三相GIS母线优化设计论文

1电磁场仿真分析

1.1参数设置

本文分析母线导体通入50Hz交流电所产生的磁场情况．在分析的物理几何模型中有空气区、导磁区、导电区、永磁区等一种或多种材料，每一种材料区都必须输入相对应的材料特性．本文主要考虑磁场强度、电流密度、能量损耗等，故只需给材料区域定义磁导率及电阻率．各材料区域对应的材料号、磁导率及电阻率．格智能划分工具中能够自动生成网格，且网格单元尺寸越小，网格划分越细致，程序运行时间越长．这种方式适用于模型相对小，且各部分网格精确度要求一样的模型中．本文主要观察导电杆的电磁场分布等参数，若采用智能划分会使不必细致的部位过于细致，使程序运行时间过长，甚至无法运行．因此，使用智能剖分方式和尺寸控制方式划分网格．首先通过智能剖分将导电杆与其他部分剖分为两部分，接着使用尺寸控制方式分别设置两部分的尺寸，将导电杆的网格划分单元设置为1mm，其他部分按照ANSYS默认的网格划分尺寸进行划分，从而将导电杆部分划分密度相对细致，其余部分划分密度相对粗糙

1.2结果与分析

母线外壳上有少许电流流过，而导电杆上的电流密度则呈现出不同的分布趋势，导电杆表面的电流分布较导电杆内侧的电流分布略密集一些．单独分析导电杆上的电流密度分布情况，导电杆电流密度矢量图．图中不同颜色表示不同电流密度大小，蓝色最小，红色最大．可以看出，550kV三相GIS母线导电杆上的电流密度在导电杆外侧分布较密集，约为1.67×106A/m2;在导电杆内侧电流密度分布较稀疏，最小值约为9.85×105A/m2，说明电流密度分布呈现了集肤效应．假设电流在导电杆上是均匀分布的，则平均电流密度JS=I/S，其中I=2828A，S=π(0．042－0．032)m2，理论计算结果为1．29×107A/m2．与仿真结果对比可以得出导电杆外侧电流密度大于平均电流密度，而导电杆内侧电流密度小于平均电流密度，同样说明电流密度分布呈现了集肤效应，这与理论相符合．

2温度场分析

2.1结果与分析

研究实体模型的温升状况，只需要观察温度分布效果，因此只需查看模型的温度分布效果图．首先将环境温度设置为恒定温度20℃，且设置空气外表面作为绝热边界20℃，得到整体温度分布均匀分布的热量使整体温度呈现对称的分布，且温度集中分布在导电杆周围．主要原因是导电杆是电流分布最集中的部位，因此产生的热量较多，散热也较慢，而壳体与周围电流分布较稀疏，所以温度不是很高．整体最高温度约为92℃，则温升为72℃，符合行业内规定的温升要求(＜115℃)．导电杆内侧温度比外侧略微高1～2℃左右．主要原因是由于母线运行在三相对称电流情况下时，电流密度呈现集肤效应，从而使温度分布也遵循一样的分布规律，即电流密度大的区域温度较高，电流密度小的区域温度较低．为了进一步证明集肤效应对温度分布的影响，单独分析550kV三相GIS母线壳体的温度分布，壳体温度靠近导电杆部位温度较高，且整体温度呈现两头向中部逐渐变低的现象．造成该现象的主要原因是由于流过导电杆的电流的的集肤效应使靠近导电杆的壳体部位温度受到较大影响，从而导致靠近导电杆部位温度较高

2.2电磁场与温度场分析对比

根据电磁场仿真结果可以看出，电流的集肤效应导致导体内部电流分布不均匀，电流靠近导体表面流动且电流密度集中在导体的外表面上．此外，电流密度的分布呈现左右对称．由此设想550kV三相GIS母线整体的温度分布应该是左右对称结构．但是垂直结构上由于受到重力加速度及气体热运动的影响，会使热空气上升而冷空气下降，导致下部散热快上部散热慢，从而使母线结构上部温度比下部温度高．当然导电杆仍然会由于集肤效应的影响，而使外侧温度略高于内侧温度，但是B相导电杆的温度会比A、C相略高，从而使壳体最高温度对应于B相位置．为了验证仿真结果与分析，对550kV三相GIS母线进行了温升试验．在环境温度下，用调压变压器和大电流变压器组成试验回路，给三相GIS母线供给所需的工作电流，并使用铜—康铜热电偶温度测试法测量母线模块的温度．在分别通入2000A，2200A的电流时，测量母线模块不同位置的温度变化．试验表明，在环境温度为20℃时，A相温升为59.7℃，B相温升为58.7℃，C相为62.3℃，B相导电杆的温度比A、C相低，与仿真结果有一定的差异．通过将仿真结果与试验数据进行对比分析，可以看出两者存在一定的误差．造成该误差的原因，首先是在仿真分析中，将环境温度设置在恒定温度20℃，而在试验中环境温度并不会一直稳定在20℃;其次是在做温度场仿真分析时，没有考虑风速对温度的影响，从而使仿真结果比试验所测温升略高．但是仿真结果中导电杆的温度分布规律及整体的温度范围与温度场分析理论上相符合，说明使用ANSYS有限元分析软件对550kV三相GIS母线进行温度场分析是有效的．

3优化设计

影响550kV三相GIS母线温升的因素有许多，比如导电杆的横截面积、封闭母线的金属外壳厚度都会对母线的散热造成一定的影响，母线的材质会影响母线的电阻值，进而影响温升．以母线外壳厚度作为优化参数．在尺寸设置中选择母线外壳厚度作为分析对象，添加优化模块，设置待优化的参数和优化范围，得出优化结果，当母线外壳外径为0.258m(即外壳厚度为8mm)时，导电杆的温度为87.57℃，而当外壳厚度大于8mm(即外壳外径大于0.258m)时，导电杆温度有所上升，当外壳厚度小于8mm(即外壳外径小于0.258m)的时，导电杆的温度有所减少．以导电杆横截面积作为优化参数，随着导电杆的半径增加，导电杆的温升逐渐降低．根据R=ρl/s，增大导电杆半径，即增大导电杆的横截面积，降低了母线电阻值，加大自然对流换热空间，使得大电流流过母线的时候的发热减少，加快其散热，因此母线温升也就随之减少．母线整体温度场（铜合金）Fig.6Overalltemperaturefieldofthebus(copperalloy)可以看出母线的温升有了明显的降低．铜的电阻率比铝小，用铜材料制作母线，因其电阻较铝制的小，根据发热公式P=I2R可以知道，其发热损耗也将比铝制母线的发热损耗小．

4结论

1)基于电磁学理论，建立550kV三相GIS母线三维电磁场有限元模型，施加对称三相电流，进行求解分析电流密度．结果表明，550kV三相GIS母线的电流密度分布呈现明显的集肤效应．

2)根据热力学理论，建立550kV三相GIS母线三维稳态有限元模型，施加平均分布的能量，求解观察温度分布．结果表明，平均分布的能量使母线导电杆温度内侧比外侧略高2℃．壳体上靠近导电杆部位温度较高．

3)分别对母线的外壳厚度，母线截面积以及母线材料进行优化，得出最优结果，为三相GIS母线的优化设计提供了新思。

作者：刘勇铭 孙园 吴小斌 王清伟 单位：厦门理工学院电气工程与自动化学院