接地開關(guān)用導(dǎo)流排電磁結(jié)構(gòu)分析

楊姣龍　龔咪咪　趙艷濤　閆飛越　高振奎

（河南平芝高壓開關(guān)有限公司，河南　平頂山　467013）

接地開關(guān)用導(dǎo)流排電磁結(jié)構(gòu)分析

楊姣龍龔咪咪趙艷濤閆飛越高振奎

（河南平芝高壓開關(guān)有限公司，河南平頂山467013）

在GIS開關(guān)設(shè)備中，接地開關(guān)起著安全保障的作用。性能測(cè)試中，其需要滿足動(dòng)穩(wěn)定性試驗(yàn)的要求。在動(dòng)穩(wěn)定性試驗(yàn)中，導(dǎo)流排受到很大的沖擊電動(dòng)力，為了保障接地開關(guān)工作的安全性與穩(wěn)定性，建立三維有限元模型，對(duì)GIS接地開關(guān)中的導(dǎo)流排進(jìn)行電磁-結(jié)構(gòu)耦合仿真，得出不同結(jié)構(gòu)下導(dǎo)流排應(yīng)對(duì)短路沖擊電流的能力，對(duì)比分析結(jié)果，得出合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，為高壓GIS接地開關(guān)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

有限元分析；接地開關(guān)；電動(dòng)力；機(jī)械強(qiáng)度

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

導(dǎo)流排廣泛應(yīng)用在氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備（GIS設(shè)備）中，其主要作用是保持設(shè)備接地，提供安全保障。當(dāng)GIS設(shè)備發(fā)生短路故障時(shí)，導(dǎo)體和殼體所受電動(dòng)力會(huì)急劇增大，如設(shè)備機(jī)械強(qiáng)度不足，則引起導(dǎo)流排結(jié)構(gòu)變形、接觸電阻增大等，無法保障安全接地，嚴(yán)重危害設(shè)備和電力系統(tǒng)的安全。因此，接地開關(guān)在正式投入使用之前必須經(jīng)受短路電流耐受試驗(yàn)［1，2］。所以，計(jì)算分析接地開關(guān)導(dǎo)流排在短路條件下的電動(dòng)力及機(jī)械特性，對(duì)于保證可靠的接地性能，提高電力設(shè)備的運(yùn)行安全性和穩(wěn)定性具有現(xiàn)實(shí)意義。

分析計(jì)算中，電動(dòng)力與電氣回路中的電流密度和磁感應(yīng)強(qiáng)度有關(guān)。因此，求解出各部分的電流密度和由電流密度產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度是準(zhǔn)確求解電動(dòng)力的關(guān)鍵。由于空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣，傳統(tǒng)的電動(dòng)力計(jì)算公式計(jì)算困難。伴隨有限元計(jì)算軟件的快速發(fā)展，通過電流傳導(dǎo)分析、磁場(chǎng)強(qiáng)度分析和結(jié)構(gòu)場(chǎng)分析，可以精確地計(jì)算出電氣系統(tǒng)的電動(dòng)力分布及機(jī)械強(qiáng)度。本文以小型化550kV GIS用接地開關(guān)的接地導(dǎo)流排為研究對(duì)象，基于ANSYS 16.1的電磁場(chǎng)與結(jié)構(gòu)場(chǎng)進(jìn)行耦合分析，得出不同結(jié)構(gòu)在短路沖擊電流下的分析結(jié)果，分析機(jī)械性能，給出合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，為高壓GIS接地開關(guān)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1　計(jì)算方法與物理模型

1.1計(jì)算方法與流程

通常在電磁-結(jié)構(gòu)耦合分析時(shí)，先計(jì)算得到電流在模型中的密度分布，根據(jù)電流密度大小經(jīng)過磁場(chǎng)分析計(jì)算出空間磁通密度分布，再計(jì)算通流載體在該電磁場(chǎng)下所受的電動(dòng)力，最后將電動(dòng)力作為初始條件導(dǎo)入結(jié)構(gòu)場(chǎng)中，計(jì)算出對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。在這個(gè)仿真過程中，按照物理順序進(jìn)行多步仿真，每一步仿真的結(jié)果都作為下一步仿真的加載條件，整個(gè)物理過程是多個(gè)物理場(chǎng)之間相互作用，且是多步的。

