进线柜结构三维电磁场及耦合热场分析

朱云逸

（中核核电运行管理有限公司，浙江 嘉兴 314300）

0 引言

进线柜，就是从外部引进电源的开关柜。一般是从供电网络引入10KV电源，10KV电源经过开关柜将电能送到10KV母线，这个开关柜就是进线柜。作为电能传输设备，进线柜就是由低压电源（变压器低压侧）引入配电装置的总开关柜。35KV～110KV及以上电压等级的变电站，进线柜均所指为变压器低压（10KV）开关柜。即由变压器低压侧输出连接至10KV母线的初始端的第一个柜：称为进线柜，也称为变低进线柜。进线柜为负荷侧的总开关柜，该柜担负着整段母线所承载的电流，由于该开关柜所联接的是主变与低压侧负荷输出，就显其作用的重要所在。进线柜的温升对其工作性能和可靠性影响较大，当其温升上升到一定极限时，就会加速绝缘老化、甚至绝缘破坏，直接影响进线柜系统使用寿命和相关设备的安全。

国内外已经有不少学者采用有限元计算法研究进线柜的温度问题[1]。迄今为止，涡流电磁场的分析与计算仍是人们关注和努力解决的问题，数值计算方法是解决它的一个有效工具[2]。本文采用有限元法分析涡流感应和温度场分布模型。进线柜中母线分别施加不同电流等级三相电流，计算其周围电磁场分布以及母线导体和柜壳体的表面温升。对进线柜的电磁场物理问题进行分析可知，进线柜中母线导体施加三相交变电流后，在母线内部及周围空间产生交变磁场，交变磁场会引起母线导体中产生感应电流（涡流），影响导体中的电流分布，即母线导体中电流集中在导体表面分布，母线导体表面损耗增大。所以对进线柜的磁场计算需要采用交流时谐磁场计算，计算考虑母线导体中的涡流分布。

图1 进线柜磁场计算模型Fig.1 Magnetic field calculation model of inlet cabinets

图2 磁场计算模型整体网格Fig.2 Magnetic field calculation model overall grid

图3 A/B/C表示三相母线导体布局Fig.3 A/B/C Indicates the layout of three-phase busbar conductors

在磁场计算完成后，将磁场计算的损耗结果通过插值的方式传递至热分析计算模型，进行稳态热计算，计算母线导体表面温升分布。进线柜的电场分布采用静电场进行分析计算，电场分析模型与磁场分析模型不同，电场分析中保留所有内部接地导体以及内部绝缘体。

1 有限元模型

进线柜有限元模型分为5层：母线导体层、壳内空气层、外壳层、壳外空气层及远场单元层（远场单元是应用无限元法来模拟无限远处边界条件的专用有限元单元）。工频磁场采用法求解，具体选用ANSYS/MULTIPHYSICS模块和PLANE53单元，在远场单元边界设置矢量磁位A_=0。要计算母排和外壳中的涡流，应分别对各个母排以及外壳进行电压耦合，指定各个母排及外壳的横截面分别为等位面[3]。

母线导体材料为铜，相对磁导率为1，电阻率为1.7E～8ΩM，空气相对磁导率为1。

1.1 磁场计算网格划分

磁场计算划分网格模型如图2所示。

磁场计算模型划分总单元数约为60.39万，节点总数约为134.24万。

由于母线导体需要计算其涡流分布，所以为了保证计算结果精度，对母线导体的网格划分做了简化处理，其网格如图3所示。

1.2 磁场计算结果

分别对三相母线导体施加电流4KA，其磁场及电流密度、损耗分布如图4、图5、图6所示。

1.3 进线柜热场计算

建立进线柜热场分析模型，并将磁场计算结果焦耳热生成率传递至热分析模型，对导体表面时间对流换热系数以及周围环境温度[4]，计算其表面温度分布。

图4 导体表面磁通量密度分布（实部）Fig.4 Distribution of magnetic flux density on conductor surface (solid part)

图5 母线导体内部电流密度分布（实部）Fig.5 Internal current density distribution of busbar conductors (real part)

图6 母线导体损耗密度分布（时间平均值）Fig.6 Loss density distribution of busbar conductors (time average)

1.4 进线柜电场计算

1）电场计算模型

对进线柜进行电场建模，电场分析模型如图7所示。

进线柜电场模型主要包含4部分：三相母线导体、柜体以及内部接地支撑导体、内部绝缘支撑以及内部空气介质。其中三相母线导体施加高电位，接地支撑导体施加零电位，所有导体均为理想导体，相对介电常数取为1，绝缘支撑相对介电常数取为7，空气相对介电常数为1。

对三相母线导体同时施加电压12KV，计算其周围空间电场分布。

2）电场分析划分网格

对电场模型进行网格划分，划分网格如图8所示。

电场分析模型划分网格总单元数约为122.166万，总节点数约为199.39万。

3）电场分析结果

图7 进线柜电场分析模型Fig.7 Electric field analysis model of inlet cabinets

图8 进线柜电场计算划分网格Fig.8 Inlet cabinet electric field calculation partition grid

图9 空间剖面的电位线分布Fig.9 Potential line distribution of spatial profiles

图10 内部绝缘体的电位分布Fig.10 Potential distribution of internal insulators

图11 导体表面电场分布Fig.11 Electric field distribution of conductor surface

计算得出，导体表面电场最大约为8.6KV/CM，出现于与绝缘支撑相连接的支撑导体处，大部分电场强度值在1.07KV/CM～4.79KV/CM中。

计算得出绝缘支撑体表面电场最大约为6.83KV/CM，出现在导体与柜体伸出段位置，该位置由于受外部导体边界条件影响，结果可不作考虑。绝缘体表面电场强度主要介于0.33KV/CM～2.28KV/CM之间。

1.5 进线柜热场计算

进线柜单相铜排输入电流幅值4000A，考虑此时铜排表面、铜排支撑件及进线柜箱壁表面温度场分布云图，以考察进线柜热点分布。

经过精确仿真模拟计算，此进线柜结构模型电场强度分布及热场分布与实际运行进线柜电磁及热场分布工况一致，可作为实际生产前理论分析优化设计数据加以利用[5]。

2 结论

根据对空气绝缘型进线柜电磁场——涡流热场及温度场的耦合分析，本文得出如下结论：

1）本文建立的电磁场耦合涡流热场分析步骤及方法对多种电气设备的热性能分析具有参考意义。

图12 绝缘体表面电场分布Fig.12 Electric field distribution of insulator surface

图13 铜排表面热像分布云图，其表面最高温度74℃Fig.13 Image distribution of copper row surface thermal Image cloud map, its surface maximum temperature of 74℃

图14 绝缘支撑件热像分布云图，其最高温度37℃Fig.14 Thermal image distribution cloud map of insulated support parts with a maximum temperature of 37℃

图15 进线柜箱壁表面热像分布云图，其最高温度41℃Fig.15 Wall surface thermal image distribution cloud map,its maximum temperature of 41℃

2）理论模型建立，验证过程确认，对验证结论有效性评估可以结合实际试验状态进行，为此确定的整套模型验证体系，可作为今后进线柜或配电结构电磁耐热及绝缘有效性的参考依据，对生产有效性起到很大的省材效果。