三相GIS母線最佳化設計論文
1電磁場模擬分析
1.1引數設定
本文分析母線導體通入50Hz交流電所產生的磁場情況．在分析的物理幾何模型中有空氣區、導磁區、導電區、永磁區等一種或多種材料，每一種材料區都必須輸入相對應的材料特性．本文主要考慮磁場強度、電流密度、能量損耗等，故只需給材料區域定義磁導率及電阻率．各材料區域對應的材料號、磁導率及電阻率．格智慧劃分工具中能夠自動生成網格，且網格單元尺寸越小，網格劃分越細緻，程式執行時間越長．這種方式適用於模型相對小，且各部分網格精確度要求一樣的模型中．本文主要觀察導電杆的電磁場分佈等引數，若採用智慧劃分會使不必細緻的部位過於細緻，使程式執行時間過長，甚至無法執行．因此，使用智慧剖分方式和尺寸控制方式劃分網格．首先透過智慧剖分將導電杆與其他部分剖分為兩部分，接著使用尺寸控制方式分別設定兩部分的尺寸，將導電杆的網格劃分單元設定為1mm，其他部分按照ANSYS預設的網格劃分尺寸進行劃分，從而將導電杆部分劃分密度相對細緻，其餘部分劃分密度相對粗糙
1.2結果與分析
母線外殼上有少許電流流過，而導電杆上的電流密度則呈現出不同的分佈趨勢，導電杆表面的電流分佈較導電杆內側的電流分佈略密集一些．單獨分析導電杆上的電流密度分佈情況，導電杆電流密度向量圖．圖中不同顏色表示不同電流密度大小，藍色最小，紅色最大．可以看出，550kV三相GIS母線導電杆上的電流密度在導電杆外側分佈較密集，約為1.67×106A/m2;在導電杆內側電流密度分佈較稀疏，最小值約為9.85×105A/m2，說明電流密度分佈呈現了集膚效應．假設電流在導電杆上是均勻分佈的，則平均電流密度JS=I/S，其中I=2828A，S=π(0．042－0．032)m2，理論計算結果為1．29×107A/m2．與模擬結果對比可以得出導電杆外側電流密度大於平均電流密度，而導電杆內側電流密度小於平均電流密度，同樣說明電流密度分佈呈現了集膚效應，這與理論相符合．
2溫度場分析
2.1結果與分析
研究實體模型的溫升狀況，只需要觀察溫度分佈效果，因此只需檢視模型的溫度分佈效果圖．首先將環境溫度設定為恆定溫度20℃，且設定空氣外表面作為絕熱邊界20℃，得到整體溫度分佈均勻分佈的熱量使整體溫度呈現對稱的分佈，且溫度集中分佈在導電杆周圍．主要原因是導電杆是電流分佈最集中的部位，因此產生的熱量較多，散熱也較慢，而殼體與周圍電流分佈較稀疏，所以溫度不是很高．整體最高溫度約為92℃，則溫升為72℃，符合行業內規定的溫升要求(＜115℃)．導電杆內側溫度比外側略微高1～2℃左右．主要原因是由於母線執行在三相對稱電流情況下時，電流密度呈現集膚效應，從而使溫度分佈也遵循一樣的分佈規律，即電流密度大的區域溫度較高，電流密度小的'區域溫度較低．為了進一步證明集膚效應對溫度分佈的影響，單獨分析550kV三相GIS母線殼體的溫度分佈，殼體溫度靠近導電杆部位溫度較高，且整體溫度呈現兩頭向中部逐漸變低的現象．造成該現象的主要原因是由於流過導電杆的電流的的集膚效應使靠近導電杆的殼體部位溫度受到較大影響，從而導致靠近導電杆部位溫度較高
2.2電磁場與溫度場分析對比
