，2010（18）：95-96.

[3]韋瑜華.一起10kV封閉式開關柜母排發熱故障的分析[J].華東科技，2012（8）：248.

[4]張靖周.傳熱學[M].科學出版社，2009.

[5]丁斌，徐耀良.大電流封閉母線磁-流-熱場耦合有限元分析[J].高壓電器，2010，46（8）：31-34.

[6]曾亮.基于有限元的252kV GIS母線電場和溫度場的仿真與優化[D].福建：廈門理工學院，2016.