本次解析計(jì)算，構(gòu)場(chǎng)分析采用ANSYS Mechanical模塊進(jìn)行，磁場(chǎng)選擇使用Maxwell 3D有限元仿真軟件來進(jìn)行。分析流程如圖1所示。

圖1　計(jì)算流程

1.2物理模型與材料屬性

根據(jù)有限元仿真分析步驟，首先建立三維仿真模型，為了節(jié)約系統(tǒng)資源、加快計(jì)算速度，需要簡(jiǎn)化接地回路有限元模型。由于本次主要的研究對(duì)象是導(dǎo)流排本身的受力情況，因此與力分析無關(guān)或者對(duì)電動(dòng)力影響較小的部件可以省略或者簡(jiǎn)化。本次結(jié)構(gòu)中傳動(dòng)機(jī)構(gòu)部分電阻值大，回路電流主要通過導(dǎo)流排與殼體，故可不對(duì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)部分建模，結(jié)合實(shí)際工況，導(dǎo)流排厚度10mm，寬度80mm，采用3種結(jié)構(gòu)型式，建立有限元模型如圖2所示。

圖2　有限元模型

導(dǎo)流排材料為鋁材1050A-H24，選擇ANSYS材料庫(kù)中的“aluminum”，其相對(duì)磁導(dǎo)率為1，電導(dǎo)率3.8×107S/m，楊氏模量7.1×104MPa，泊松比0.33，兩端通過螺栓固定于接地開關(guān)上。按照國(guó)標(biāo)要求，其在峰值耐受電流試驗(yàn)中通過的電流峰值為171kA/0.3s，對(duì)模型加載激勵(lì)電流到導(dǎo)體端面和殼體端面，完成回流，其電流方向示意圖見圖3。同時(shí)周圍建立真空求解域，滿足對(duì)電磁場(chǎng)求解要求。

鋁材1050A-H24的抗拉強(qiáng)度Rm大于105MPa，允許應(yīng)力 Rp0.2為75MPa。為了確保接地回路能夠安全工作，導(dǎo)流排短路時(shí)的最大電流所產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力不應(yīng)該超過材料本身的最大允許應(yīng)力，即R≤Rp0.2。

圖3　電流方向示意圖

2　數(shù)學(xué)模型

2.1電磁控制方程

動(dòng)穩(wěn)定性是考核設(shè)備在峰值電流電動(dòng)力作用下影響。為便于分析使用準(zhǔn)靜態(tài)假設(shè)的電磁場(chǎng)問題，可以忽略位移電流，并引入磁矢量位A作為輔助變量，麥克斯韋方程組可表述為：

將磁矢量位A的表達(dá)式代入安培環(huán)路方程，可以得出電磁場(chǎng)的控制方程：

同時(shí)采用庫(kù)倫規(guī)范條件：?·A=0，控制方程可以表述為泊松方程形式：

式（3）中，μ為材料磁導(dǎo)率；H為磁場(chǎng)強(qiáng)度；B為磁感應(yīng)強(qiáng)度；E為電場(chǎng)強(qiáng)度；J為流經(jīng)導(dǎo)體的激勵(lì)電流密度。

2.2電動(dòng)力控制方程

按電磁場(chǎng)理論，任何磁場(chǎng)力都可以歸結(jié)為磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的作用力，稱為洛倫磁力。導(dǎo)體中的電流由電荷的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生，假設(shè)導(dǎo)體中傳導(dǎo)電流的密度為J，則磁場(chǎng)對(duì)載流導(dǎo)體單位體積的作用力為：

在實(shí)際計(jì)算磁場(chǎng)對(duì)載流導(dǎo)體的作用力時(shí)，首先用數(shù)值計(jì)算法求解磁感應(yīng)強(qiáng)度B，求得單位體積上作用力，則作用于載流導(dǎo)體上總的力為：

