GIS长母线基于温度场的应力仿真浅析

1、GIS长母线基于温度场的应力仿真浅析刘春梅李阳张亚东殷东洋【摘要】由于导体温升和环境温度变化等因素，GIS长母线壳体产生热伸缩。在高海拔大温差地区，GIS长母线本身结构难以补偿由于温度变化引起的筒体变形，从而在筒体某些部位产生裂纹或开裂。针对以上问题，本文通过温度场仿真计算，得出由于温度场变化产生的应力变化，为GIS母线波纹管的配置和结构设计提供仿真分析支撑。【关键词】GIS长母线;波纹管;温度;应力;仿真分析中图分类号：TM934.1文献标识码：A文章编号：2095-2457202118-0054-002DOI：10.19694/j ki.issn2095-2457.2021.18.0270

2、引言GIS长母线在运行中受到环境温度的变化，母线筒体及筒体的固定支撑处要承受温度变化产生热应变和应力，由于固定支撑开裂可能会导致GIS气体泄漏等危险，为变电站带来了平安隐患1-3。由于材料的热胀冷缩效应，当环境温度降至最低时，GIS长母线尺寸会缩小到最小，当环境温度升高最高温度时，GIS长母线尺寸会膨胀到最大。以青海地区为例，变电站最高年温度为38;最低年温度为-32。本文通过对110kVGIS长母线进行电磁场和流场计算，以获得额定容量下母线的温升。母线温升和最高环境温度叠加作为热变形计算的最高温度，由于GIS母线安装温度不定，本文取-32作为计算的最低温度。1电热偶合仿真发热主要涉及到主回路

3、电阻损耗、筒体涡流损耗、集肤效应和导体的电阻温度系数等4-5。由于几何形状复杂，解析公式难以直接计算导体发热功率，本文采用ANSOFTMAXWELL軟件的传导场模块计算导体的发热，集肤效应、涡流损耗等因素通过等效电阻率的方法予以考虑。导体内部通50Hz交流电时，编号为k的导体单元内部任一点P处的传导电流密度如式1所示。式1中，Jm为P点的电流密度峰值;t为时间。假设导体材料各向同性，那么传导电流引起的发热损耗密度如式2所示。式2中，？滓为导体电阻率。单元k的发热功率如式3所示。通流导体总发热功率如式4所示。式中，n为导体单元数量。在交流电作用下，编号为k'的绝缘件单元介质损耗功率如式5

4、所示。绝缘件总的介质损耗功率为：式6中，n'为绝缘件单元数量。2 仿真分析计算选取GIS长母线最长跨度的母线进行分析，对母线筒进行温升计算。由于沿母线长度方向的电磁边界条件相同，这里选取其中1米长的一段母线进行校核。电磁场计算的三维模型如图1所示。由电磁场计算方程，考虑筒体的涡流损耗，得出：式中，A为矢量磁位，？滋为非导磁材料的磁导率，？滓为筒体的电导率，？赘0为求解区域，？赘1为无穷远边界，A0=0。9-10施加50Hz交流电，在考虑导体集肤效应、筒体涡流效应的根底上，计算母线筒整体发热损耗。0相位情况下110kVGIS母线磁场分布如图2所示。0相位情况下110kVGIS电

5、流密度分布如图5所示。将损耗发热功率施加到fluent里面作为发热源，进行流场计算。由于速度边界层和温度边界层的存在，要求有高质量和足够数量的边界层网格来捕捉温度和速度的急剧变化。由于沿筒体长度方向边界条件相同，这里采用二维平面模型来进行模拟。提取筒体外表温度分布如图3所示。得筒体外表平均温度为293K，那么筒体温升为20K，即20。设定最高温度为30，那么母线筒体可能出现的最高温度为50。考虑到年最低气温，筒体热变形计算温度变化范围为-3250。考虑-3250的温度变化，同时施加两端两个盲端的压力。将母线筒的固定支撑处固定，那么温升引起的变形多不到释放，会在母线筒上引起热应变，进而产生热应力

6、。由图4分析得出，由于波纹管的作用，固定支撑处最大应力由865Mpa降低到662Mpa。但是，由于盲端压力引起的变形不能被中间的波纹管平衡掉，支撑处应力依然很大，超出强度极限，仍然存在开裂的危险。在平衡掉两端盲端压力的影响，仅考虑温度变化的作用，在波纹管的作用下，母线筒整体应力降到141.5MPa，已经降低到材料强度以下。3试验验证模拟相同尺寸的GIS长母线进行额定电流下的温升试验。温升试验时在筒体上进行埋点，按照温升试验规定进行试验，最终得到筒体的温度如表1所示。通过试验可以看出，GIS长母线的温升均值为20.25K，与仿真计算结果接近。4结语本文通过温度场仿真计算，得出由于温度场变化产生的应力变化，筒体温升为20K，并通过试验验证了仿真分析结果的准确性。通过本文的研究，为GIS长母线支撑和波纹管的配置和设计提供了重要参考依据。【参考文献】【1】贾耿锋，李军，蒋晓旭，等.GIS母线用热补偿型波纹管伸缩量设计分析J.电气工程学报，2021，126：36-40.【2】罗四娇.GIS母线设计及工程应用J.电气时代，202111：63-66.【3】林莘.现代高电压技术M.北京：机械工业出版社，2021.【4】宋帆，申春红，林莘，等.