三相GIS母線優(yōu)化設計論文
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1電磁場仿真分析
1.1參數(shù)設置
本文分析母線導體通入50Hz交流電所產(chǎn)生的磁場情況．在分析的物理幾何模型中有空氣區(qū)、導磁區(qū)、導電區(qū)、永磁區(qū)等一種或多種材料，每一種材料區(qū)都必須輸入相對應的材料特性．本文主要考慮磁場強度、電流密度、能量損耗等，故只需給材料區(qū)域定義磁導率及電阻率．各材料區(qū)域?qū)牟牧咸?、磁導率及電阻率．格智能劃分工具中能夠自動生成網(wǎng)格，且網(wǎng)格單元尺寸越小，網(wǎng)格劃分越細致，程序運行時間越長．這種方式適用于模型相對小，且各部分網(wǎng)格精確度要求一樣的模型中．本文主要觀察導電桿的電磁場分布等參數(shù)，若采用智能劃分會使不必細致的部位過于細致，使程序運行時間過長，甚至無法運行．因此，使用智能剖分方式和尺寸控制方式劃分網(wǎng)格．首先通過智能剖分將導電桿與其他部分剖分為兩部分，接著使用尺寸控制方式分別設置兩部分的尺寸，將導電桿的網(wǎng)格劃分單元設置為1mm，其他部分按照ANSYS默認的網(wǎng)格劃分尺寸進行劃分，從而將導電桿部分劃分密度相對細致，其余部分劃分密度相對粗糙
1.2結(jié)果與分析
母線外殼上有少許電流流過，而導電桿上的電流密度則呈現(xiàn)出不同的分布趨勢，導電桿表面的電流分布較導電桿內(nèi)側(cè)的電流分布略密集一些．單獨分析導電桿上的電流密度分布情況，導電桿電流密度矢量圖．圖中不同顏色表示不同電流密度大小，藍色最小，紅色最大．可以看出，550kV三相gis母線導電桿上的電流密度在導電桿外側(cè)分布較密集，約為1.67×106A/m2;在導電桿內(nèi)側(cè)電流密度分布較稀疏，最小值約為9.85×105A/m2，說明電流密度分布呈現(xiàn)了集膚效應．假設電流在導電桿上是均勻分布的，則平均電流密度JS=I/S，其中I=2828A，S=π(0．042－0．032)m2，理論計算結(jié)果為1．29×107A/m2．與仿真結(jié)果對比可以得出導電桿外側(cè)電流密度大于平均電流密度，而導電桿內(nèi)側(cè)電流密度小于平均電流密度，同樣說明電流密度分布呈現(xiàn)了集膚效應，這與理論相符合．
2溫度場分析
2.1結(jié)果與分析
研究實體模型的溫升狀況，只需要觀察溫度分布效果，因此只需查看模型的溫度分布效果圖．首先將環(huán)境溫度設置為恒定溫度20℃，且設置空氣外表面作為絕熱邊界20℃，得到整體溫度分布均勻分布的熱量使整體溫度呈現(xiàn)對稱的分布，且溫度集中分布在導電桿周圍．主要原因是導電桿是電流分布最集中的部位，因此產(chǎn)生的熱量較多，散熱也較慢，而殼體與周圍電流分布較稀疏，所以溫度不是很高．整體最高溫度約為92℃，則溫升為72℃，符合行業(yè)內(nèi)規(guī)定的溫升要求(＜115℃)．導電桿內(nèi)側(cè)溫度比外側(cè)略微高1～2℃左右．主要原因是由于母線運行在三相對稱電流情況下時，電流密度呈現(xiàn)集膚效應，從而使溫度分布也遵循一樣的分布規(guī)律，即電流密度大的區(qū)域溫度較高，電流密度小的區(qū)域溫度較低．為了進一步證明集膚效應對溫度分布的影響，單獨分析550kV三相GIS母線殼體的溫度分布，殼體溫度靠近導電桿部位溫度較高，且整體溫度呈現(xiàn)兩頭向中部逐漸變低的現(xiàn)象．造成該現(xiàn)象的主要原因是由于流過導電桿的電流的的集膚效應使靠近導電桿的殼體部位溫度受到較大影響，從而導致靠近導電桿部位溫度較高
2.2電磁場與溫度場分析對比
