駱常璐 秦曉宇 張壘

摘要：550kV高壓斷路器在我國電網(wǎng)建設(shè)中占據(jù)主要位置，其設(shè)備的安全運(yùn)行至關(guān)重要。為了保證設(shè)備長期運(yùn)行的安全性與可靠性，國標(biāo)規(guī)定，需要對(duì)接地開關(guān)（ES）進(jìn)行短時(shí)耐受性能試驗(yàn)。文章結(jié)合磁場(chǎng)與瞬態(tài)溫度場(chǎng)進(jìn)行耦合分析，得出導(dǎo)流排在短路電流下的溫升情況，同時(shí)對(duì)比理論計(jì)算結(jié)果，分析差異原因，給出合理的尺寸設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：有限元分析；接地開關(guān)；導(dǎo)流排；熱穩(wěn)定性；高壓斷路器；電網(wǎng)建設(shè) 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TM75 文章編號(hào)：1009-2374（2016）29-0034-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.29.014

氣體絕緣金屬密封設(shè)備（GIS設(shè)備）經(jīng)過不斷優(yōu)化與改進(jìn)，其自身開斷能力已經(jīng)從25kA增大到63kA，而大電流的通過勢(shì)必帶來設(shè)備高溫升的情況。當(dāng)GIS設(shè)備發(fā)生短路故障時(shí)，接地開關(guān)用導(dǎo)流排通過50Hz 63kA大電流，3秒內(nèi)溫升高達(dá)200℃～300℃，而導(dǎo)流排截面積選取不合適，會(huì)直接導(dǎo)致導(dǎo)流排熔斷等危害電網(wǎng)系統(tǒng)的故障，因此短路電流對(duì)導(dǎo)流排的材料選擇、尺寸設(shè)計(jì)等都提出了較高要求。所以接地開關(guān)在正式投入使用之前必須經(jīng)受短路電流耐受試驗(yàn)。對(duì)此，解析計(jì)算接地開關(guān)用導(dǎo)流排在短路電流下的溫升是非常必要的，選擇合適的尺寸，在降低設(shè)備成本的同時(shí)保證足夠的通流能力和安全裕度也是工程設(shè)計(jì)追求的目標(biāo)之一。

大電流通過載流導(dǎo)體時(shí)，由于導(dǎo)體本身電阻的存在，會(huì)產(chǎn)生大量焦耳熱，同時(shí)一般的電路短路時(shí)，設(shè)備會(huì)自動(dòng)切斷線路，因此標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了最大短路電流通過時(shí)間為3秒，在這么短的時(shí)間內(nèi)，熱量無法擴(kuò)散，載流導(dǎo)體承擔(dān)了所有熱量，導(dǎo)致自身溫度急劇上升。為保證今后產(chǎn)品的安全運(yùn)行，要確保在短路電流后載流導(dǎo)體溫度不超過材料軟化點(diǎn)溫度，不產(chǎn)生破壞性溫升故障。目前，短路電流的溫升計(jì)算方法有解析法與有限元法兩種，解析法就是建立簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)模型，推導(dǎo)公式進(jìn)行理論計(jì)算，但由于空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣以及交流電流集膚效應(yīng)的影響，傳統(tǒng)的溫升計(jì)算公式精度差、局限多，計(jì)算繁瑣。另外，伴隨著有限元計(jì)算軟件的高速發(fā)展，通過交流電流在電磁場(chǎng)中的熱量分析，能夠準(zhǔn)確地模擬集膚效應(yīng)的影響，之后通過瞬態(tài)溫度場(chǎng)分析，得出精確的溫升變化，精度高且便于計(jì)算。本文以小型化550kV GIS用接地開關(guān)的接地導(dǎo)流排為研究對(duì)象，基于ANSYS 16.1的電磁場(chǎng)與溫度場(chǎng)進(jìn)行耦合分析與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，得出導(dǎo)流排在短路沖擊電流下的溫升結(jié)果，給出合理的尺寸設(shè)計(jì)，為高壓GIS接地開關(guān)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 計(jì)算方法與基本參數(shù)

