基于ANSYS的管型母線損耗計算

吐松江·卡日 希望·阿不都瓦依提

(新疆大學電氣工程學院，新疆 烏魯木齊 830046)

基于ANSYS的管型母線損耗計算

吐松江·卡日 希望·阿不都瓦依提

(新疆大學電氣工程學院，新疆 烏魯木齊 830046)

基于ANSYS仿真分析管型母線的損耗分布，通過對管型母線厚度進行優化，計算獲得損耗最小的厚度。

ANSYS；管型母線；損耗

0 引言

母線用于連接各種電機和電器，以傳輸電流和功率并通過配電裝置分配電能。材料利用率高、機械強度大、集膚系數小及安全性能好等優點使得管型母線在大型發電廠和變電站中廣泛使用。管型母線溫升是其運行過程中需要考慮的重要方面[1-4]。除了外部日照因素外，集膚效應導致的焦耳熱是造成母線溫度升高的重要原因。本文基于ANSYS仿真分析母線損耗，通過厚度的優化，降低母線損耗。

1 管型母線電磁場數學模型

1.1 電磁場控制方程

假設母線無限長，則通過二維仿真代替三維；根據麥克斯韋方程組，引入矢量磁位，母線區域的電磁場控制方程為：

▽×(v▽×A)=J

(1)

式中，v為媒質的磁阻率；A為矢量磁位；J為源電流密度。

二維電磁場求解過程中矢量磁位和電流密度只有Z軸分量，即Ax=Ay=0，Jx=Jy=0，則式(1)改寫成：

(2)

而：

Jz=Jsz+Jcz

(3)

(4)

式中，Jsz為已知源電流密度；Jcz為導電區域中感應出的渦電流密度；σ為導電區域的電導率。

引入庫侖規范▽·A=0，并在離外殼較遠處設置遠端邊界條件Az=0，構成管型母線電磁場邊值問題[5]。

1.2 短路電流方程

管型母線承載的工作電流表達式如下：

(5)

式中，I為工作電流有效值；ψ為初相角。

本文取I=3 150 A，ψ=0°。

2 管型母線基本參數

通常情況下管型母線由中心導體和外殼構成，其結構如圖1所示，其中導體與外殼材料均為鋁。本文仿真模型結構及材料屬性如表1所示，所建立的仿真模型如圖2所示。

圖1 管型母線結構

表1 管型母線結構及物性參數

圖2 仿真模型

3 管型母線損耗計算

借助ANSYS/Emag模塊可計算模型損耗[6]。選擇鋁質管型母線截面，建立2D模型；使用Plane53單元，分別耦合中心導體、殼體VOLT自由度。選擇諧波分析法，施加載荷，流過中心導體電流I=3 150 A。設置空氣邊界Az=0，構成本次仿真的邊界條件。

通過ANSYS后處理過程，可以計算求得單位長度母線產生的損耗P=7.47 W/m，其磁場分布如圖3(a)所示，母線損耗如圖3(b)所示，可知母線損耗主要集中于導體表面，這是集膚效應所致。

圖3 管型母線仿真結果

當母線通以交流電時，其產生的損耗與母線截面有密切關系，通過調整母線截面使母線產生的損耗最小。母線厚度H與損耗P之間關系如圖4所示。

圖4 母線厚度與損耗間關系

由圖4可知，母線產生的損耗與母線厚度有密切的關系。對鋁材料而言，當厚度HAl=18 mm時，母線所產生的單位長度損耗達Pmin=6.73 W/m；而對銅材料而言，則是當HCu=14 mm時，母線所產生的單位長度損耗達Pmin=5.25 W/m。

4 結論

(1) 基于ANSYS的有限元分析可以有效求得母線損耗值并獲得母線損耗分布。

(2) 母線產生的損耗與厚度有密切關系。隨著壁厚的增加，母線損耗迅速減小；達到最佳壁厚時母線損耗最小；母線厚度進一步增加，母線產生的損耗變化不大；可認為當厚度大于最佳壁厚8～10 mm后，母線損耗達到穩定值。

(3) 銅母線在母線厚度H=14 mm時產生的損耗最小，而鋁母線則在H=18 mm時產生的損耗最小。

[1]孫晨宇.母線設備的電—磁—流—熱多物理場耦合分析[J].甘肅科技，2012(9)

[2]楊琪.GIL與GIS母線的結構特點與應用[J].高壓電器，2011(8)

[3]郭健.離相封閉母線場域分析及仿真軟件開發[D].沈陽工業大學，2005

[4]徐敏.基于有限元分析的GIS母線筒溫度場分布研究[J].華東電力，2013(9)

[5]顏威利.電氣工程電磁場數值分析[M].機械工業出版社，2006

[6]張濤.APDL參數化有限元分析技術及其應用實例[M].中國水利水電出版社，2013

國家自然科學基金，項目編號51367016

2014-06-05

吐松江·卡日(1984—)，男，新疆喀什人，碩士研究生，講師，研究方向：電力設備仿真優化與風電并網技術。