恒定電流場仿真及實驗裝置研發

2019-04-02 09:31:34陳淑平邢鵬飛

實驗室研究與探索 2019年2期

關鍵詞：實驗

陳淑平，藺紅，邢鵬飛，婁毅，王恒

(新疆大學電氣工程學院，烏魯木齊市，830047)

0 引言

工程中許多問題都需要導電條的電位分布，如發電廠或變電所中，常采用匯流條來引導多路電流，當匯流條是一根橫截面為矩形的長導線時，匯流條內電場均勻分布；當匯流條中存在轉角及橫截面面積發生改變時，將影響匯流條內的電場分布，其轉角處的電場突變，發生電暈，電流線密集導致發熱情況嚴重，損耗增大，從而對電網可靠運行產生較大影響，因此需要研究匯流條轉角處恒定電場及電位分布。《電磁場》課程是電氣工程學科的專業基礎課，等電位線和電力線的測量計算是恒定電流場的核心教學內容；恒定電流場的測試需安排教學實驗，設計開發匯流條作為測量電流場的實驗裝置，對于電磁場課程教學及學生學習理解相關知識具有重要的意義[1-16]。

文獻[1]中在理論上論證了恒定電流場與靜電場的相似性，應用ANSYSY軟件進行仿真計算，獲得可視化電場分布，計算復雜電場中的電勢。文獻[2]中以三相電力匯流排為研究對象，討論求解其邊值問題，提高學生對靜電場邊值問題的數學抽象能力。文獻[3]中采用ANSYS軟件自帶的ANSYS參數化設計語言(ANSYS Pourametric Design Language, APDL)編程語言進行軟件開發，對同步發電機空載電磁場進行仿真分析，獲得同步發電機的旋轉電磁場波形。文獻[4]中詳細地描述了以匯流條為物理模型的教學實驗，指出鐵板媒質“L”型匯流條轉角模型的缺點，由于鐵的電阻率很低，匯流條中需要通入15～20 A的大電流，需要特殊的大電流穩壓電源，研發了以水為媒質的實驗裝置。水媒質開發的實驗裝置測試電位時，由于水的波動性導致測試時要等水靜止后才能讀數，完成一次實驗測試所需的時間較長。

本文采用電導率較大的鋁作為媒質設計研發恒定電流場實驗裝置，研究電場分布不均勻的帶轉角匯流條電場及電位分布。應用ANSYS軟件進行仿真模擬，通過定義單元類型和材料屬性、建立模型、網格剖分、施加邊界條件、求解來繪制等位線和電力線，得到直觀的電場分布，獲得復雜電場的空間電位。以鋁作為媒質設計開發恒定電流場實驗裝置，與以鐵為媒質的恒定電流場實驗裝置相比，鋁質地軟、質量輕、易于加工，具有靈活、輕便的特點，利用新裝置進行實驗測試，將仿真結果與實驗結果進行對比，結果表明新實驗裝置在現有條件下是可實現的，為學生進行恒定電流場實驗提供了平臺[5]。

1 邊值問題分析

圖1為轉角匯流條的示意圖，設匯流條內媒質材料各向同性且無空間電荷，通入的恒定電流，方向如圖1所示，采用有限元方法計算電流場及電位分布，電位函數在任意時刻滿足的恒定電流場邊值問題為[6-8]：

(1)

忽略邊界拐角處電荷的影響，有第1類邊界條件：

φ|S1=φA，φ|S4=φB

(2)

第2類邊界條件：在平面S2、S3、S5、S6中，有

(3)

式中：γ為導電媒質的電導率，n為平面的法線分量。求解區域為整個剖分區域。

圖1 轉角匯流條

2 應用ANSYS軟件進行轉角匯流條恒定電流場仿真的步驟

軟件仿真流程如圖2所示，主要包括3個部分：前處理模塊，分析計算模塊和后處理模塊[1,3,13-16]。

圖2 軟件仿真流程

2.1 前處理模塊

2.1.1創建物理環境

(1) 過濾圖形界面。從主菜單中選擇Preferences，在彈出的“Preferences for GUI Filtering”對話框中選擇“Electric”，以過濾掉在恒定電流場分析時不必要的菜單和圖形界面。

