進線柜結構三維電磁場及耦合熱場分析

朱云逸

（中核核電運行管理有限公司，浙江 嘉興 314300）

0 引言

進線柜，就是從外部引進電源的開關柜。一般是從供電網絡引入10KV電源，10KV電源經過開關柜將電能送到10KV母線，這個開關柜就是進線柜。作為電能傳輸設備，進線柜就是由低壓電源（變壓器低壓側）引入配電裝置的總開關柜。35KV～110KV及以上電壓等級的變電站，進線柜均所指為變壓器低壓（10KV）開關柜。即由變壓器低壓側輸出連接至10KV母線的初始端的第一個柜：稱為進線柜，也稱為變低進線柜。進線柜為負荷側的總開關柜，該柜擔負著整段母線所承載的電流，由于該開關柜所聯接的是主變與低壓側負荷輸出，就顯其作用的重要所在。進線柜的溫升對其工作性能和可靠性影響較大，當其溫升上升到一定極限時，就會加速絕緣老化、甚至絕緣破壞，直接影響進線柜系統使用壽命和相關設備的安全。

國內外已經有不少學者采用有限元計算法研究進線柜的溫度問題[1]。迄今為止，渦流電磁場的分析與計算仍是人們關注和努力解決的問題，數值計算方法是解決它的一個有效工具[2]。本文采用有限元法分析渦流感應和溫度場分布模型。進線柜中母線分別施加不同電流等級三相電流，計算其周圍電磁場分布以及母線導體和柜殼體的表面溫升。對進線柜的電磁場物理問題進行分析可知，進線柜中母線導體施加三相交變電流后，在母線內部及周圍空間產生交變磁場，交變磁場會引起母線導體中產生感應電流（渦流），影響導體中的電流分布，即母線導體中電流集中在導體表面分布，母線導體表面損耗增大。所以對進線柜的磁場計算需要采用交流時諧磁場計算，計算考慮母線導體中的渦流分布。

圖1 進線柜磁場計算模型Fig.1 Magnetic field calculation model of inlet cabinets

圖2 磁場計算模型整體網格Fig.2 Magnetic field calculation model overall grid

圖3 A/B/C表示三相母線導體布局Fig.3 A/B/C Indicates the layout of three-phase busbar conductors

在磁場計算完成后，將磁場計算的損耗結果通過插值的方式傳遞至熱分析計算模型，進行穩態熱計算，計算母線導體表面溫升分布。進線柜的電場分布采用靜電場進行分析計算，電場分析模型與磁場分析模型不同，電場分析中保留所有內部接地導體以及內部絕緣體。

1 有限元模型

進線柜有限元模型分為5層：母線導體層、殼內空氣層、外殼層、殼外空氣層及遠場單元層（遠場單元是應用無限元法來模擬無限遠處邊界條件的專用有限元單元）。工頻磁場采用法求解，具體選用ANSYS/MULTIPHYSICS模塊和PLANE53單元，在遠場單元邊界設置矢量磁位A_=0。要計算母排和外殼中的渦流，應分別對各個母排以及外殼進行電壓耦合，指定各個母排及外殼的橫截面分別為等位面[3]。

母線導體材料為銅，相對磁導率為1，電阻率為1.7E～8ΩM，空氣相對磁導率為1。

1.1 磁場計算網格劃分

磁場計算劃分網格模型如圖2所示。

磁場計算模型劃分總單元數約為60.39萬，節點總數約為134.24萬。

由于母線導體需要計算其渦流分布，所以為了保證計算結果精度，對母線導體的網格劃分做了簡化處理，其網格如圖3所示。

1.2 磁場計算結果

分別對三相母線導體施加電流4KA，其磁場及電流密度、損耗分布如圖4、圖5、圖6所示。

1.3 進線柜熱場計算

建立進線柜熱場分析模型，并將磁場計算結果焦耳熱生成率傳遞至熱分析模型，對導體表面時間對流換熱系數以及周圍環境溫度[4]，計算其表面溫度分布。

圖4 導體表面磁通量密度分布（實部）Fig.4 Distribution of magnetic flux density on conductor surface (solid part)

圖5 母線導體內部電流密度分布（實部）Fig.5 Internal current density distribution of busbar conductors (real part)

圖6 母線導體損耗密度分布（時間平均值）Fig.6 Loss density distribution of busbar conductors (time average)

1.4 進線柜電場計算

1）電場計算模型

對進線柜進行電場建模，電場分析模型如圖7所示。

進線柜電場模型主要包含4部分：三相母線導體、柜體以及內部接地支撐導體、內部絕緣支撐以及內部空氣介質。其中三相母線導體施加高電位，接地支撐導體施加零電位，所有導體均為理想導體，相對介電常數取為1，絕緣支撐相對介電常數取為7，空氣相對介電常數為1。

對三相母線導體同時施加電壓12KV，計算其周圍空間電場分布。

2）電場分析劃分網格

對電場模型進行網格劃分，劃分網格如圖8所示。

電場分析模型劃分網格總單元數約為122.166萬，總節點數約為199.39萬。

3）電場分析結果

圖7 進線柜電場分析模型Fig.7 Electric field analysis model of inlet cabinets

圖8 進線柜電場計算劃分網格Fig.8 Inlet cabinet electric field calculation partition grid

圖9 空間剖面的電位線分布Fig.9 Potential line distribution of spatial profiles

圖10 內部絕緣體的電位分布Fig.10 Potential distribution of internal insulators

圖11 導體表面電場分布Fig.11 Electric field distribution of conductor surface

計算得出，導體表面電場最大約為8.6KV/CM，出現于與絕緣支撐相連接的支撐導體處，大部分電場強度值在1.07KV/CM～4.79KV/CM中。

計算得出絕緣支撐體表面電場最大約為6.83KV/CM，出現在導體與柜體伸出段位置，該位置由于受外部導體邊界條件影響，結果可不作考慮。絕緣體表面電場強度主要介于0.33KV/CM～2.28KV/CM之間。

1.5 進線柜熱場計算

進線柜單相銅排輸入電流幅值4000A，考慮此時銅排表面、銅排支撐件及進線柜箱壁表面溫度場分布云圖，以考察進線柜熱點分布。

經過精確仿真模擬計算，此進線柜結構模型電場強度分布及熱場分布與實際運行進線柜電磁及熱場分布工況一致，可作為實際生產前理論分析優化設計數據加以利用[5]。

2 結論

根據對空氣絕緣型進線柜電磁場——渦流熱場及溫度場的耦合分析，本文得出如下結論：

1）本文建立的電磁場耦合渦流熱場分析步驟及方法對多種電氣設備的熱性能分析具有參考意義。

圖12 絕緣體表面電場分布Fig.12 Electric field distribution of insulator surface

圖13 銅排表面熱像分布云圖，其表面最高溫度74℃Fig.13 Image distribution of copper row surface thermal Image cloud map, its surface maximum temperature of 74℃

圖14 絕緣支撐件熱像分布云圖，其最高溫度37℃Fig.14 Thermal image distribution cloud map of insulated support parts with a maximum temperature of 37℃

圖15 進線柜箱壁表面熱像分布云圖，其最高溫度41℃Fig.15 Wall surface thermal image distribution cloud map,its maximum temperature of 41℃

2）理論模型建立，驗證過程確認，對驗證結論有效性評估可以結合實際試驗狀態進行，為此確定的整套模型驗證體系，可作為今后進線柜或配電結構電磁耐熱及絕緣有效性的參考依據，對生產有效性起到很大的省材效果。