黃明亮 蘭 生

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基于ANSYS Workbench的 110kV隔離開關(guān)性能優(yōu)化研究

黃明亮 蘭 生

（福州大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院，福州 350008）

為了優(yōu)化高壓隔離開關(guān)導(dǎo)電回路溫升與電磁場，本文利用Solidworks建立三維模型與ANSYS workbench進(jìn)行仿真分析，以GW5隔離開關(guān)的導(dǎo)電回路為對象進(jìn)行電磁場與溫度場仿真分析與性能優(yōu)化。首先通過仿真計算得到最大電磁場強(qiáng)度與最大溫升出現(xiàn)在觸指結(jié)構(gòu)上。其次，通過改變觸指的材料以及結(jié)構(gòu)，不斷地將結(jié)果進(jìn)行對比和分析，得到了鎢銅可以降低觸指的溫升程度到23.032℃，觸指的全倒圓角可以降低觸指結(jié)構(gòu)的最大電磁場強(qiáng)度。本文提出的性能優(yōu)化方案以及計算結(jié)果，可以為今后的高壓隔離開關(guān)設(shè)計方案提供理論依據(jù)。

隔離開關(guān)；電磁場；溫度場；性能優(yōu)化；有限元分析

高壓隔離開關(guān)是使用最普遍的高電壓開關(guān)設(shè)備，最大特點(diǎn)在于它是一種具有可見的絕緣距離的開關(guān)設(shè)備。隔離開關(guān)最重要的部件是觸指/觸頭結(jié)構(gòu)，它決定著高壓隔離開關(guān)的壽命，進(jìn)而決定了高壓輸變電網(wǎng)的可靠、安全[1]。72.5～550kV高壓隔離開關(guān)在運(yùn)行中所反映出存在的缺陷，多為絕緣子斷裂、操作失靈、導(dǎo)電回路過熱和銹蝕[2-3]。其中，隨著運(yùn)行年限的增長，觸頭及觸指過熱是主要原因 之一[3]。

高壓隔離開關(guān)的結(jié)構(gòu)和制造方法簡單，其發(fā)展在很長時間內(nèi)都不受重視，因此在實(shí)際運(yùn)行中高壓隔離開關(guān)出現(xiàn)很多問題。而設(shè)計容量不足、觸頭/觸指材質(zhì)不合適、觸頭/觸指接觸不良等才是影響高壓隔離開關(guān)運(yùn)行的根本因素[4]。在對觸指/觸頭進(jìn)行設(shè)計時，通常根據(jù)手工計算與經(jīng)驗(yàn)分析，但高壓隔離開關(guān)因結(jié)構(gòu)復(fù)雜會使計算結(jié)果不準(zhǔn)確。采用計算機(jī)仿真的方法對高壓隔離開關(guān)進(jìn)行設(shè)計與優(yōu)化將縮短產(chǎn)品的設(shè)計周期，并且使電場等問題的計算變得簡單明了。律方成等人[5]利用ANSYS對動車組高壓隔離開關(guān)絕緣子進(jìn)行電場仿真計算及其優(yōu)化。WF Liu等人[6]利用ANSYS Workbench對高壓隔離開關(guān)的彈性接觸結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，延長其使用壽命。目前對高壓隔離開關(guān)就溫度場與電磁場問題進(jìn)行材料與結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究還不夠完善。

本文利用Solidworks建模軟件對GW5型號隔離開關(guān)觸頭/觸指部分建模，利用ANSYS Workbench基于電磁場與溫度場對初始模型進(jìn)行仿真分析以及改變觸頭材料和結(jié)構(gòu)來對比仿真結(jié)果，最終確定觸頭優(yōu)化方案。對今后設(shè)計隔離開關(guān)提供優(yōu)化方案與仿真結(jié)果，具有一定的參考價值。

1 電磁場與溫度場分析理論

本文的分析對象為隔離開關(guān)的觸頭部分，而這一部分屬于實(shí)導(dǎo)體范疇，且在觸頭觸指部分殼體較薄，并不需要考慮渦流和集膚效應(yīng)的影響。隔離開關(guān)三維靜電場強(qiáng)度采用靜電場高斯定律與環(huán)路定律來求解。隔離開關(guān)三維靜電場分析滿足的控制方程與邊界條件為[7]