(2) 定義單元類型。ANSYS軟件含有100多種單元類型，用來模擬工程中的各種材料和結構，在“Library of Element Types”單元類型庫對話框中選擇可以創建三維立體模型的SOLID69作為仿真單元類型。

(3) 定義材料屬性。采用鋁為實驗材料，在“Permittivity for Material”界面輸入電阻率為：ρ=28.3 nΩ·m。

2.1.2實體建模

從主菜單中選擇Create>> Volumes>> Prism>> By Vertices，彈出“Prism by Vertices”界面，建立“L”形金屬板轉角匯流條的仿真模型如圖3所示，其中y1=35 cm，y2=12 cm，x1=32 cm，x2=48 cm，z=3 mm。

施加的恒定電流I由S1流入，S2流出。

2.1.3劃分網格

首先進行網格密度的設置，在主菜單中的Preprocessor>>Meshing模塊中通過Size Cntrls欄進行人工設置Manual Size，劃定的單元數越小，網格剖分越精確，由于軟件中所建議密度在0.5～2.0之間，因此將網格密度設置為最小值0.5。網格密度設置完成后，再通過網格工具MeshTool對模型進行網格剖分如圖4所示。

圖3 匯流條轉角處恒定電場模型

圖4 網格剖分圖

2.2 分析計算模塊

(1) 施加電壓條件。求解時，ANSYS程序會自動將加到實體模型上的邊界條件傳遞到有限元模型上。從主菜單中選擇Preprocessor>>Loads>>Electric>>Boundary>>Voltage>>On Nodes，在節點施加電壓對話框“Apply VOLT on nodes”，以S4面為電位參照面，在對話框中設置S4面的電位為0。

(2) 施加電流條件。研究轉角匯流條的恒定電場，要通入恒定電流，從主菜單中選擇Preprocessor>>Loads>>Electric>>Boundary>>Exciation>>Current>>On Nodes，在“Apply AMPS on nodes”對話框中設置施加點電流和面電流。設置點電流：在S1面中心點處拾取一個節點施加10 A電流；設置10 A面電流：在S1面上拾取多個密集均勻分布的節點通入10 A電流來模擬面電流。

施加點電流邊界條件后的如圖5所示。

(3) 求解。在主菜單中選擇Solution>>Solve>>Current LS，對施加邊界條件和網格劃分后的模型進行有限元分析求解。

2.3 后處理模塊

(1) 繪制等位線圖。在主菜單的通用后處理器General Postproc中視圖結果查看器Plot Results中查看電位線分布圖(Electric potential)。電位分布如圖6所示。

圖5 施加載荷

(a) 點電流

(b) 面電流

(2) 繪出電力線圖。在視圖結果查看器中選擇矢量圖Vector Plot查看，繪制出電場分布圖(Electric field)。電場分布如圖7所示。

(a) 點電流

(b) 面電流

由圖6可見，在S1平面附近加載點電流產生的電位分布與加載面電流產生的電位分布有明顯的差異，S4平面附近點電流產生的電位分布與面電流產生的電位分布相似。

由圖7可見，電場在內轉角處電場最強，而距轉角一定距離電場分布較均勻。在S1平面附近加載點電流產生的電場分布與加載面電流產生的電場分布有明顯的差異，轉角處加載面電流產生的電場明顯強于加載點電流產生的電場。

3 實驗驗證

為驗證ANSYS仿真結果，在實驗室使用具有轉角的鋁質匯流條進行同等條件下的實驗：通入大小為10 A的恒定電流，測量各點電位，繪制等位線，利用“電力線與等位線互相垂直”的定理，由等位線分布圖畫出電力線[2,9-12]。為研究轉角處電流場的變化，在轉角處選擇2條路徑測量具體電位值。下面顯示了“L”形電流場2條路徑上的電位測量值和利用ANSYS計算值的比較結果，測試路徑如圖8所示。