三相GIS母線優(yōu)化設(shè)計(jì)論文
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1電磁場仿真分析
1.1參數(shù)設(shè)置
本文分析母線導(dǎo)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(dǎo)磁區(qū)、導(dǎo)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(yīng)的材料特性．本文主要考慮磁場強(qiáng)度、電流密度、能量損耗等，故只需給材料區(qū)域定義磁導(dǎo)率及電阻率．各材料區(qū)域?qū)?yīng)的材料號(hào)、磁導(dǎo)率及電阻率．格智能劃分工具中能夠自動(dòng)生成網(wǎng)格，且網(wǎng)格單元尺寸越小，網(wǎng)格劃分越細(xì)致，程序運(yùn)行時(shí)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(dǎo)電桿的電磁場分布等參數(shù)，若采用智能劃分會(huì)使不必細(xì)致的部位過于細(xì)致，使程序運(yùn)行時(shí)間過長，甚至無法運(yùn)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(dǎo)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(shè)置兩部分的尺寸，將導(dǎo)電桿的網(wǎng)格劃分單元設(shè)置為1mm，其他部分按照ANSYS默認(rèn)的網(wǎng)格劃分尺寸進(jìn)行劃分，從而將導(dǎo)電桿部分劃分密度相對細(xì)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(dǎo)電桿上的電流密度則呈現(xiàn)出不同的分布趨勢，導(dǎo)電桿表面的電流分布較導(dǎo)電桿內(nèi)側(cè)的電流分布略密集一些．單獨(dú)分析導(dǎo)電桿上的電流密度分布情況，導(dǎo)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(lán)色最小，紅色最大．可以看出，550kV三相gis母線導(dǎo)電桿上的電流密度在導(dǎo)電桿外側(cè)分布較密集，約為1.67×106A/m2;在導(dǎo)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(yīng)．假設(shè)電流在導(dǎo)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(jì)算結(jié)果為1．29×107A/m2．與仿真結(jié)果對比可以得出導(dǎo)電桿外側(cè)電流密度大于平均電流密度，而導(dǎo)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(yīng)，這與理論相符合．
2溫度場分析
2.1結(jié)果與分析
研究實(shí)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(shè)置為恒定溫度20℃，且設(shè)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(dǎo)電桿周圍．主要原因是導(dǎo)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(dǎo)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(yùn)行在三相對稱電流情況下時(shí)，電流密度呈現(xiàn)集膚效應(yīng)，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(jìn)一步證明集膚效應(yīng)對溫度分布的影響，單獨(dú)分析550kV三相GIS母線殼體的溫度分布，殼體溫度靠近導(dǎo)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(dǎo)電桿的電流的的集膚效應(yīng)使靠近導(dǎo)電桿的殼體部位溫度受到較大影響，從而導(dǎo)致靠近導(dǎo)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(yīng)導(dǎo)致導(dǎo)體內(nèi)部電流分布不均勻，電流靠近導(dǎo)體表面流動(dòng)且電流密度集中在導(dǎo)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(shè)想550kV三相GIS母線整體的溫度分布應(yīng)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(yùn)動(dòng)的影響，會(huì)使熱空氣上升而冷空氣下降，導(dǎo)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(dāng)然導(dǎo)電桿仍然會(huì)由于集膚效應(yīng)的影響，而使外側(cè)溫度略高于內(nèi)側(cè)溫度，但是B相導(dǎo)電桿的溫度會(huì)比A、C相略高，從而使殼體最高溫度對應(yīng)于B相位置．為了驗(yàn)證仿真結(jié)果與分析，對550kV三相GIS母線進(jìn)行了溫升試驗(yàn)．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(yàn)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(shí)，測量母線模塊不同位置的溫度變化．試驗(yàn)表明，在環(huán)境溫度為20℃時(shí)，A相溫升為59.7℃，B相溫升為58.7℃，C相為62.3℃，B相導(dǎo)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(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)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(shè)置在恒定溫度20℃，而在試驗(yàn)中環(huán)境溫度并不會(huì)一直穩(wěn)定在20℃;其次是在做溫度場仿真分析時(shí)，沒有考慮風(fēng)速對溫度的影響，從而使仿真結(jié)果比試驗(yàn)所測溫升略高．但是仿真結(jié)果中導(dǎo)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(jìn)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(dǎo)電桿的橫截面積、封閉母線的金屬外殼厚度都會(huì)對母線的散熱造成一定的影響，母線的材質(zhì)會(huì)影響母線的電阻值，進(jìn)而影響溫升．以母線外殼厚度作為優(yōu)化參數(shù)．在尺寸設(shè)置中選擇母線外殼厚度作為分析對象，添加優(yōu)化模塊，設(shè)置待優(yōu)化的參數(shù)和優(yōu)化范圍，得出優(yōu)化結(jié)果，當(dāng)母線外殼外徑為0.258m(即外殼厚度為8mm)時(shí)，導(dǎo)電桿的溫度為87.57℃，而當(dāng)外殼厚度大于8mm(即外殼外徑大于0.258m)時(shí)，導(dǎo)電桿溫度有所上升，當(dāng)外殼厚度小于8mm(即外殼外徑小于0.258m)的時(shí)，導(dǎo)電桿的溫度有所減少．以導(dǎo)電桿橫截面積作為優(yōu)化參數(shù)，隨著導(dǎo)電桿的半徑增加，導(dǎo)電桿的溫升逐漸降低．根據(jù)R=ρl/s，增大導(dǎo)電桿半徑，即增大導(dǎo)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(shí)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)熱損耗小．
4結(jié)論
1)基于電磁學(xué)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(jìn)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(yīng)．
2)根據(jù)熱力學(xué)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(dǎo)電桿溫度內(nèi)側(cè)比外側(cè)略高2℃．殼體上靠近導(dǎo)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(jìn)行優(yōu)化，得出最優(yōu)結(jié)果，為三相GIS母線的優(yōu)化設(shè)計(jì)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(xué)院電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院