高壓GIS用母線的溫升仿真計算

河南平芝高壓開關(guān)有限公司 龍錦霞

高壓GIS用母線的溫升仿真計算

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高壓開關(guān)設(shè)備(GIS) 在我國的電網(wǎng)建設(shè)中占據(jù)著重要位置，其中設(shè)備的安全運行至關(guān)重要，而在實際運行中，由于設(shè)備長期帶電，電阻損耗發(fā)熱導(dǎo)致溫度升高，從而會影響到產(chǎn)品性能。為了保證GIS可靠的電力連接，實現(xiàn)設(shè)備的安全運行，在產(chǎn)品設(shè)計時，滿足溫升設(shè)計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象，通過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，對其進(jìn)行溫升計算。通過將計算結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，驗證了該方法的準(zhǔn)確性，其試驗值與計算值最大誤差在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，我國有著全球最龐大的電網(wǎng)系統(tǒng)，自2002年起至今，電源裝機、電網(wǎng)規(guī)模已居世界首位。伴隨著國內(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。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、金屬材料機械強度下降、導(dǎo)體接觸部電阻升高的等不良影響，從而無法滿足工程需求，因此研究和預(yù)測母線單元的發(fā)熱與溫升，關(guān)鍵在于了解設(shè)備內(nèi)部分溫升分布，這對材料的選擇、合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計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問題[3-4]，他們大都采用磁場-流場耦合散熱模型進(jìn)行分析，但存在模型復(fù)雜，網(wǎng)格量大，計算時間長等缺點，本文以550kV GIS用母線單元為研究對象，基于ANSYS有限元分析平臺，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，計算出設(shè)備各部位最終的溫升情況。

1 計算模型及步驟

1.1 計算模型

本文采用的計算模型為550kV GIS產(chǎn)品用母線，有限元模型及實物見圖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，溫升試驗電流6930A[5]，環(huán)境溫度20℃，室內(nèi)無風(fēng)環(huán)境。該母線單元水平布置，構(gòu)成簡單，且筒體直徑小，其渦流損耗的影響，對導(dǎo)體與殼體的最高溫度影響在0.5℃左右[6]，因此為方便計算，本次計算分析不考慮殼體的渦流損耗。此外，本模型只考慮穩(wěn)定時的溫升，不考慮溫升建立過程及外界風(fēng)速的影響。最終有限元模型及實物見圖1所示。

圖1 有限元模型及實物

1.2 計算步驟

任何發(fā)熱計算的分析方法都是以第一定律為基礎(chǔ)的，即在一個沒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。本次計算時，采用解析法與有限元法相結(jié)合，首先，利用ANSYS有限元軟件，對解析模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，再對交流阻抗與散熱系數(shù)進(jìn)行理論計算，得出結(jié)果作為有限元計算輸入的材料屬性參數(shù)與邊界條件參數(shù)，最后進(jìn)行仿真計算，得出溫升結(jié)果。該過程思路清晰，計算簡潔，對于一般工程應(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)電流通過導(dǎo)體作周期性變化時，磁場也跟著變化，而在線芯的每根導(dǎo)絲上就感生反對電流變化的電勢。由于靠近軸心的導(dǎo)絲電勢大（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。通過計算公式[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℃時的直流電阻率；為20℃時的電阻溫度系數(shù)；為導(dǎo)體的運行溫度；為導(dǎo)體截面面積。對于圓柱及圓管導(dǎo)體的集膚效應(yīng)系數(shù)可通過查表[8]。

2.2 對流、傳導(dǎo)與輻射散熱系數(shù)

熱量的耗散有對流、輻射和傳導(dǎo)三種形式。其中熱對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)是指因為溫度梯度的存在而產(chǎn)生的熱量交換，其通常發(fā)生在兩個接觸完全的物體之間或一個物體的不同部分。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)化為熱量的過程。該三種熱量傳遞的表達(dá)式相對成熟[9]，這里不再贅述。對于密封的母線單元來說，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)生的熱量則通過輻射與對流傳遞到SF6氣體，而SF6氣體又通過熱對流將熱量傳遞帶筒體內(nèi)表面，從而形成了“受限空間的自然對流換熱”，因此可以認(rèn)為最后全部的熱量均是通過筒體表面的空氣對流進(jìn)行散熱，最終達(dá)到熱平衡狀態(tài)。

3 溫升計算

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、加快計算速度，在建立有限元仿真模型前，需要對模型各個部分進(jìn)行一定的簡化。由于本次主要的研究對象是導(dǎo)體及筒體的發(fā)熱，因此對于螺栓、導(dǎo)流排、絕緣支撐、觸指等部件可以進(jìn)行省略或者簡化。觸指部位的簡化見圖2所示。

圖2 觸指部位簡化示意圖

3.2 網(wǎng)格劃分及邊界條件加載

有限元方法計算過程由3個步驟組成：前處理、有限元計算和后處理。其前處理中網(wǎng)格劃分的好壞對于有限元仿真分析至關(guān)重要，其直接關(guān)系到仿真的時間以及仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，因此需要對網(wǎng)格劃分的質(zhì)量加以控制。理論上講，網(wǎng)格單元劃分的數(shù)量與有限元計算結(jié)果的精度是成正比的，即剖分越細(xì)密，與真實的物理模型特征吻合的越好，當(dāng)然，計算機資源的消耗也越大，計算時長會越長。由于本次模型較大，為了減少不必要的計算時間，采用自由四面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，對導(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。

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

3.3 求解及后處理

為了驗證計算的可靠性，需要對母線的溫升進(jìn)行試驗測試。該母線溫升試驗由國家高壓電器質(zhì)量監(jiān)督中心西安高壓電器研究所高壓電氣試驗室完成，試驗電流為6900A，電流頻率50Hz，周圍風(fēng)速≤0.5m/s，試驗?zāi)妇€SF6氣壓0.5MPa，環(huán)境溫度為20℃。通過與試驗值進(jìn)行對比，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℃，而實際試驗值為78.9℃，解析計算值與實驗值偏差在10%誤差以內(nèi)，滿足工程許用精度要求。母線溫升云圖見圖3。

圖3 母線溫升云圖

4 結(jié)論

伴隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展，有限元仿真技術(shù)在工程應(yīng)用具有越來越重要的地位。本文基于ANSYS的有限元分析，建立了高壓開關(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，簡化集膚效應(yīng)和內(nèi)部氣體對流的計算，通過建立熱平衡狀態(tài)，實現(xiàn)在“受限空間的自然對流換熱”的溫升計算。后期通過對母線的溫升仿真數(shù)據(jù)與試驗數(shù)據(jù)的對比，得出其溫升結(jié)果誤差在10%以內(nèi)，驗證了該方法的準(zhǔn)確性，其具有工程應(yīng)用價值，該方法計算簡潔，使用方便，能夠大大的縮短研發(fā)周期，提高設(shè)計效率，降低研發(fā)成本，為新產(chǎn)品設(shè)計提供了理論依據(jù)，有必要進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

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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。