（2）

隔離開關(guān)三維靜磁場的磁場強(qiáng)度采用安培定律和高斯磁通定律來求解。然而在隔離開關(guān)磁場問題中，直接求解場量并不是很方便，因此需要引入矢量磁位來描述場域中有電流存在的靜磁場問題，可得隔離開關(guān)三維靜磁場求解模型，即

（4）

隔離開關(guān)的主要熱源為動、靜觸頭的接觸電阻生熱，以及導(dǎo)電部件因流過電流而發(fā)熱，通過部件的熱傳導(dǎo)以及部件表面與周圍介質(zhì)的對流散熱而最終達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

根據(jù)導(dǎo)熱相關(guān)原理[8]，高壓隔離開關(guān)的導(dǎo)熱學(xué)模型為

式中，K、K、K分別為，，方向的導(dǎo)熱系數(shù)；為材料密度；為材料比熱；為導(dǎo)體的生熱率；為對流散熱系數(shù)；為未知邊界溫度；0為已知空氣溫度；為熱導(dǎo)率；為時間。

2 隔離開關(guān)的幾何建模與仿真前處理

2.1 隔離開關(guān)的幾何建模

本文所分析的GW5型號隔離開關(guān)觸頭/觸指如圖1所示，具體技術(shù)參數(shù)見表1。其導(dǎo)電回路采用雙柱中開、觸頭轉(zhuǎn)入式結(jié)構(gòu)，鋼制件采用熱鍍鋅，確保隔離開關(guān)操作靈活、輕便、可靠、不易銹蝕。

圖1 GW5隔離開關(guān)導(dǎo)電回路實(shí)物圖

表1 GW5隔離開關(guān)主要技術(shù)參數(shù)

在對隔離開關(guān)運(yùn)行情況的調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，其結(jié)構(gòu)會造成比較大的影響，并且不同觸頭材料的銹蝕和老化問題也比較突出。針對隔離開關(guān)運(yùn)行中的主要問題，想要盡最大可能地減少由導(dǎo)電回路過熱帶來的故障，應(yīng)該從改進(jìn)觸頭結(jié)構(gòu)設(shè)計和觸頭材料這兩方面著手進(jìn)行優(yōu)化。

如圖2所示，利用Solidworks建立高壓隔離開關(guān)的導(dǎo)電回路模型。根據(jù)模型實(shí)際開關(guān)尺寸建立，保證了仿真結(jié)果的可靠性。

圖2 隔離開關(guān)導(dǎo)電回路模型

2.2 有限元仿真分析前處理

在電磁場分析中定義分析環(huán)境為Electromagnetic，分析單元類型選擇SOLID123。靜電場主要分析對象為空氣域，空氣域的建立為底面半徑為1500mm，高為725mm的圓柱形外邊界，在劃分空氣域網(wǎng)格時一定要選擇生成六面體網(wǎng)格。對導(dǎo)電回路自身采用4級Smartsize進(jìn)行剖分，以保證求解精度。對于邊界條件的加載，靜電場加載的是126kV的最高工作電壓邊界條件，對空氣域外表面施加0電位。靜磁場導(dǎo)電桿一側(cè)加載的是0.63kA的額定電流邊界條件，另一側(cè)電流流出面為0電位。

對導(dǎo)電回路進(jìn)行溫度場分析，是以傳導(dǎo)電流場為基礎(chǔ)開展的溫升分析，即將電流傳導(dǎo)場生成的焦耳熱結(jié)果作為穩(wěn)態(tài)熱分析的結(jié)果。在熱分析中，選定熱傳導(dǎo)與熱對流為主要傳熱方式。由于GW5型為戶外用隔離開關(guān)觸頭部分直接與空氣接觸，所以其對流系數(shù)設(shè)置為在空氣對流系數(shù)10W/m2·℃，環(huán)境溫度設(shè)置為25℃。

3 仿真結(jié)果分析

在Ansys Workbench的Simulation模塊中對導(dǎo)電回路進(jìn)行仿真分析。在靜磁場分析中，主要關(guān)注的是導(dǎo)體表面及周圍場域的磁場情況，靜電場分析結(jié)果則關(guān)注導(dǎo)體周圍空氣域的電場分布，傳導(dǎo)電流場的分析重點(diǎn)為導(dǎo)電回路電流密度分布以及焦耳熱的分布情況，而在溫度場分析中本文著重考慮觸指上的溫升情況。

