基于有限元法對高壓電氣設(shè)備中異形導(dǎo)體電阻值進行計算

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 問題的提出

隨著經(jīng)濟的發(fā)展和城市用地的匱乏，在變電站規(guī)劃設(shè)計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，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

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

回路電阻值測量是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)備標準的共用技術(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)場交接試驗規(guī)程》、GB 50150—2016《電氣裝置安裝工程電氣設(shè)備交接試驗標準》等標準中強制檢查的項目。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)定運行[1-3]。標準同時規(guī)定，測量主回路的電阻值，宜采用電流不小于 100A 的直流降壓法，測試結(jié)果不應(yīng)超過產(chǎn)品技術(shù)條件規(guī)定值的1.2倍[4]。因為高壓組合電氣設(shè)備由系統(tǒng)需求、進出線位置及方式、現(xiàn)場安裝等諸多因素確定主回路連接方式，同時各生產(chǎn)廠家產(chǎn)品有自身設(shè)計特點，所以具體工程的回路電阻值無法進行系統(tǒng)性規(guī)定，參考電阻值均為生產(chǎn)廠家按實際工程提供[5]。當單個導(dǎo)體的電阻值不準確時，造成的累積誤差會影響安裝和后續(xù)使用。

2 導(dǎo)體電阻值的常規(guī)計算

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、滑動電連接及螺栓鎖緊電接觸面，如圖4所示。

對于規(guī)則形態(tài)導(dǎo)體，如標準圓柱形、管形、長方形導(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φ100mm×10mm鋁合金管，20℃時電阻率為3.2×10-8Ω·m[6]，按式(1)可以直接計算得：

對于滑動電連接及螺栓鎖緊電接觸面的電阻值，可參照文獻[7]中的計算方法。

對于圖4中異形導(dǎo)體電阻值的計算，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確度較低[10]。

3 導(dǎo)體電阻值的有限元仿真計算

在工廠出廠檢查及現(xiàn)場交接試驗時，按標準要求，用直流壓降法測得主回路電阻值。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算，得到相對準確的電阻值。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，對元件附加標準狀態(tài)20℃下的物理性能參數(shù)，劃分網(wǎng)格，一側(cè)端面施加標準[4]規(guī)定的測試電流100A，另一側(cè)端面加載約束電壓值0V，設(shè)置測試溫度，之后計算電壓降，得到端面電壓為2.2635mV，整個過程如圖6所示。

圖6 有限元仿真計算規(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：

有限元仿真計算結(jié)果與理論計算結(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

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。利用有限元仿真進行計算，可以得到相對準確的電阻值。

圖7 有限元仿真計算異形導(dǎo)體電阻值

這一方法不僅可以在單個元件檢查時簡單確認其金屬原材料是否合格，而且可以在出廠檢查及現(xiàn)場安裝交接試驗時確認設(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)中的安全運行。

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