基于ANSYS的管型母線損耗計算

吐松江·卡日 希望·阿不都瓦依提

(新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830046)

基于ANSYS的管型母線損耗計算

吐松江·卡日 希望·阿不都瓦依提

(新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830046)

基于ANSYS仿真分析管型母線的損耗分布，通過對管型母線厚度進(jìn)行優(yōu)化，計算獲得損耗最小的厚度。

ANSYS；管型母線；損耗

0 引言

母線用于連接各種電機(jī)和電器，以傳輸電流和功率并通過配電裝置分配電能。材料利用率高、機(jī)械強(qiáng)度大、集膚系數(shù)小及安全性能好等優(yōu)點(diǎn)使得管型母線在大型發(fā)電廠和變電站中廣泛使用。管型母線溫升是其運(yùn)行過程中需要考慮的重要方面[1-4]。除了外部日照因素外，集膚效應(yīng)導(dǎo)致的焦耳熱是造成母線溫度升高的重要原因。本文基于ANSYS仿真分析母線損耗，通過厚度的優(yōu)化，降低母線損耗。

1 管型母線電磁場數(shù)學(xué)模型

1.1 電磁場控制方程

假設(shè)母線無限長，則通過二維仿真代替三維；根據(jù)麥克斯韋方程組，引入矢量磁位，母線區(qū)域的電磁場控制方程為：

▽×(v▽×A)=J

(1)

式中，v為媒質(zhì)的磁阻率；A為矢量磁位；J為源電流密度。

二維電磁場求解過程中矢量磁位和電流密度只有Z軸分量，即Ax=Ay=0，Jx=Jy=0，則式(1)改寫成：

(2)

而：

Jz=Jsz+Jcz

(3)

(4)

式中，Jsz為已知源電流密度；Jcz為導(dǎo)電區(qū)域中感應(yīng)出的渦電流密度；σ為導(dǎo)電區(qū)域的電導(dǎo)率。

引入庫侖規(guī)范▽·A=0，并在離外殼較遠(yuǎn)處設(shè)置遠(yuǎn)端邊界條件Az=0，構(gòu)成管型母線電磁場邊值問題[5]。

1.2 短路電流方程

管型母線承載的工作電流表達(dá)式如下：

(5)

式中，I為工作電流有效值；ψ為初相角。

本文取I=3 150 A，ψ=0°。

2 管型母線基本參數(shù)

通常情況下管型母線由中心導(dǎo)體和外殼構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中導(dǎo)體與外殼材料均為鋁。本文仿真模型結(jié)構(gòu)及材料屬性如表1所示，所建立的仿真模型如圖2所示。

圖1 管型母線結(jié)構(gòu)

表1 管型母線結(jié)構(gòu)及物性參數(shù)

圖2 仿真模型

3 管型母線損耗計算

借助ANSYS/Emag模塊可計算模型損耗[6]。選擇鋁質(zhì)管型母線截面，建立2D模型；使用Plane53單元，分別耦合中心導(dǎo)體、殼體VOLT自由度。選擇諧波分析法，施加載荷，流過中心導(dǎo)體電流I=3 150 A。設(shè)置空氣邊界Az=0，構(gòu)成本次仿真的邊界條件。

通過ANSYS后處理過程，可以計算求得單位長度母線產(chǎn)生的損耗P=7.47 W/m，其磁場分布如圖3(a)所示，母線損耗如圖3(b)所示，可知母線損耗主要集中于導(dǎo)體表面，這是集膚效應(yīng)所致。

圖3 管型母線仿真結(jié)果

當(dāng)母線通以交流電時，其產(chǎn)生的損耗與母線截面有密切關(guān)系，通過調(diào)整母線截面使母線產(chǎn)生的損耗最小。母線厚度H與損耗P之間關(guān)系如圖4所示。

圖4 母線厚度與損耗間關(guān)系

由圖4可知，母線產(chǎn)生的損耗與母線厚度有密切的關(guān)系。對鋁材料而言，當(dāng)厚度HAl=18 mm時，母線所產(chǎn)生的單位長度損耗達(dá)Pmin=6.73 W/m；而對銅材料而言，則是當(dāng)HCu=14 mm時，母線所產(chǎn)生的單位長度損耗達(dá)Pmin=5.25 W/m。

4 結(jié)論

(1) 基于ANSYS的有限元分析可以有效求得母線損耗值并獲得母線損耗分布。

(2) 母線產(chǎn)生的損耗與厚度有密切關(guān)系。隨著壁厚的增加，母線損耗迅速減小；達(dá)到最佳壁厚時母線損耗最小；母線厚度進(jìn)一步增加，母線產(chǎn)生的損耗變化不大；可認(rèn)為當(dāng)厚度大于最佳壁厚8～10 mm后，母線損耗達(dá)到穩(wěn)定值。

(3) 銅母線在母線厚度H=14 mm時產(chǎn)生的損耗最小，而鋁母線則在H=18 mm時產(chǎn)生的損耗最小。

[1]孫晨宇.母線設(shè)備的電—磁—流—熱多物理場耦合分析[J].甘肅科技，2012(9)

[2]楊琪.GIL與GIS母線的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與應(yīng)用[J].高壓電器，2011(8)

[3]郭健.離相封閉母線場域分析及仿真軟件開發(fā)[D].沈陽工業(yè)大學(xué)，2005

[4]徐敏.基于有限元分析的GIS母線筒溫度場分布研究[J].華東電力，2013(9)

[5]顏威利.電氣工程電磁場數(shù)值分析[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2006

[6]張濤.APDL參數(shù)化有限元分析技術(shù)及其應(yīng)用實例[M].中國水利水電出版社，2013

國家自然科學(xué)基金，項目編號51367016

2014-06-05

吐松江·卡日(1984—)，男，新疆喀什人，碩士研究生，講師，研究方向：電力設(shè)備仿真優(yōu)化與風(fēng)電并網(wǎng)技術(shù)。