高壓GIS用母線的溫升仿真計算

河南平芝高壓開關有限公司 龍錦霞

高壓GIS用母線的溫升仿真計算

河南平芝高壓開關有限公司 龍錦霞

高壓開關設備(GIS) 在我國的電網(wǎng)建設中占據(jù)著重要位置，其中設備的安全運行至關重要，而在實際運行中，由于設備長期帶電，電阻損耗發(fā)熱導致溫度升高，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)設備的安全運行，在產(chǎn)品設計時，滿足溫升設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合，對其進行溫升計算。通過將計算結果與試驗數(shù)據(jù)進行對比，驗證了該方法的準確性，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)化建設需要，高壓GIS設備正不斷朝著小體積、大參數(shù)方向發(fā)展[1]，其母線設備同樣需要進行小型化設計。由于設備體積小，密封優(yōu)良，產(chǎn)生的熱量很難傳導出去，造成溫升超標，導致絕緣材料絕緣性能降低、金屬材料機械強度下降、導體接觸部電阻升高的等不良影響，從而無法滿足工程需求，因此研究和預測母線單元的發(fā)熱與溫升，關鍵在于了解設備內(nèi)部分溫升分布，這對材料的選擇、合理的結構設計與裝配都是非常重要的[2]。

在電器領域中，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行分析，但存在模型復雜，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)，導體采用鋁合金6063-T6材質(zhì)，導體連接采用彈簧觸指型進行導通，采用絕緣支柱及絕緣盆子作為導體支撐件，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)無風環(huán)境。該母線單元水平布置，構成簡單，且筒體直徑小，其渦流損耗的影響，對導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合，首先，利用ANSYS有限元軟件，對解析模型進行網(wǎng)格劃分，再對交流阻抗與散熱系數(shù)進行理論計算，得出結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)，最后進行仿真計算，得出溫升結果。該過程思路清晰，計算簡潔，對于一般工程應用非常方便。

2 發(fā)熱與散熱參數(shù)

2.1 電流密度與交流阻抗

當電流通過導體作周期性變化時，磁場也跟著變化，而在線芯的每根導絲上就感生反對電流變化的電勢。由于靠近軸心的導絲電勢大（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，它隨頻率f、導線直徑d、導磁率μ、導電率-的增大更加顯著。通過計算公式[7-8]：

式中：為導體直流電阻；為導體的集膚效應系數(shù)；為導體溫度為20℃時的直流電阻率；為20℃時的電阻溫度系數(shù)；為導體的運行溫度；為導體截面面積。對于圓柱及圓管導體的集膚效應系數(shù)可通過查表[8]。

2.2 對流、傳導與輻射散熱系數(shù)

熱量的耗散有對流、輻射和傳導三種形式。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”，因此可以認為最后全部的熱量均是通過筒體表面的空氣對流進行散熱，最終達到熱平衡狀態(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[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行一定的簡化。由于本次主要的研究對象是導體及筒體的發(fā)熱，因此對于螺栓、導流排、絕緣支撐、觸指等部件可以進行省略或者簡化。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重要，其直接關系到仿真的時間以及仿真結果的準確性，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)量與有限元計算結果的精度是成正比的，即剖分越細密，與真實的物理模型特征吻合的越好，當然，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)格進行劃分，對導體和筒體劃分網(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行對比，設置環(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，周圍風速≤0.5m/s，試驗母線SF6氣壓0.5MPa，環(huán)境溫度為20℃。通過與試驗值進行對比，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 結論

伴隨著計算機技術的快速發(fā)展，有限元仿真技術在工程應用具有越來越重要的地位。本文基于ANSYS的有限元分析，建立了高壓開關設備中母線溫升的有限元模型，結合熱網(wǎng)格發(fā)和有限元法，簡化集膚效應和內(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，得出其溫升結果誤差在10%以內(nèi)，驗證了該方法的準確性，其具有工程應用價值，該方法計算簡潔，使用方便，能夠大大的縮短研發(fā)周期，提高設計效率，降低研發(fā)成本，為新產(chǎn)品設計提供了理論依據(jù)，有必要進一步推廣應用。

[1]周小謙．我國電力發(fā)展與西北電力展望[J]．電網(wǎng)與清潔能源,2008(9)．

[2]徐國政．高壓斷路器原理與應用[M]．北京:清華大學出版社,2000．

[3]宋帆,申春紅,林莘,等．800kV GIS隔離開關磁場-溫度場計算與分析[J]．高電壓技術,2008,34(7):1383-1388．

[4]殷家敏．歐勇,等．GIS母線損耗發(fā)熱的電磁場-流場-溫度場計算及影響因素分析[J]．水力發(fā)電,2012,38(4):28-42．

[5]GB/T 11022-2011高壓開關設備和控制設備標準的共用技術要求[S]．2011．

[6]王沨等．高壓同軸GIS母線三維磁-熱耦合場的計算與分析[J]．湖南大學學報(自然科學版),2014,41(8):73-770．

[7]李建兵．電流趨膚效應的二維數(shù)值分析[J]．微電子學與計算機,2007,24(1)．

[8]熊信銀．發(fā)電廠電氣部分[M]．北京:中國電力出版社,2009．

[9]圓山重直．傳熱學[M]．北京:北京大學出版社,2011．

[10]成思源．有限元法的方法論[J]．重慶大學學報(社會科學版),2001(04):61-63．

[11]張洪信．ANSYS有限元分析[M]．北京:機械工業(yè)出版社,2008．

[12]武安波．密集型母線槽磁場—溫度場綜合有限元分析[J]．高壓電器,2003,39(4):7-10．

龍錦霞（1983—），大學本科，助理工程師，研究方向：高壓斷路器設計。