3.1 觸指材料優(yōu)化

大部分金屬導(dǎo)體的電阻率隨著溫度的增加而變大，而電阻率的變大又會使導(dǎo)電回路的發(fā)熱量變大，不同材料的電阻率和導(dǎo)熱率存在著差異，因此，選取合適的觸指材料對解決溫升問題起著很大的作用。在材料的選擇上，主要根據(jù)常用觸頭材料來確定。鋁合金因其良好的防腐性、質(zhì)量輕及強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，并且添加微量金屬元素可提高鋁合金的電導(dǎo)率，有很大的應(yīng)用前景[9]。普通銅合金作為隔離開關(guān)觸頭材料經(jīng)濟(jì)又有效，而鎢銅作為電觸頭具有抗電弧、抗熔焊、耐高壓等優(yōu)點(diǎn)[10]。各材料的特性參數(shù)見表2。

表2 觸指材料的特性參數(shù)

根據(jù)表2所示的材料特性參數(shù)在Workbench材料庫中定義不同的材料參數(shù)，在定義電阻率時應(yīng)考慮溫度對電阻率的影響，相對磁導(dǎo)率設(shè)置為1。溫度場是由傳導(dǎo)電流場作為基礎(chǔ)而開展的溫升分析，將傳導(dǎo)場電流生成的焦耳熱結(jié)果，作為穩(wěn)態(tài)熱分析的載荷。焦耳熱的分布如圖3所示。

圖3 導(dǎo)電回路的焦耳熱分布

從導(dǎo)電部分的焦耳熱分布可知，焦耳熱的最大值主要集中在觸指部分，因此以觸指作為溫升的分析對象。本文一一對比了不同材料中，觸指的磁場強(qiáng)度、電流密度與溫升分布情況，以下僅列舉了各材料的溫升情況分布結(jié)果。仿真分析結(jié)果如圖4 所示。

（a）鎢銅觸指的溫升分布

（b）鎢銅觸指的表面溫升分布路徑

（c）熱鍍鋅與鋁合金的表面路徑溫升對比

（d）鎢銅與銅合金的表面路徑溫升對比

圖4 觸指溫升仿真結(jié)果分布情況

表3 不同觸指材料的仿真結(jié)果

由仿真結(jié)果可知，各材料的電流密度相差無異，磁場強(qiáng)度是鋁合金最高，鎢銅的磁場強(qiáng)度較熱度鋅相比稍微升高。差異最大的就是溫升情況，由于觸指只改變材料而結(jié)構(gòu)不變，所以分布情況幾乎一致（溫升分布云圖以鎢銅為例），但在數(shù)值上存在著差異。在同樣的正常運(yùn)行條件下，鎢銅的最大溫升只有23.032℃，相對初始的29.059℃，優(yōu)化結(jié)果可觀。鎢銅的電阻率是最小的，但是導(dǎo)熱率卻不是最小的，所以隔離開關(guān)觸指的溫升是材料電阻率與導(dǎo)熱率共同作用的結(jié)果。為了優(yōu)化導(dǎo)電回路的發(fā)熱情況，可知鎢銅相比其他3種材料更適合做觸指材料。

3.2 觸指結(jié)構(gòu)優(yōu)化

GW5型隔離開關(guān)導(dǎo)電部分主要由主觸頭、觸指以及圓軸導(dǎo)電桿組成。圖5所示為GW5型隔離開關(guān)的導(dǎo)電回路電場分布情況。

圖5 導(dǎo)電回路電場分布

從對導(dǎo)電回路初始模型的靜電場分析中，可以得知在模型觸指的兩端直角邊緣以及側(cè)邊薄壁處電場最大，最大電場達(dá)19.7kV/mm。對直角邊緣的電場優(yōu)化可以采用倒圓角的方式進(jìn)行優(yōu)化，倒圓角可以使電場分布更加均勻[11]。由此針對觸指部分進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，分別針對觸指的直角邊提出3種不同的倒圓角優(yōu)化，以增大邊緣曲率半徑：①兩端倒圓角為觸指兩端的直角邊緣進(jìn)行圓角處理；②內(nèi)外邊倒圓角為觸指兩側(cè)的直角邊緣進(jìn)行圓角處理；③內(nèi)部孔為觸指連接插槽短邊處進(jìn)行圓角處理。具體圓角優(yōu)化半徑見表4（所有參數(shù)均經(jīng)過比對而選出最優(yōu)尺寸）。利用ANSYS Workbench對優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行電磁場仿真計算，計算結(jié)果如圖4所示。不同觸指結(jié)構(gòu)及其電場分布如圖6所示。

