GIS長母線基于溫度場的應(yīng)力仿真淺析

劉春梅　李陽　張亞東　殷東洋

【摘 要】由于導(dǎo)體溫升和環(huán)境溫度變化等因素，GIS長母線殼體產(chǎn)生熱伸縮。在高海拔大溫差地區(qū)，GIS長母線本身結(jié)構(gòu)難以補(bǔ)償由于溫度變化引起的筒體變形，從而在筒體某些部位產(chǎn)生裂紋或開裂。針對(duì)以上問題，本文通過溫度場仿真計(jì)算，得出由于溫度場變化產(chǎn)生的應(yīng)力變化，為GIS母線波紋管的配置和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供仿真分析支撐。

【關(guān)鍵詞】GIS長母線;波紋管;溫度;應(yīng)力;仿真分析

中圖分類號(hào)： TM934.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A文章編號(hào)： 2095-2457（2019）18-0054-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.18.027

0 引言

GIS長母線在運(yùn)行中受到環(huán)境溫度的變化，母線筒體及筒體的固定支撐處要承受溫度變化產(chǎn)生熱應(yīng)變和應(yīng)力，由于固定支撐開裂可能會(huì)導(dǎo)致GIS氣體泄漏等危險(xiǎn)，為變電站帶來了安全隱患[1-3]。

由于材料的熱脹冷縮效應(yīng)，當(dāng)環(huán)境溫度降至最低時(shí)，GIS長母線尺寸會(huì)縮小到最小，當(dāng)環(huán)境溫度升高最高溫度時(shí)，GIS長母線尺寸會(huì)膨脹到最大。以青海地區(qū)為例，變電站最高年溫度為38℃;最低年溫度為-32℃。本文通過對(duì)110kV GIS長母線進(jìn)行電磁場和流場計(jì)算，以獲得額定容量下母線的溫升。母線溫升和最高環(huán)境溫度疊加作為熱變形計(jì)算的最高溫度，由于GIS母線安裝溫度不定，本文取-32℃作為計(jì)算的最低溫度。

1 電熱偶合仿真

發(fā)熱主要涉及到主回路電阻損耗、筒體渦流損耗、集膚效應(yīng)和導(dǎo)體的電阻溫度系數(shù)等[4-5]。由于幾何形狀復(fù)雜，解析公式難以直接計(jì)算導(dǎo)體發(fā)熱功率，本文采用ANSOFT MAXWELL軟件的傳導(dǎo)場模塊計(jì)算導(dǎo)體的發(fā)熱，集膚效應(yīng)、渦流損耗等因素通過等效電阻率的方法予以考慮。

導(dǎo)體內(nèi)部通50Hz交流電時(shí)，編號(hào)為k的導(dǎo)體單元內(nèi)部任一點(diǎn)P處的傳導(dǎo)電流密度如式（1）所示。

式（1）中，Jm為P點(diǎn)的電流密度峰值;t為時(shí)間。

假設(shè)導(dǎo)體材料各向同性，則傳導(dǎo)電流引起的發(fā)熱損耗密度如式（2）所示。

式（2）中，？滓為導(dǎo)體電阻率。

單元k的發(fā)熱功率如式（3）所示。

通流導(dǎo)體總發(fā)熱功率如式（4）所示。

式中，n為導(dǎo)體單元數(shù)量。

在交流電作用下，編號(hào)為k'的絕緣件單元介質(zhì)損耗功率如式（5）所示。

絕緣件總的介質(zhì)損耗功率為：

式（6）中，n'為絕緣件單元數(shù)量。

2 ? 仿真分析計(jì)算

選取GIS長母線最長跨度的母線進(jìn)行分析，對(duì)母線筒進(jìn)行溫升計(jì)算。由于沿母線長度方向的電磁邊界條件相同，這里選取其中1米長的一段母線進(jìn)行校核。電磁場計(jì)算的三維模型如圖1所示。

由電磁場計(jì)算方程，考慮筒體的渦流損耗，得出：

式中，A為矢量磁位，？滋為非導(dǎo)磁材料的磁導(dǎo)率，？滓為筒體的電導(dǎo)率，？贅0為求解區(qū)域，？贅1為無窮遠(yuǎn)邊界，A0=0。[9-10]

施加50Hz交流電，在考慮導(dǎo)體集膚效應(yīng)、筒體渦流效應(yīng)的基礎(chǔ)上，計(jì)算母線筒整體發(fā)熱損耗。0相位情況下110kV GIS母線磁場分布如圖2所示。

0相位情況下110kV GIS電流密度分布如圖5所示。

將損耗發(fā)熱功率施加到fluent里面作為發(fā)熱源，進(jìn)行流場計(jì)算。由于速度邊界層和溫度邊界層的存在，要求有高質(zhì)量和足夠數(shù)量的邊界層網(wǎng)格來捕捉溫度和速度的急劇變化。由于沿筒體長度方向邊界條件相同，這里采用二維平面模型來進(jìn)行模擬。提取筒體表面溫度分布如圖3所示。

得筒體表面平均溫度為293K，則筒體溫升為20K，即20℃。

設(shè)定最高溫度為30℃，那么母線筒體可能出現(xiàn)的最高溫度為50℃?？紤]到年最低氣溫，筒體熱變形計(jì)算溫度變化范圍為-32℃～50℃。

考慮-32℃～50℃的溫度變化，同時(shí)施加兩端兩個(gè)盲端的壓力。將母線筒的固定支撐處固定，則溫升引起的變形多不到釋放，會(huì)在母線筒上引起熱應(yīng)變，進(jìn)而產(chǎn)生熱應(yīng)力。

由圖4分析得出，由于波紋管的作用，固定支撐處最大應(yīng)力由865Mpa降低到662Mpa。但是，由于盲端壓力引起的變形不能被中間的波紋管平衡掉，支撐處應(yīng)力依然很大，超出強(qiáng)度極限，仍然存在開裂的危險(xiǎn)。

在平衡掉兩端盲端壓力的影響，僅考慮溫度變化的作用，在波紋管的作用下，母線筒整體應(yīng)力降到141.5MPa，已經(jīng)降低到材料強(qiáng)度以下。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

模擬相同尺寸的GIS長母線進(jìn)行額定電流下的溫升試驗(yàn)。溫升試驗(yàn)時(shí)在筒體上進(jìn)行埋點(diǎn)，按照溫升試驗(yàn)規(guī)定進(jìn)行試驗(yàn)，最終得到筒體的溫度如表1所示。

通過試驗(yàn)可以看出，GIS長母線的溫升均值為20.25K，與仿真計(jì)算結(jié)果接近。

4 結(jié)語

本文通過溫度場仿真計(jì)算，得出由于溫度場變化產(chǎn)生的應(yīng)力變化，筒體溫升為20K，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了仿真分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。通過本文的研究，為GIS長母線支撐和波紋管的配置和設(shè)計(jì)提供了重要參考依據(jù)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]賈耿鋒，李軍，蔣曉旭，等.GIS母線用熱補(bǔ)償型波紋管伸縮量設(shè)計(jì)分析[J].電氣工程學(xué)報(bào)，2017，12（6）：36-40.

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[3]林莘.現(xiàn)代高電壓技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

[4]宋帆，申春紅，林莘，等.800kVGIS隔離開關(guān)磁場-溫度場計(jì)算與分析[J].高壓電壓技術(shù)，2008，34（7），1383-1388.

[5]范鎮(zhèn)南，羅永剛.內(nèi)部導(dǎo)體結(jié)構(gòu)對(duì)GIS母線損耗發(fā)熱的影響[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2011，15（5）：22-27.