800kvgis隔离开关工频磁场分析

800kvgis隔离开关工频磁场分析

0热传导模型的建立隔离开关的降压和热敏阻力是当前电气系统必须解决的问题之一。在长期运行中，当隔离开关的自身温度达到一定的极限值时，它会加速隔离开关的老化，破坏隔离，直接影响相关设备的使用寿命和安全。在研究和预测隔离开关的发热方面具有重要意义。在电器领域当中,已经有国外学者采用有限元方法研究温度场问题。他们通常是利用热传导模型和大空间自然对流边界条件对温度场进行分析,但是,对于内部有较大气体空间的隔离开关,当主导体通电时,除了导体本身外,周围的气体温度也升高,气体密度发生变化,从而形成自然对对流,该对流对隔离开关的散热有很大作用,因此不能用完全的热传导模型来计算。本文以兰州东750kV变电站二期扩建工程中的电力设备—800kVGIS隔离开关为研究对象,基于ANSYS电磁场数值分析软件平台,采用有限元方法,运用电磁学理论,对其磁场-温度场进行计算和分析。首先建立三维磁场分析模型较准确的计算了工频电流下GIS载流及外壳涡流引起的能量损耗,给出隔离开关气室中的磁感应分布及涡流损耗值。然后将损耗值作为热源载荷施加到温度场中,从内部传导散热的角度出发,用热流耦合的方法计算隔离开关的温度场,得到了主导体和外壳的温度分布及各部分温升,将计算结果和试验数据进行对比,验证了方法的准确性,可为产品设计提供参考,为提高GIS隔离开关运行可靠性提供理论依据。兰州东750kV变电站二期扩建工程是国家电网公司750kV输变电示范工程,是我国第1个750kV电压等级的超高压输变电工程,也是国内电压等级最高、世界上相同电压等级海拔最高的输变电工程。该示范工程对于发挥西部地区能源资源优势,实施“西电东送”,实施西部大开发战略,促进西部经济社会发展具有重大意义。同时对于加快建设以特高压电网为核心的坚强国家电网,具有重要的示范作用。本文针对800kVGIS隔离开关所开展的磁场-温度场的计算不仅是本期工程开发的需要,同时也为今后特高压输电网的建设奠定了基础。1隔离开关的流量元件计算1.1隔离开关生态特性图1为800kVGIS隔离开关气室结构图。在隔离开关电磁场问题的分析中,直接求解场量E、H并不十分方便,因此需要引入辅助物理量—磁矢量位A的方法来计算电磁场、涡流场。磁矢量位A可据下式定义B=∇×A。(1)式中,B为磁感应强度矢量。则由磁矢量位A描述的该隔离开关涡流场的基本方程为1μ∇2A-σ∂A∂t=-Jx。(2)式中,μ为磁导率;σ为电导率;t为时间;Jx为源电流密度矢量。在三维涡流场中,对应于频率为ω的正弦激励源Jx,上述方程即可转化为向量形式表示即:1μ((∂2A∂x2)+(∂2A∂y2)+(∂2A∂z2))-jωσAz=-Jx。(3)式(3)为三维涡流场的控制方程。单位长度的隔离开关能量损耗(包括源电流损耗和涡流损耗)用如下公式计算q=∫J2σds。(4)式中,q为单位长度能量损耗;J为总电流密度(源电流密度与涡流密度之和)。式(4)计算的结果是下一步进行气流场分析的体积热源载荷,是下面进行热流耦合场分析的基础。1.2有限元模型建立对于隔离开关外壳损耗运用有限元方法进行求解。仿真建模需要4个步骤:1)建立有限元模型;2)划分网格;3)加载激励及边界条件;4)求解及后处理。1.2.1隔离开关内部的结构本文针对如图1所示的800kVGIS隔离开关结构建立有限元模型,在隔离开关导通,接地开关打开状态下,对隔离开关涡流及温升进行计算。磁场中根据材料属性的不同分为导磁材料和非导磁材料,绝大多数非导磁材料的磁导率几乎与气体相同,因此大多数磁场分析只需建立导磁体、内部气体和载流导体的模型,而且磁场计算对模型与实体的结构相似度并不高。基于这两点,在计算谐波磁场时把绝缘支撑与气体定义为一个整体,且简化了大量尖角,从而简化了模型,降低了计算量,隔离开关内部的隔离开关主导体的结构见图2(a)。加上外壳后得到求解的隔离开关外型结构有限元模型见图2(b),隔离开关内部为SF6气体。最后得到的有限元模型分为5层:主导体内气体层、主导体、外壳内气体层、外壳导体、壳外气体层。1.2.2复杂体的有限元模型本文运用了先剖分面,再由面单元扫略生成体单元的剖分方法。同时在对空气这个复杂的体进行剖分时,设置了面单元的单元边长度,并运用了内部网格控制,使得在体内部网格划分的较粗,在边界划分的较细,得到了质量较为良好有限元模型。网格模型如图3所示。