根據(jù)電磁場仿真結(jié)果可以看出，電流的集膚效應導致導體內(nèi)部電流分布不均勻，電流靠近導體表面流動且電流密度集中在導體的外表面上．此外，電流密度的分布呈現(xiàn)左右對稱．由此設想550kV三相GIS母線整體的溫度分布應該是左右對稱結(jié)構(gòu)．但是垂直結(jié)構(gòu)上由于受到重力加速度及氣體熱運動的影響，會使熱空氣上升而冷空氣下降，導致下部散熱快上部散熱慢，從而使母線結(jié)構(gòu)上部溫度比下部溫度高．當然導電桿仍然會由于集膚效應的影響，而使外側(cè)溫度略高于內(nèi)側(cè)溫度，但是B相導電桿的溫度會比A、C相略高，從而使殼體最高溫度對應于B相位置．為了驗證仿真結(jié)果與分析，對550kV三相GIS母線進行了溫升試驗．在環(huán)境溫度下，用調(diào)壓變壓器和大電流變壓器組成試驗回路，給三相GIS母線供給所需的工作電流，并使用銅—康銅熱電偶溫度測試法測量母線模塊的溫度．在分別通入2000A，2200A的電流時，測量母線模塊不同位置的溫度變化．試驗表明，在環(huán)境溫度為20℃時，A相溫升為59.7℃，B相溫升為58.7℃，C相為62.3℃，B相導電桿的溫度比A、C相低，與仿真結(jié)果有一定的差異．通過將仿真結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)進行對比分析，可以看出兩者存在一定的誤差．造成該誤差的原因，首先是在仿真分析中，將環(huán)境溫度設置在恒定溫度20℃，而在試驗中環(huán)境溫度并不會一直穩(wěn)定在20℃;其次是在做溫度場仿真分析時，沒有考慮風速對溫度的影響，從而使仿真結(jié)果比試驗所測溫升略高．但是仿真結(jié)果中導電桿的溫度分布規(guī)律及整體的溫度范圍與溫度場分析理論上相符合，說明使用ANSYS有限元分析軟件對550kV三相GIS母線進行溫度場分析是有效的．
影響550kV三相GIS母線溫升的因素有許多，比如導電桿的橫截面積、封閉母線的金屬外殼厚度都會對母線的散熱造成一定的影響，母線的材質(zhì)會影響母線的電阻值，進而影響溫升．以母線外殼厚度作為優(yōu)化參數(shù)．在尺寸設置中選擇母線外殼厚度作為分析對象，添加優(yōu)化模塊，設置待優(yōu)化的參數(shù)和優(yōu)化范圍，得出優(yōu)化結(jié)果，當母線外殼外徑為0.258m(即外殼厚度為8mm)時，導電桿的溫度為87.57℃，而當外殼厚度大于8mm(即外殼外徑大于0.258m)時，導電桿溫度有所上升，當外殼厚度小于8mm(即外殼外徑小于0.258m)的時，導電桿的溫度有所減少．以導電桿橫截面積作為優(yōu)化參數(shù)，隨著導電桿的半徑增加，導電桿的溫升逐漸降低．根據(jù)R=ρl/s，增大導電桿半徑，即增大導電桿的橫截面積，降低了母線電阻值，加大自然對流換熱空間，使得大電流流過母線的時候的發(fā)熱減少，加快其散熱，因此母線溫升也就隨之減少．母線整體溫度場（銅合金）Fig.6Overalltemperaturefieldofthebus(copperalloy)可以看出母線的溫升有了明顯的降低．銅的電阻率比鋁小，用銅材料制作母線，因其電阻較鋁制的小，根據(jù)發(fā)熱公式P=I2R可以知道，其發(fā)熱損耗也將比鋁制母線的發(fā)熱損耗?。?/p>
4結(jié)論
1)基于電磁學理論，建立550kV三相GIS母線三維電磁場有限元模型，施加對稱三相電流，進行求解分析電流密度．結(jié)果表明，550kV三相GIS母線的電流密度分布呈現(xiàn)明顯的集膚效應．
2)根據(jù)熱力學理論，建立550kV三相GIS母線三維穩(wěn)態(tài)有限元模型，施加平均分布的能量，求解觀察溫度分布．結(jié)果表明，平均分布的能量使母線導電桿溫度內(nèi)側(cè)比外側(cè)略高2℃．殼體上靠近導電桿部位溫度較高．
3)分別對母線的外殼厚度，母線截面積以及母線材料進行優(yōu)化，得出最優(yōu)結(jié)果，為三相GIS母線的優(yōu)化設計提供了新思。
作者：劉勇銘 孫園 吳小斌 王清偉 單位：廈門理工學院電氣工程與自動化學院