接地开关用导流排电磁结构分析

杨姣龙　龚咪咪　赵艳涛　闫飞越　高振奎

（河南平芝高压开关有限公司，河南　平顶山　467013）

接地开关用导流排电磁结构分析

杨姣龙龚咪咪赵艳涛闫飞越高振奎

（河南平芝高压开关有限公司，河南平顶山467013）

在GIS开关设备中，接地开关起着安全保障的作用。性能测试中，其需要满足动稳定性试验的要求。在动稳定性试验中，导流排受到很大的冲击电动力，为了保障接地开关工作的安全性与稳定性，建立三维有限元模型，对GIS接地开关中的导流排进行电磁-结构耦合仿真，得出不同结构下导流排应对短路冲击电流的能力，对比分析结果，得出合理的结构设计，为高压GIS接地开关设计提供理论依据。

有限元分析；接地开关；电动力；机械强度

Keyworks:finite element analysis；earthing switch；electric power；mechanical strength

导流排广泛应用在气体绝缘金属封闭开关设备（GIS设备）中，其主要作用是保持设备接地，提供安全保障。当GIS设备发生短路故障时，导体和壳体所受电动力会急剧增大，如设备机械强度不足，则引起导流排结构变形、接触电阻增大等，无法保障安全接地，严重危害设备和电力系统的安全。因此，接地开关在正式投入使用之前必须经受短路电流耐受试验［1，2］。所以，计算分析接地开关导流排在短路条件下的电动力及机械特性，对于保证可靠的接地性能，提高电力设备的运行安全性和稳定性具有现实意义。

分析计算中，电动力与电气回路中的电流密度和磁感应强度有关。因此，求解出各部分的电流密度和由电流密度产生的磁感应强度是准确求解电动力的关键。由于空间结构复杂多样，传统的电动力计算公式计算困难。伴随有限元计算软件的快速发展，通过电流传导分析、磁场强度分析和结构场分析，可以精确地计算出电气系统的电动力分布及机械强度。本文以小型化550kV GIS用接地开关的接地导流排为研究对象，基于ANSYS 16.1的电磁场与结构场进行耦合分析，得出不同结构在短路冲击电流下的分析结果，分析机械性能，给出合理的结构设计，为高压GIS接地开关设计提供理论依据。

1　计算方法与物理模型

1.1计算方法与流程

通常在电磁-结构耦合分析时，先计算得到电流在模型中的密度分布，根据电流密度大小经过磁场分析计算出空间磁通密度分布，再计算通流载体在该电磁场下所受的电动力，最后将电动力作为初始条件导入结构场中，计算出对结构的影响。在这个仿真过程中，按照物理顺序进行多步仿真，每一步仿真的结果都作为下一步仿真的加载条件，整个物理过程是多个物理场之间相互作用，且是多步的。

本次解析计算，构场分析采用ANSYS Mechanical模块进行，磁场选择使用Maxwell 3D有限元仿真软件来进行。分析流程如图1所示。

图1　计算流程

1.2物理模型与材料属性

根据有限元仿真分析步骤，首先建立三维仿真模型，为了节约系统资源、加快计算速度，需要简化接地回路有限元模型。由于本次主要的研究对象是导流排本身的受力情况，因此与力分析无关或者对电动力影响较小的部件可以省略或者简化。本次结构中传动机构部分电阻值大，回路电流主要通过导流排与壳体，故可不对传动机构部分建模，结合实际工况，导流排厚度10mm，宽度80mm，采用3种结构型式，建立有限元模型如图2所示。

图2　有限元模型

导流排材料为铝材1050A-H24，选择ANSYS材料库中的“aluminum”，其相对磁导率为1，电导率3.8×107S/m，杨氏模量7.1×104MPa，泊松比0.33，两端通过螺栓固定于接地开关上。按照国标要求，其在峰值耐受电流试验中通过的电流峰值为171kA/0.3s，对模型加载激励电流到导体端面和壳体端面，完成回流，其电流方向示意图见图3。同时周围建立真空求解域，满足对电磁场求解要求。

铝材1050A-H24的抗拉强度Rm大于105MPa，允许应力 Rp0.2为75MPa。为了确保接地回路能够安全工作，导流排短路时的最大电流所产生的弯曲应力不应该超过材料本身的最大允许应力，即R≤Rp0.2。