1.2.3块和solid117单元本文的磁场分析是工频条件下的谐波分析,工频磁场采用A-φ法求解,选用ANSYS/MultiPhy-sics模块和Solid117单元,在壳外空气的最外层和导体的两个端面加载磁力线平行边界条件,矢量磁位Az=0。并设置磁力线满足垂直边界条件。由于载流导体集肤效应的存在,对其一端面的电压自由度进行耦合,另一端面加0电位。要计算外壳的涡流,应对外壳进行电压耦合,加总的节点电流,指定外壳的端面为等电位面,假定磁场中各媒质相对磁导率都是线性的。1.2.4隔离开关磁场强度的计算工频状态下,对隔离开关主导体激励电流,为了与试验测试值进行对比,理论计算和试验测试时主导体中所加电流一致,为6.9kA。图4(a)是隔离开关磁场分布的矢量图,可以看到,主导体磁场强度较高,壳外的电流是经由主导体涡流效应产生的感生电流,虽然也有一定磁场,但磁场强度较弱。磁场强度方向为沿导体外径的切线。图4(b)是隔离开关主导体及其外部气体磁场强度分布图,由分析结果可以看到磁感应强度的分布,由于圆管导体的集肤效应,主导体的电流和磁场集中于外表面,所以主导体外径的磁场强度大于管内的磁感应强度。磁场强度最大值为13336A/m,最小值32.65A/m。图5是隔离开关内部电流密度分布,电流在主导体中流过,由于电磁感应的作用,外壳上产生感应电流,方向为与主导体电流平行且方向相反。经计算得出外壳的电流密度平均值约为30kA/m2,由于外壳的横截面积已知,所以通过电流密度计算出外壳感应电流约为2343A。为了计算温升,还需计算能量损耗,经计算得出的载流及外壳涡流能量损耗值(见表1)。2实际参考价值算例关于高压电器热效应的计算已经在国内外有所探讨。本课题组也曾经对低压母线槽及大电流母线进行过温升的计算,且得出的计算结果与试验数据较一致,具有实际参考价值。在此基础上,本文将采用热场和流场耦合的方法,对结构更为复杂的800kVGIS隔离开关温度场进行仿真计算。温度场分析首先计算隔离开关工频稳态情况下的载流及外壳涡流损耗,再将损耗值作为温度场—流场分析的热源载荷进一步分析隔离开关的温升情况。经由上节的计算可以求得主导体及外壳损耗具体数值如表1。2.1隔离开关模型的建立将800kVGIS隔离开关主导体和外壳的损耗作为温度场分析的载荷加载到主导体与外壳上。导体内部的气体在隔离开关内热传递的过程中参与了传热与对流,在模型当中要予以考虑。同时由于绝缘器件对温度变化的影响不大,因此模型省略了隔离开关内部的绝缘部件,仅对主导体,外壳及气体进行了建模。研究过程中将内部结构复杂的隔离开关简化为一个由主导体和外壳组成的近似母线的二维模型(见图6)。温度场分析的边界条件处理和模型加载为流场-温度场边界条件为外壳内表面与导体外表面施加无滑移边界条件,外壳外表面施加对流换热系数,将磁场计算得出的涡流损耗作为体积热源,为了与试验测试温升值进行对比,设置环境温度与试验温度值相同,为27.3°C,求解流场和温度方程。2.2主导温度的计算从图7的温度场分析结果中可以看到,主导体及导体内部的气体温度较高,最高温度出现在主导体顶端,为53.35°C,温升为26.05K,而外壳的损耗较小,虽然由于主导体通过对流传给外壳一部分热量,但温度还是较低,最低温度出现在外壳,为40.6°C,温升约为13.3K。导体和外壳之间的气体受热后向上流动,使得导体的上边部分与气体的对流换热减弱,从而上部气体温度高于下面,因此也可分析主导体的最高温度应出现在主导体的顶端。计算所得各部分具体温升值见表2。2.3800kVGIS隔离开关温升试验为了验证计算的可靠性,需要对隔离开关的温升进行测量。800kVGIS隔离开关温升试验由国家高压电器质量监督检验中心西安高压电器研究所高压电器实验室完成,试验电流为6900A,电流频率为50Hz,周围风速≤0.5m/s,试品SF6气体压力为0.30MPa,环境温度为27.3°C,温升主要测量点如图8所示。试验达到稳定温升后各测试点的温升值见表2。为了适应隔离开关工作环境的变化,将环境温度为27.3°C和40°C时有限元计算所得各测试点温升值与试验测试值进行对比,理论计算的结果与试验结果基本一致,验证了计算的准确性。3定径时隔离开关主导体内部温升计算本文以我国第1个750kV电压等级的超高压输变电工程中的主要电力设备800kVGIS隔离开关为研究对象,求解了三维工频磁场,得出了产生的涡流损耗值;利用间接耦合方法求解了隔离开关内部的温度场,得出了如下结论:a)隔离开关主导体加载6900A的激励电流,外壳由于电磁感应作用产生涡流,计算得出感应电流值约为2343A。b)隔离开关载流主导体的损耗来源于激励电流