根據電磁場模擬結果可以看出，電流的集膚效應導致導體內部電流分佈不均勻，電流靠近導體表面流動且電流密度集中在導體的外表面上．此外，電流密度的分佈呈現左右對稱．由此設想550kV三相GIS母線整體的溫度分佈應該是左右對稱結構．但是垂直結構上由於受到重力加速度及氣體熱運動的影響，會使熱空氣上升而冷空氣下降，導致下部散熱快上部散熱慢，從而使母線結構上部溫度比下部溫度高．當然導電杆仍然會由於集膚效應的影響，而使外側溫度略高於內側溫度，但是B相導電杆的溫度會比A、C相略高，從而使殼體最高溫度對應於B相位置．為了驗證模擬結果與分析，對550kV三相GIS母線進行了溫升試驗．在環境溫度下，用調壓變壓器和大電流變壓器組成試驗迴路，給三相GIS母線供給所需的工作電流，並使用銅—康銅熱電偶溫度測試法測量母線模組的溫度．在分別通入2000A，2200A的電流時，測量母線模組不同位置的溫度變化．試驗表明，在環境溫度為20℃時，A相溫升為59.7℃，B相溫升為58.7℃，C相為62.3℃，B相導電杆的溫度比A、C相低，與模擬結果有一定的差異．透過將模擬結果與試驗資料進行對比分析，可以看出兩者存在一定的誤差．造成該誤差的原因，首先是在模擬分析中，將環境溫度設定在恆定溫度20℃，而在試驗中環境溫度並不會一直穩定在20℃;其次是在做溫度場模擬分析時，沒有考慮風速對溫度的影響，從而使模擬結果比試驗所測溫升略高．但是模擬結果中導電杆的溫度分佈規律及整體的溫度範圍與溫度場分析理論上相符合，說明使用ANSYS有限元分析軟體對550kV三相GIS母線進行溫度場分析是有效的．
3最佳化設計
影響550kV三相GIS母線溫升的因素有許多，比如導電杆的橫截面積、封閉母線的金屬外殼厚度都會對母線的散熱造成一定的影響，母線的材質會影響母線的電阻值，進而影響溫升．以母線外殼厚度作為最佳化引數．在尺寸設定中選擇母線外殼厚度作為分析物件，新增最佳化模組，設定待最佳化的引數和最佳化範圍，得出最佳化結果，當母線外殼外徑為0.258m(即外殼厚度為8mm)時，導電杆的溫度為87.57℃，而當外殼厚度大於8mm(即外殼外徑大於0.258m)時，導電杆溫度有所上升，當外殼厚度小於8mm(即外殼外徑小於0.258m)的時，導電杆的溫度有所減少．以導電杆橫截面積作為最佳化引數，隨著導電杆的半徑增加，導電杆的溫升逐漸降低．根據Ｒ=l/s，增大導電杆半徑，即增大導電杆的橫截面積，降低了母線電阻值，加大自然對流換熱空間，使得大電流流過母線的時候的發熱減少，加快其散熱，因此母線溫升也就隨之減少．母線整體溫度場（銅合金）Fig.6Overalltemperaturefieldofthebus(copperalloy)可以看出母線的溫升有了明顯的降低．銅的電阻率比鋁小，用銅材料製作母線，因其電阻較鋁製的小，根據發熱公式P=I2Ｒ可以知道，其發熱損耗也將比鋁製母線的發熱損耗小．
4結論
1)基於電磁學理論，建立550kV三相GIS母線三維電磁場有限元模型，施加對稱三相電流，進行求解分析電流密度．結果表明，550kV三相GIS母線的電流密度分佈呈現明顯的集膚效應．
2)根據熱力學理論，建立550kV三相GIS母線三維穩態有限元模型，施加平均分佈的能量，求解觀察溫度分佈．結果表明，平均分佈的能量使母線導電杆溫度內側比外側略高2℃．殼體上靠近導電杆部位溫度較高．
3)分別對母線的外殼厚度，母線截面積以及母線材料進行最佳化，得出最優結果，為三相GIS母線的最佳化設計提供了新思。