图3　电流方向示意图

2　数学模型

2.1电磁控制方程

动稳定性是考核设备在峰值电流电动力作用下影响。为便于分析使用准静态假设的电磁场问题，可以忽略位移电流，并引入磁矢量位A作为辅助变量，麦克斯韦方程组可表述为：

将磁矢量位A的表达式代入安培环路方程，可以得出电磁场的控制方程：

同时采用库伦规范条件：∇·A=0，控制方程可以表述为泊松方程形式：

式（3）中，μ为材料磁导率；H为磁场强度；B为磁感应强度；E为电场强度；J为流经导体的激励电流密度。

2.2电动力控制方程

按电磁场理论，任何磁场力都可以归结为磁场对运动电荷的作用力，称为洛伦磁力。导体中的电流由电荷的运动产生，假设导体中传导电流的密度为J，则磁场对载流导体单位体积的作用力为：

在实际计算磁场对载流导体的作用力时，首先用数值计算法求解磁感应强度B，求得单位体积上作用力，则作用于载流导体上总的力为：

式（5）中，V为载流导体的体积，J和B分别为导体中传导电流密度矢量和磁感应矢量。

3　计算结果及影响因素分析

3.1电磁场计算结果分析

通过电磁场分析，导流排在峰值短路电流下的磁通密度分布从计算的结果可以看出，导流排结构型式不同，使其电流密度和周围磁通密度分布也不相同，从而影响到导流排上的电动力密度分布不同。

3.2结构场计算结果

在磁场中通电导体承受电动力，该作用力分布在导流排每个单元上，并以体积力体-磁网格映射到与之不同的结构网格上，使结构分析中包含电动力密度，映射后的力密度云图见图4。可以看到，3种方案中，整体电动力密度分别为0.3、0.6和0.3，其中方案二受到电动力局部较大，这也符合其导流排距通电导体距离越近，其所受电动力也就越大，且两者之间电动力体现为斥力的现象。

将单元上的电动力转换为作用力，约束导流排两固定面，得出应力计算结果，对比结果见图5。可以看出方案一和方案三局部应力值已经远大于许用应力Rp0.2（75MPa），这样将无法保证导流排的机械强度，导致变形。方案二其最大值76.4MPa，在螺栓紧固面处，其余部位均远小于材料的许用应力Rp0.2，不会产生结构变形，满足使用要求。

图4　导流排力密度分布

3.3影响因素分析

接地导流排的布置型式一方面影响磁通密度的分布，进而影响通电导体所受电动力的大小；另一方面，不同的布置型式下，导流排长度和固定方式的不同会导致受力情况不同。因此，为使导流排在电动力下的结构稳定性最好，需要通过合理的结构布置以满足使用要求。

方案一和方案三虽然导流排距离通电导体距离较远，有效地降低了局部电动力，但由于结构长，整体承受电动力依然很大，且机械性能较方案二差。方案二中，导流排距离通电导体距离较原结构更近，虽然使得局部电动力变大，但由于导流排长度变短和固定方式的改变，使其在结构上机械性能更好。

图5　结果对比

4　结语

通过建立接地开关的电磁-结构耦合有限元模型，通过电磁分析得到导流排的电流密度、磁通密度及电动力密度分布后，将电动力作为初始条件导入结构场分析中，最终对导流排进行了仿真分析及优化设计。通过对不同结构型式进行分析，分析影响因素，给出合理结构，大大缩短了研发周期，提高了设计效率，降低了研发成本，保证了产品质量，有必要进行进一步的推广。

Analysis of Electromagnetic and Structure of Diversion Row Used in Earthing Switch

Yang JiaolongGong MimiZhao YantaoYan FeiyueGao Zhenkui
（Henan Pingzhi High-High-voltage Switchgear Co.Ltd.，Pingdingshan Henan 467013）

Earthing switch plays the role of security in GIS，and dynamic stability must be satisfied in performance testing.Moreover，great impulse electric power may be produced in diversion row，when dynamic stability test is conducted.To guarantee the security and stability of earthing switch，the coupled simulation of electromagnetic and structure for diversion row was used in ground loop based on the three-dimensional finite element model.And the capability of diversion row to respond to the short-circuit impulse current has been acquired among different structures.Reasonable structure design was obtained by comparing the results of the analysis，which provides a theoretical basis for the design of earthing switch used in GIS.

TM564

A

1003-5168（2016）05-0129-03

2016-04-18

作者介绍：杨姣龙（1983-），男，本科，助理工程师，研究方向：高压断路器设计。

［1］黎斌.SF6高压电器设计［M］.北京：机械工业出版社，2009.

［2］林莘.现代高压电器技术［M］.北京：机械工业出版社，2002.