1.1 計(jì)算方法

對(duì)于載流導(dǎo)體溫升的理論計(jì)算較為成熟，其計(jì)算流程也較為簡(jiǎn)單，如圖1所示，通過計(jì)算導(dǎo)體電阻而求出發(fā)熱功率，最后直接計(jì)算導(dǎo)體溫升結(jié)果。

對(duì)于在電磁-溫度場(chǎng)耦合分析，由于是交流電流，首先計(jì)算得到電流在載流導(dǎo)體中的密度分布，根據(jù)電流密度大小再計(jì)算局部各個(gè)位置的發(fā)熱功率，最后將發(fā)熱功率作為初始條件導(dǎo)入溫度場(chǎng)中，計(jì)算出載流導(dǎo)體在3秒后的溫升情況。在這個(gè)仿真過程中，按照物理順序進(jìn)行多步仿真，每一步仿真的結(jié)果都作為下一步仿真的加載條件，整個(gè)物理過程是多個(gè)物理場(chǎng)之間的相互作用且是多步的。

本次解析計(jì)算，瞬態(tài)溫度分析采用ANSYS Transient Thermal模塊進(jìn)行，電磁場(chǎng)分析選擇Maxwell 3D有限元仿真軟件來進(jìn)行。分析流程如圖2。

1.2 基本參數(shù)

本次解析對(duì)象的導(dǎo)流排基本設(shè)計(jì)尺寸中寬度80mm、長度282mm、厚度7mm。導(dǎo)流排材料為銅板T2R，選擇ANSYS材料庫中的“Copper”，材料相對(duì)磁導(dǎo)率為1，電導(dǎo)率為5.9×107s/m，材料密度為8.3×103kg/m3，比熱容為385J/kg·℃，兩端通過螺栓固定于接地開關(guān)上，本次解析計(jì)算，簡(jiǎn)化處理，不再考慮螺栓孔影響。按照國標(biāo)要求，其在短路電流試驗(yàn)中通過的電流為63kA/0.3s，建立有限元模型，對(duì)模型加載激勵(lì)電流到導(dǎo)體端面，其有限元模型及電流方向示意圖見圖3。同時(shí)周圍建立真空求解域，滿足對(duì)電磁場(chǎng)求解要求。

銅板T2R的熔點(diǎn)溫度為1083℃，軟化點(diǎn)溫度不低于380℃，允許最大發(fā)熱溫度250℃。為了確保接地回路能夠安全工作，導(dǎo)流排在短路沖擊電流下所產(chǎn)生的溫升不應(yīng)該超過材料本身的最大允許溫升，即不超過250℃。

2 理論計(jì)算及有限元結(jié)果對(duì)比

2.1 發(fā)熱量結(jié)果分析

理論計(jì)算，根據(jù)基本尺寸參數(shù)，求得導(dǎo)流排的橫截面積S為560mm2，長度L為282mm，電導(dǎo)率k為5.9×107s/m，額定短路電流I的有效值為63kA，則計(jì)算導(dǎo)流排的發(fā)熱功率W：

W=I2R=I2 =3.386×104W

解析計(jì)算，根據(jù)有限元分析步驟，首先建立三維仿真模型，并劃分網(wǎng)格對(duì)其進(jìn)行前處理，其前處理對(duì)有限元解析至關(guān)重要，本次解析結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)導(dǎo)流排網(wǎng)格單元簡(jiǎn)單設(shè)置尺寸為小于2mm即可，對(duì)電磁場(chǎng)中真空求解域采用自由網(wǎng)格劃分，最終有限元模型網(wǎng)格剖分結(jié)果見圖4。

通過電磁場(chǎng)解析，計(jì)算導(dǎo)流排在50Hz 63kA短路電流下的發(fā)熱功率，并通過數(shù)據(jù)映射器，將整體數(shù)據(jù)映射到溫度場(chǎng)網(wǎng)格上，完成Maxwell 3D與ANSYS Transient Thermal的數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)由于映射誤差的存在，發(fā)熱功率不能完整的傳輸，通過查看映射數(shù)據(jù)與網(wǎng)格劃分，將功率的傳遞誤差控制在0.1%左右。其映射后的各部分發(fā)熱功率云圖與傳遞誤差如圖5所示，可見解析計(jì)算結(jié)果總發(fā)熱功率為3.665×104W，較公式計(jì)算高出8.24%，兩者存在誤差。