表4 倒圓角具體優(yōu)化參數(shù)

（a）兩端倒圓角優(yōu)化

（b）兩端倒圓角優(yōu)化電場分布

（c）兩端及內(nèi)邊倒圓角優(yōu)化

（d）兩端及內(nèi)邊倒圓角優(yōu)化電場分布

（e）全倒圓角優(yōu)化

（f）全倒圓角優(yōu)化電場分布

圖6 不同觸指結(jié)構(gòu)及其電場分布

根據(jù)表5的仿真分析結(jié)果可知，不同倒圓角方式均有改善電磁場強(qiáng)度。全倒圓角結(jié)構(gòu)減小了觸指的電場強(qiáng)度，而對于磁場強(qiáng)度減小程度較不明顯。但需注意的是，全倒圓角優(yōu)化時底邊與側(cè)邊的倒圓角會形成邊角，因此需要對邊角進(jìn)行處理，邊角的倒圓角參數(shù)見表4。兩端倒圓角與兩端及內(nèi)邊倒圓角兩種優(yōu)化方式對電磁場的改善程度相差不大。因此，可以使用全倒圓角方法對高壓隔離開關(guān)的觸指進(jìn)行優(yōu)化，相比其他兩種優(yōu)化方式可得到更加可觀的優(yōu)化結(jié)果。

表5 不同觸指結(jié)構(gòu)的仿真結(jié)果最大值

4 結(jié)論

本文通過ANSYS Workbench有限元分析軟件對典型戶外隔離開關(guān)GW5型號的導(dǎo)電回路進(jìn)行電磁場與溫度場分析與計算，并利用計算結(jié)果對隔離開關(guān)進(jìn)行材料與結(jié)構(gòu)優(yōu)化，得到了以下結(jié)論。

1）導(dǎo)電回路的最大溫升主要分布在觸指上，以鋁合金、銅合金和鎢銅幾種常用材料對隔離開關(guān)原始材料進(jìn)行替換，可知在同樣的正常運(yùn)行條件下鎢銅的性能最優(yōu)，可使溫升在同樣運(yùn)行條件下從29.059℃降到23.032℃。

2）在導(dǎo)電回路電磁場分析中可得，最大電場強(qiáng)度出現(xiàn)在觸指部位上。因此針對觸指進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，通過3種不同的結(jié)構(gòu)優(yōu)化電磁場計算可知，3種方式相比原始狀態(tài)都有優(yōu)化效果。全倒圓角優(yōu)化可以極大降低電磁場強(qiáng)度，使電場最大值從19.7kV/mm降到9.4kV/mm，最大磁場強(qiáng)度從2745.3A/m降到2472.5A/m。

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Performance Optimization of 110kV Disconnector based on ANSYS Workbench

Huang Mingliang Lan Sheng

(College of Electrical Engineering and Automation, Fuzhou University, Fuzhou 350008)

In order to optimize the temperature rise and electromagnetic field of the conductive circuit of the high disconnector, Solidworks is used to establish three-dimensional model and ANSYS workbench is used to simulation analysis. The simulation analysis and performance optimization of the conductive circuit of the GW5 type disconnector was performed based on the electromagnetic field and temperature field. The maximum electromagnetic field strength and the maximum temperature rise appears in the contact finger structure are obtained by simulation calculation. Tungsten copper can greatly reduce the temperature rise to 23.032℃ and chamfered of the all ends can greatly reduce the maximum electromagnetic field strength of the contact finger structure are summed up by changing the material and structure of the contact finger. The performance optimization scheme proposed and the calculation results in this paper could provide theoretical basis for the design of high voltage disconnector in the future.

disconnector; electromagnetic field; temperature field; performance optimization; finite element analysis

黃明亮（1992-），男，福建泉州人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)楦唠妷号c絕緣技術(shù)。