開關(guān)柜母線的設(shè)計(jì)與仿真分析

易洋

摘要：在現(xiàn)有的開關(guān)柜實(shí)心型母線的基礎(chǔ)上，利用穿孔技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種新型的孔洞型母線。孔洞型母線能夠有效減弱集膚效應(yīng)，并且達(dá)到了節(jié)省銅用量的目的。在有限元分析軟件COMSOL中對母線進(jìn)行建模，利用電流與溫度場耦合的方法，分析比較了實(shí)心型母線和孔洞型母線的溫升，得出了孔洞型母線能夠有效減小溫升的結(jié)論。理論分析與仿真分析均表明，文章所設(shè)計(jì)的孔洞型母線性能優(yōu)良，可以在實(shí)際工程中推廣應(yīng)用。

Abstract： On the basis of the existing solid bus-bar in switchgear， a hole-type bus-bar is designed by perforating technique. The hole-type bus-bar is able to reduce skin effect as well as saving copper consumption. The bus-bar model is made in COMSOL， the temperature rise of solid bus-bar and hole-style bus-bar is analyzed and compared by current and temperature field coupling method. The conclusion that hole-type bus-bar can reduce temperature rise is made. Through theoretical analysis and simulation analysis， the designed hole-type bus-bar has good performance to be applied in practical engineering.

關(guān)鍵詞：母線；有限元；溫度場

Key words： bus-bar finite；element；temperature field

中圖分類號：TM591 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）21-0170-03

0 引言

開關(guān)柜是電力系統(tǒng)中的重要設(shè)備，在電網(wǎng)中的應(yīng)用非常普遍。目前，開關(guān)柜中的母線普遍采用實(shí)心型的銅體[1]。一方面，由于導(dǎo)體處于交變的磁場中，會產(chǎn)生集膚效應(yīng)和鄰近效益，電流趨向于分布在母線表面，母線的交流電阻增大，發(fā)熱增加；另一方面，由于母線為實(shí)心型，與空氣的表面接觸面積較小，不利于散熱，導(dǎo)致溫升過高，容易引發(fā)事故。由于母線過熱造成的設(shè)備損壞等運(yùn)行事件成為了開關(guān)柜安全運(yùn)行的隱患[2，3]。針對以上問題，本文設(shè)計(jì)一種在不改變母線槽以及母線外表面的條件下的新型母線，方便實(shí)際工程的應(yīng)用。該新型母線為孔洞型母線，即在母線截面上進(jìn)行穿孔處理，實(shí)心型母線與孔洞型母線的對比如圖1所示。本文以10mm*120mm*1000mm的母線為例，利用有限元分析軟件對其進(jìn)行建模，通過仿真分析，驗(yàn)證在相同載流量的情況下，孔洞型母線的溫升小于實(shí)心型母線，從而得出所設(shè)計(jì)的新型母線不僅節(jié)省了原材料，并且更加有利于運(yùn)行的結(jié)論。

1 理論分析

2 母線模型的建立

由于存在各種非線性計(jì)算以及物理場之間的耦合，利用解析算法計(jì)算母線的溫度分布將會非常復(fù)雜。而采用有限元法，通過網(wǎng)格的剖析，利用數(shù)值分析的方法，能夠?qū)栴}進(jìn)行簡化，提高了計(jì)算的速度，所得的結(jié)果也較為精確。近年來，有限元分析法廣泛利用與電磁場、溫度場、聲場等各種物理場耦合問題的分析中，并取得了很好的效果。因此，本文在有限元分析軟件COMSOL中對母線進(jìn)行建模仿真，最終計(jì)算出母線的溫度分布。

開關(guān)柜中母線處于熱穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，其熱源為電流流過母線產(chǎn)生的焦耳熱。在COMSOL中，利用焦耳熱模塊對母線進(jìn)行建模，即將電流與固體傳熱耦合，電流產(chǎn)熱作為母線的載荷，通過固體傳熱中的對流傳熱與輻射傳熱，計(jì)算分析母線的溫度穩(wěn)定值[5，6]，具體的設(shè)置如下：

①在母線的兩端加上電勢，使母線的載流量符合仿真值，作為溫度場仿真的載荷。②在多物理場的耦合中，分別設(shè)置電磁熱源、邊界電磁熱源以及溫度耦合，使電流產(chǎn)生的焦耳熱與固體傳熱實(shí)現(xiàn)耦合。③在固體傳熱模塊中，外部環(huán)境溫度為20攝氏度母線的所有與空氣接觸的面設(shè)置為熱通量，外部為自然對流。傳熱系數(shù)綜合考慮對流散熱以及輻射散熱，并考慮溫度變化對傳熱系數(shù)產(chǎn)生的影響。

在COMSOL中建立母線的三維模型，網(wǎng)格的劃分是一個(gè)重要的環(huán)節(jié)，將會影響計(jì)算結(jié)果的精準(zhǔn)度。但是，網(wǎng)格的劃分并非越細(xì)越好，不必要的網(wǎng)格精細(xì)化會造成運(yùn)算速度的緩慢和暫用大量內(nèi)存。通過多次試驗(yàn)，本文的網(wǎng)格劃分采用物理場控制，進(jìn)行細(xì)化的劃分，得到的開關(guān)柜母線的網(wǎng)格劃分模型如圖2所示。

3 仿真計(jì)算與分析

通過查詢電氣手冊，得知設(shè)計(jì)的母線的額定載流量為2400A，因此，分別對額定載流量的80%、100%和120%進(jìn)行仿真，在實(shí)心型母線和孔洞型母線加載相同電流密度，對比分析兩者的溫度場分布情況。所得的仿真結(jié)果如圖3-圖5所示。

由仿真結(jié)果，可得母線溫度的最值，如表1所示。

由仿真圖的溫度場分布可知，母線中間的溫度較高，兩端溫度較低，這是由于母線兩端與空氣接觸面較大，有利于散熱。此外，隨著載流量的增大，母線的溫度增加，這是由于電流增大時(shí)，母線的損耗增大，此時(shí)產(chǎn)生的熱量較大，則熱平衡時(shí)母線的溫度較高，符合理論分析結(jié)果。

對比實(shí)心型母線和孔洞型母線的溫度最高值，在不同載流量的情況下，實(shí)心型母線的溫度均高于孔洞型母線，其溫度增加百分比分別為14%，16.25%以及17.82%。可知，隨著載流量的增加，實(shí)心型母線的溫度增加幅度更大，即孔洞型母線更利于散熱。有理論分析可知，孔洞型母線通過內(nèi)部的孔洞增加了與空氣的接觸面，更加有利于對流散熱和輻射散熱，因此，在同樣載流量的情況下，孔洞型母線的溫度較實(shí)心型母線低。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種新型開關(guān)柜母線，在現(xiàn)有的實(shí)心型母線的基礎(chǔ)上，進(jìn)行穿孔處理，不改變母線原有的安裝固定方式，便于母線的更替。新型的孔洞型母線不僅能夠減弱集膚效應(yīng)，并且通過有限元仿真分析，在相同的載流量下，孔洞型母線的溫升較實(shí)心型母線有所降低。由此可知，本文設(shè)計(jì)的新型開關(guān)柜母線能夠減少銅的用量，運(yùn)行溫度較低，適用于工程的推廣。

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