2.2 溫升結(jié)果分析

理論計(jì)算，根據(jù)基本參數(shù)，求得導(dǎo)流排的體積V為1.512×105mm3，發(fā)熱時(shí)間t為3s，材料密度σ為8.3×103kg/m3，比熱容C為385J/kg·℃，則計(jì)算導(dǎo)流排的溫升ΔT：

ΔT===210℃

可知通過理論公式計(jì)算，結(jié)果滿足許用溫升要求，考慮環(huán)境溫度20℃也滿足不高于軟化點(diǎn)溫度250℃的使用要求。

解析計(jì)算，通過溫度場(chǎng)分析，通流3秒后的導(dǎo)流排溫度如圖6所示：

可知，通過有限元分析，結(jié)果不滿足使用要求，最高溫升高達(dá)268℃，最低溫升在180℃，再考慮到環(huán)境溫度30℃的情況下，使用溫度更高。

2.3 影響因素分析

通過以上結(jié)果可以看出，理論計(jì)算與解析計(jì)算存在誤差，而且直接影響是否滿足使用要求的判定。本次短路電流時(shí)50Hz 63kA，為交流電，而當(dāng)導(dǎo)體中有交流電通過是，導(dǎo)體內(nèi)部電流分布不均，電流集中在導(dǎo)體的“皮膚”部分，也就是說電流集中在導(dǎo)體外表的薄層，越靠近導(dǎo)體表面，電流密度越大，導(dǎo)線內(nèi)部實(shí)際上電流較小，這就是趨膚效應(yīng)。這種現(xiàn)象使導(dǎo)體的電阻值增加，損耗功率也增加，同時(shí)也是造成導(dǎo)流排兩端溫升較高，中間部分溫升較低的原因所在。通過調(diào)取有限元解析結(jié)果，導(dǎo)出導(dǎo)流排截面上電流密度云圖（圖7），也可以清晰看到趨膚效應(yīng)的影響非常顯著。

3 改進(jìn)方案

通過有限元解析，導(dǎo)流排現(xiàn)有尺寸無法滿足使用要去，需要變更，其厚度方向由原來的7mm變更為10mm，其余尺寸保持不變，這樣導(dǎo)流排截面積增大至560mm2，導(dǎo)體電阻降低，發(fā)熱量減少，同時(shí)由于導(dǎo)流排體積的相對(duì)增加，整體溫升也將得到很大改善，再次通過有限元對(duì)新尺寸導(dǎo)流排進(jìn)行解析計(jì)算，得到溫升云圖見圖8所示，導(dǎo)流排最高溫升降至200℃，考慮到環(huán)境的溫度，也完全滿足允許溫升250℃的使用要求。

4 結(jié)語

通過建立導(dǎo)流排的電磁-溫度場(chǎng)耦合有限元分析，通過電磁分析得到導(dǎo)流排的發(fā)熱功率，再將發(fā)熱功率導(dǎo)入到溫度場(chǎng)分析中，最終完成對(duì)導(dǎo)流排的溫升計(jì)仿真計(jì)算及優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過有限元分析，可以充分考慮交流電的趨膚效應(yīng)現(xiàn)象，彌補(bǔ)了理論計(jì)算溫升較低的誤差，提高了計(jì)算效率，降低了產(chǎn)品運(yùn)行時(shí)的風(fēng)險(xiǎn)，保證了設(shè)備長期安全可靠的運(yùn)行，耦合仿真對(duì)于導(dǎo)流排的設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

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作者簡(jiǎn)介：駱常璐（1988-），男，河南平芝高壓開關(guān)有限公司助理工程師，研究生，研究方向：高壓斷路器設(shè)計(jì)。

（責(zé)任編輯：蔣建華）