式（5）中，V為載流導(dǎo)體的體積，J和B分別為導(dǎo)體中傳導(dǎo)電流密度矢量和磁感應(yīng)矢量。

3　計(jì)算結(jié)果及影響因素分析

3.1電磁場(chǎng)計(jì)算結(jié)果分析

通過電磁場(chǎng)分析，導(dǎo)流排在峰值短路電流下的磁通密度分布從計(jì)算的結(jié)果可以看出，導(dǎo)流排結(jié)構(gòu)型式不同，使其電流密度和周圍磁通密度分布也不相同，從而影響到導(dǎo)流排上的電動(dòng)力密度分布不同。

3.2結(jié)構(gòu)場(chǎng)計(jì)算結(jié)果

在磁場(chǎng)中通電導(dǎo)體承受電動(dòng)力，該作用力分布在導(dǎo)流排每個(gè)單元上，并以體積力體-磁網(wǎng)格映射到與之不同的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格上，使結(jié)構(gòu)分析中包含電動(dòng)力密度，映射后的力密度云圖見圖4。可以看到，3種方案中，整體電動(dòng)力密度分別為0.3、0.6和0.3，其中方案二受到電動(dòng)力局部較大，這也符合其導(dǎo)流排距通電導(dǎo)體距離越近，其所受電動(dòng)力也就越大，且兩者之間電動(dòng)力體現(xiàn)為斥力的現(xiàn)象。

將單元上的電動(dòng)力轉(zhuǎn)換為作用力，約束導(dǎo)流排兩固定面，得出應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，對(duì)比結(jié)果見圖5。可以看出方案一和方案三局部應(yīng)力值已經(jīng)遠(yuǎn)大于許用應(yīng)力Rp0.2（75MPa），這樣將無法保證導(dǎo)流排的機(jī)械強(qiáng)度，導(dǎo)致變形。方案二其最大值76.4MPa，在螺栓緊固面處，其余部位均遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力Rp0.2，不會(huì)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)變形，滿足使用要求。

圖4　導(dǎo)流排力密度分布

3.3影響因素分析

接地導(dǎo)流排的布置型式一方面影響磁通密度的分布，進(jìn)而影響通電導(dǎo)體所受電動(dòng)力的大小；另一方面，不同的布置型式下，導(dǎo)流排長(zhǎng)度和固定方式的不同會(huì)導(dǎo)致受力情況不同。因此，為使導(dǎo)流排在電動(dòng)力下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性最好，需要通過合理的結(jié)構(gòu)布置以滿足使用要求。

方案一和方案三雖然導(dǎo)流排距離通電導(dǎo)體距離較遠(yuǎn)，有效地降低了局部電動(dòng)力，但由于結(jié)構(gòu)長(zhǎng)，整體承受電動(dòng)力依然很大，且機(jī)械性能較方案二差。方案二中，導(dǎo)流排距離通電導(dǎo)體距離較原結(jié)構(gòu)更近，雖然使得局部電動(dòng)力變大，但由于導(dǎo)流排長(zhǎng)度變短和固定方式的改變，使其在結(jié)構(gòu)上機(jī)械性能更好。

圖5　結(jié)果對(duì)比

4　結(jié)語

通過建立接地開關(guān)的電磁-結(jié)構(gòu)耦合有限元模型，通過電磁分析得到導(dǎo)流排的電流密度、磁通密度及電動(dòng)力密度分布后，將電動(dòng)力作為初始條件導(dǎo)入結(jié)構(gòu)場(chǎng)分析中，最終對(duì)導(dǎo)流排進(jìn)行了仿真分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過對(duì)不同結(jié)構(gòu)型式進(jìn)行分析，分析影響因素，給出合理結(jié)構(gòu)，大大縮短了研發(fā)周期，提高了設(shè)計(jì)效率，降低了研發(fā)成本，保證了產(chǎn)品質(zhì)量，有必要進(jìn)行進(jìn)一步的推廣。

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

作者介紹：楊姣龍（1983-），男，本科，助理工程師，研究方向：高壓斷路器設(shè)計(jì)。

［1］黎斌.SF6高壓電器設(shè)計(jì)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

［2］林莘.現(xiàn)代高壓電器技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.