基于有限元法對(duì)高壓電氣設(shè)備中異形導(dǎo)體電阻值進(jìn)行計(jì)算

潘世巖, 劉徐孟, 黃林利

1. 華儀電氣上海技術(shù)研究院有限公司 上海 201306 2. 上海思源高壓開關(guān)有限公司 上海 201108 3. 華儀電氣股份有限公司 浙江溫州 325600

1 問(wèn)題的提出

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市用地的匱乏，在變電站規(guī)劃設(shè)計(jì)中往往安排了較多的供電回路。由于高壓電氣設(shè)備體積較大，在有限的布置場(chǎng)地中，為了縮小設(shè)備體積，采用了大量的異形導(dǎo)體。圖1為某110kV變電站高壓開關(guān)設(shè)備布置現(xiàn)場(chǎng)，圖2為該 110kV 高壓開關(guān)設(shè)備的內(nèi)部導(dǎo)體。

圖1 110kV變電站高壓開關(guān)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)

圖2 110kV高壓開關(guān)設(shè)備內(nèi)部導(dǎo)體

回路電阻值測(cè)量是DL/T 617—2010《氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備技術(shù)條件》、GB/T 11022—2011《高壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)的共用技術(shù)要求》、GB 7674—2008《額定電壓72.5kV及以上氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備》、DL/T 618—2011《氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)交接試驗(yàn)規(guī)程》、GB 50150—2016《電氣裝置安裝工程電氣設(shè)備交接試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》等標(biāo)準(zhǔn)中強(qiáng)制檢查的項(xiàng)目。如果回路電阻值不合格，輕則造成局部發(fā)熱，重則造成設(shè)備燒毀，繼而影響電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[1-3]。標(biāo)準(zhǔn)同時(shí)規(guī)定，測(cè)量主回路的電阻值，宜采用電流不小于 100A 的直流降壓法，測(cè)試結(jié)果不應(yīng)超過(guò)產(chǎn)品技術(shù)條件規(guī)定值的1.2倍[4]。因?yàn)楦邏航M合電氣設(shè)備由系統(tǒng)需求、進(jìn)出線位置及方式、現(xiàn)場(chǎng)安裝等諸多因素確定主回路連接方式，同時(shí)各生產(chǎn)廠家產(chǎn)品有自身設(shè)計(jì)特點(diǎn)，所以具體工程的回路電阻值無(wú)法進(jìn)行系統(tǒng)性規(guī)定，參考電阻值均為生產(chǎn)廠家按實(shí)際工程提供[5]。當(dāng)單個(gè)導(dǎo)體的電阻值不準(zhǔn)確時(shí)，造成的累積誤差會(huì)影響安裝和后續(xù)使用。

2 導(dǎo)體電阻值的常規(guī)計(jì)算

以110kV高壓開關(guān)設(shè)備為例，其主回路由不同功能元件按系統(tǒng)需要進(jìn)行拼接，元件內(nèi)部主回路由規(guī)則形態(tài)導(dǎo)體、異形導(dǎo)體、滑動(dòng)電連接及螺栓鎖緊電接觸面組成。110kV組合電氣設(shè)備母線內(nèi)部為規(guī)則形態(tài)導(dǎo)體，如圖3所示。三工位隔離接地開關(guān)設(shè)備內(nèi)部有異形導(dǎo)體、滑動(dòng)電連接及螺栓鎖緊電接觸面，如圖4所示。

對(duì)于規(guī)則形態(tài)導(dǎo)體，如標(biāo)準(zhǔn)圓柱形、管形、長(zhǎng)方形導(dǎo)體，因其截面較為統(tǒng)一，可以直接按下式求取電阻值R：

R=ρl/s

(1)

式中：ρ為導(dǎo)體電阻率；l為導(dǎo)體長(zhǎng)度；s為導(dǎo)體截面積。

圖3 110kV組合電氣設(shè)備母線

圖4 三工位隔離接地開關(guān)

圖3中規(guī)則形態(tài)導(dǎo)體l=2000mm，材料為6063-T6牌號(hào)φ100mm×10mm鋁合金管，20℃時(shí)電阻率為3.2×10-8Ω·m[6]，按式(1)可以直接計(jì)算得：

對(duì)于滑動(dòng)電連接及螺栓鎖緊電接觸面的電阻值，可參照文獻(xiàn)[7]中的計(jì)算方法。

對(duì)于圖4中異形導(dǎo)體電阻值的計(jì)算，工程上一般采用類比結(jié)合的方法[8-9]。這種方法雖然可以估算出大致電阻值，但由于鑄造成形的異形導(dǎo)體受材料、空間、尺寸等多方面因素影響，估算獲得的電阻值準(zhǔn)確度較低[10]。

3 導(dǎo)體電阻值的有限元仿真計(jì)算

在工廠出廠檢查及現(xiàn)場(chǎng)交接試驗(yàn)時(shí)，按標(biāo)準(zhǔn)要求，用直流壓降法測(cè)得主回路電阻值。這一方法的原理如圖5所示。

圖5 直流壓降法原理圖

借鑒直流壓降法，可以采用有限元仿真計(jì)算，得到相對(duì)準(zhǔn)確的電阻值。這一方法不僅適用于規(guī)則形態(tài)導(dǎo)體，而且適用于異形導(dǎo)體。

如前文計(jì)算的規(guī)則形態(tài)導(dǎo)體，在有限元軟件中按圖紙繪制元件，對(duì)元件附加標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)20℃下的物理性能參數(shù)，劃分網(wǎng)格，一側(cè)端面施加標(biāo)準(zhǔn)[4]規(guī)定的測(cè)試電流100A，另一側(cè)端面加載約束電壓值0V，設(shè)置測(cè)試溫度，之后計(jì)算電壓降，得到端面電壓為2.2635mV，整個(gè)過(guò)程如圖6所示。

圖6 有限元仿真計(jì)算規(guī)則形態(tài)導(dǎo)體電阻值

則該規(guī)則形態(tài)導(dǎo)體的電阻值為：

有限元仿真計(jì)算結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果誤差為0.02%，原因在于π的取值。

用同樣的辦法可以更加精確地計(jì)算出圖5中異形導(dǎo)體的電壓降為0.2726mV，如圖7所示。

則該異形導(dǎo)體的電阻值為：

4 結(jié)束語(yǔ)

異形導(dǎo)體因制造方式、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等原因，利用傳統(tǒng)方法不易求得較為精確的電阻值。利用有限元仿真進(jìn)行計(jì)算，可以得到相對(duì)準(zhǔn)確的電阻值。

圖7 有限元仿真計(jì)算異形導(dǎo)體電阻值

這一方法不僅可以在單個(gè)元件檢查時(shí)簡(jiǎn)單確認(rèn)其金屬原材料是否合格，而且可以在出廠檢查及現(xiàn)場(chǎng)安裝交接試驗(yàn)時(shí)確認(rèn)設(shè)備是否滿足技術(shù)要求，從而保證高壓電氣設(shè)備在電力系統(tǒng)中的安全運(yùn)行。

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