高压GIS用母线的温升仿真计算

河南平芝高压开关有限公司 龙锦霞

高压GIS用母线的温升仿真计算

河南平芝高压开关有限公司 龙锦霞

高压开关设备(GIS) 在我国的电网建设中占据着重要位置，其中设备的安全运行至关重要，而在实际运行中，由于设备长期带电，电阻损耗发热导致温度升高，从而会影响到产品性能。为了保证GIS可靠的电力连接，实现设备的安全运行，在产品设计时，满足温升设计的使用要求成为重要的课题之一。本文以550kV GIS用母线单元为研究对象，通过建立三维有限元模型，利用热网格法与有限元法相结合，对其进行温升计算。通过将计算结果与试验数据进行对比，验证了该方法的准确性，其试验值与计算值最大误差在10%以内，满足工程许用精度要求，为新产品设计提供了理论依据。

GIS；母线；温升；有限元法

0 引言

作为世界能源消耗第二大国，我国有着全球最庞大的电网系统，自2002年起至今，电源装机、电网规模已居世界首位。伴随着国内用电量急增与城镇化建设需要，高压GIS设备正不断朝着小体积、大参数方向发展[1]，其母线设备同样需要进行小型化设计。由于设备体积小，密封优良，产生的热量很难传导出去，造成温升超标，导致绝缘材料绝缘性能降低、金属材料机械强度下降、导体接触部电阻升高的等不良影响，从而无法满足工程需求，因此研究和预测母线单元的发热与温升，关键在于了解设备内部分温升分布，这对材料的选择、合理的结构设计与装配都是非常重要的[2]。

在电器领域中，已经有采用有限元的方法研究温度场问题[3-4]，他们大都采用磁场-流场耦合散热模型进行分析，但存在模型复杂，网格量大，计算时间长等缺点，本文以550kV GIS用母线单元为研究对象，基于ANSYS有限元分析平台，结合热网格法与有限元法，用解析法求解电阻率和散热系数，用于计算模型的发热功率与散热效率，再用有限元法求解温升值，计算出设备各部位最终的温升情况。

1 计算模型及步骤

1.1 计算模型

本文采用的计算模型为550kV GIS产品用母线，有限元模型及实物见图1。该母线筒体采用铝合金6005A-H112材质，导体采用铝合金6063-T6材质，导体连接采用弹簧触指型进行导通，采用绝缘支柱及绝缘盆子作为导体支撑件，内部充SF6气体，额定电流6300A，温升试验电流6930A[5]，环境温度20℃，室内无风环境。该母线单元水平布置，构成简单，且筒体直径小，其涡流损耗的影响，对导体与壳体的最高温度影响在0.5℃左右[6]，因此为方便计算，本次计算分析不考虑壳体的涡流损耗。此外，本模型只考虑稳定时的温升，不考虑温升建立过程及外界风速的影响。最终有限元模型及实物见图1所示。

图1 有限元模型及实物

1.2 计算步骤

任何发热计算的分析方法都是以第一定律为基础的，即在一个没有任何能量流入或流出的封闭系统中，其内部能量存在平衡，系统内电阻损耗全部转换成系统内能。本次计算时，采用解析法与有限元法相结合，首先，利用ANSYS有限元软件，对解析模型进行网格划分，再对交流阻抗与散热系数进行理论计算，得出结果作为有限元计算输入的材料属性参数与边界条件参数，最后进行仿真计算，得出温升结果。该过程思路清晰，计算简洁，对于一般工程应用非常方便。

2 发热与散热参数

2.1 电流密度与交流阻抗

当电流通过导体作周期性变化时，磁场也跟着变化，而在线芯的每根导丝上就感生反对电流变化的电势。由于靠近轴心的导丝电势大（交链磁通多），反作用就大，轴心及附近电流密度就减小而外表电流密度增加。导体横截面各点上的电流密度就不同，这种电流集表的现象即集肤效应，它随频率f、导线直径d、导磁率μ、导电率-的增大更加显著。通过计算公式[7-8]：

式中：为导体直流电阻；为导体的集肤效应系数；为导体温度为20℃时的直流电阻率；为20℃时的电阻温度系数；为导体的运行温度；为导体截面面积。对于圆柱及圆管导体的集肤效应系数可通过查表[8]。

2.2 对流、传导与辐射散热系数

热量的耗散有对流、辐射和传导三种形式。其中热对流可定义为由于温差的存在，固体与接触其表面的流体之间产生的热量交换。热传导是指因为温度梯度的存在而产生的热量交换，其通常发生在两个接触完全的物体之间或一个物体的不同部分。热辐射可以定义为物体吸收其他物体所发射的电磁能，并将其转化为热量的过程。该三种热量传递的表达式相对成熟[9]，这里不再赘述。对于密封的母线单元来说，其内部导体与外部筒体由于通流产生热量，而母线产生的热量则通过辐射与对流传递到SF6气体，而SF6气体又通过热对流将热量传递带筒体内表面，从而形成了“受限空间的自然对流换热”，因此可以认为最后全部的热量均是通过筒体表面的空气对流进行散热，最终达到热平衡状态。

3 温升计算

3.1 建立有限元模型

有限元法（FEM，Finite Element Method）在数学中是一种为求得偏微分方程边值问题近似解的数值技术[10-11]。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，在建立有限元仿真模型前，需要对模型各个部分进行一定的简化。由于本次主要的研究对象是导体及筒体的发热，因此对于螺栓、导流排、绝缘支撑、触指等部件可以进行省略或者简化。触指部位的简化见图2所示。

图2 触指部位简化示意图

3.2 网格划分及边界条件加载

有限元方法计算过程由3个步骤组成：前处理、有限元计算和后处理。其前处理中网格划分的好坏对于有限元仿真分析至关重要，其直接关系到仿真的时间以及仿真结果的准确性，因此需要对网格划分的质量加以控制。理论上讲，网格单元划分的数量与有限元计算结果的精度是成正比的，即剖分越细密，与真实的物理模型特征吻合的越好，当然，计算机资源的消耗也越大，计算时长会越长。由于本次模型较大，为了减少不必要的计算时间，采用自由四面体网格进行划分，对导体和筒体划分网格控制小于，以保证局部网格质量。

本次对母线单元端面施加温升试验电流6930A，对接筒体的导流排施加0电位，从而实现电流回路的建立。同时，对外壳内表面与导体外表面施加无滑移边界条件，外壳外表面施加对流换热系数[12]，为了与试验温升值进行对比，设置环境温度与试验温度值为20℃，求解温度场方程。

3.3 求解及后处理

为了验证计算的可靠性，需要对母线的温升进行试验测试。该母线温升试验由国家高压电器质量监督中心西安高压电器研究所高压电气试验室完成，试验电流为6900A，电流频率50Hz，周围风速≤0.5m/s，试验母线SF6气压0.5MPa，环境温度为20℃。通过与试验值进行对比，可以得出本次温升的最大值出现在绝缘盆的连通导体上，其值为83.5℃，而实际试验值为78.9℃，解析计算值与实验值偏差在10%误差以内，满足工程许用精度要求。母线温升云图见图3。

图3 母线温升云图

4 结论

伴随着计算机技术的快速发展，有限元仿真技术在工程应用具有越来越重要的地位。本文基于ANSYS的有限元分析，建立了高压开关设备中母线温升的有限元模型，结合热网格发和有限元法，简化集肤效应和内部气体对流的计算，通过建立热平衡状态，实现在“受限空间的自然对流换热”的温升计算。后期通过对母线的温升仿真数据与试验数据的对比，得出其温升结果误差在10%以内，验证了该方法的准确性，其具有工程应用价值，该方法计算简洁，使用方便，能够大大的缩短研发周期，提高设计效率，降低研发成本，为新产品设计提供了理论依据，有必要进一步推广应用。

[1]周小谦．我国电力发展与西北电力展望[J]．电网与清洁能源,2008(9)．

[2]徐国政．高压断路器原理与应用[M]．北京:清华大学出版社,2000．

[3]宋帆,申春红,林莘,等．800kV GIS隔离开关磁场-温度场计算与分析[J]．高电压技术,2008,34(7):1383-1388．

[4]殷家敏．欧勇,等．GIS母线损耗发热的电磁场-流场-温度场计算及影响因素分析[J]．水力发电,2012,38(4):28-42．

[5]GB/T 11022-2011高压开关设备和控制设备标准的共用技术要求[S]．2011．

[6]王沨等．高压同轴GIS母线三维磁-热耦合场的计算与分析[J]．湖南大学学报(自然科学版),2014,41(8):73-770．

[7]李建兵．电流趋肤效应的二维数值分析[J]．微电子学与计算机,2007,24(1)．

[8]熊信银．发电厂电气部分[M]．北京:中国电力出版社,2009．

[9]圆山重直．传热学[M]．北京:北京大学出版社,2011．

[10]成思源．有限元法的方法论[J]．重庆大学学报(社会科学版),2001(04):61-63．

[11]张洪信．ANSYS有限元分析[M]．北京:机械工业出版社,2008．

[12]武安波．密集型母线槽磁场—温度场综合有限元分析[J]．高压电器,2003,39(4):7-10．

龙锦霞（1983—），大学本科，助理工程师，研究方向：高压断路器设计。