接地开关用导流排的热稳定性分析

骆常璐 秦晓宇 张垒

摘要：550kV高压断路器在我国电网建设中占据主要位置，其设备的安全运行至关重要。为了保证设备长期运行的安全性与可靠性，国标规定，需要对接地开关（ES）进行短时耐受性能试验。文章结合磁场与瞬态温度场进行耦合分析，得出导流排在短路电流下的温升情况，同时对比理论计算结果，分析差异原因，给出合理的尺寸设计。

关键词：有限元分析；接地开关；导流排；热稳定性；高压断路器；电网建设 文献标识码：A

中图分类号：TM75 文章编号：1009-2374（2016）29-0034-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.29.014

气体绝缘金属密封设备（GIS设备）经过不断优化与改进，其自身开断能力已经从25kA增大到63kA，而大电流的通过势必带来设备高温升的情况。当GIS设备发生短路故障时，接地开关用导流排通过50Hz 63kA大电流，3秒内温升高达200℃～300℃，而导流排截面积选取不合适，会直接导致导流排熔断等危害电网系统的故障，因此短路电流对导流排的材料选择、尺寸设计等都提出了较高要求。所以接地开关在正式投入使用之前必须经受短路电流耐受试验。对此，解析计算接地开关用导流排在短路电流下的温升是非常必要的，选择合适的尺寸，在降低设备成本的同时保证足够的通流能力和安全裕度也是工程设计追求的目标之一。

大电流通过载流导体时，由于导体本身电阻的存在，会产生大量焦耳热，同时一般的电路短路时，设备会自动切断线路，因此标准中规定了最大短路电流通过时间为3秒，在这么短的时间内，热量无法扩散，载流导体承担了所有热量，导致自身温度急剧上升。为保证今后产品的安全运行，要确保在短路电流后载流导体温度不超过材料软化点温度，不产生破坏性温升故障。目前，短路电流的温升计算方法有解析法与有限元法两种，解析法就是建立简单的数学模型，推导公式进行理论计算，但由于空间结构复杂多样以及交流电流集肤效应的影响，传统的温升计算公式精度差、局限多，计算繁琐。另外，伴随着有限元计算软件的高速发展，通过交流电流在电磁场中的热量分析，能够准确地模拟集肤效应的影响，之后通过瞬态温度场分析，得出精确的温升变化，精度高且便于计算。本文以小型化550kV GIS用接地开关的接地导流排为研究对象，基于ANSYS 16.1的电磁场与温度场进行耦合分析与理论计算结果进行对比，得出导流排在短路冲击电流下的温升结果，给出合理的尺寸设计，为高压GIS接地开关设计提供理论依据。

1 计算方法与基本参数

1.1 计算方法

对于载流导体温升的理论计算较为成熟，其计算流程也较为简单，如图1所示，通过计算导体电阻而求出发热功率，最后直接计算导体温升结果。

对于在电磁-温度场耦合分析，由于是交流电流，首先计算得到电流在载流导体中的密度分布，根据电流密度大小再计算局部各个位置的发热功率，最后将发热功率作为初始条件导入温度场中，计算出载流导体在3秒后的温升情况。在这个仿真过程中，按照物理顺序进行多步仿真，每一步仿真的结果都作为下一步仿真的加载条件，整个物理过程是多个物理场之间的相互作用且是多步的。

本次解析计算，瞬态温度分析采用ANSYS Transient Thermal模块进行，电磁场分析选择Maxwell 3D有限元仿真软件来进行。分析流程如图2。

1.2 基本参数

本次解析对象的导流排基本设计尺寸中宽度80mm、长度282mm、厚度7mm。导流排材料为铜板T2R，选择ANSYS材料库中的“Copper”，材料相对磁导率为1，电导率为5.9×107s/m，材料密度为8.3×103kg/m3，比热容为385J/kg·℃，两端通过螺栓固定于接地开关上，本次解析计算，简化处理，不再考虑螺栓孔影响。按照国标要求，其在短路电流试验中通过的电流为63kA/0.3s，建立有限元模型，对模型加载激励电流到导体端面，其有限元模型及电流方向示意图见图3。同时周围建立真空求解域，满足对电磁场求解要求。

铜板T2R的熔点温度为1083℃，软化点温度不低于380℃，允许最大发热温度250℃。为了确保接地回路能够安全工作，导流排在短路冲击电流下所产生的温升不应该超过材料本身的最大允许温升，即不超过250℃。

2 理论计算及有限元结果对比

2.1 发热量结果分析

理论计算，根据基本尺寸参数，求得导流排的横截面积S为560mm2，长度L为282mm，电导率k为5.9×107s/m，额定短路电流I的有效值为63kA，则计算导流排的发热功率W：

W=I2R=I2 =3.386×104W

解析计算，根据有限元分析步骤，首先建立三维仿真模型，并划分网格对其进行前处理，其前处理对有限元解析至关重要，本次解析结构简单，对导流排网格单元简单设置尺寸为小于2mm即可，对电磁场中真空求解域采用自由网格划分，最终有限元模型网格剖分结果见圖4。

通过电磁场解析，计算导流排在50Hz 63kA短路电流下的发热功率，并通过数据映射器，将整体数据映射到温度场网格上，完成Maxwell 3D与ANSYS Transient Thermal的数据传输，同时由于映射误差的存在，发热功率不能完整的传输，通过查看映射数据与网格划分，将功率的传递误差控制在0.1%左右。其映射后的各部分发热功率云图与传递误差如图5所示，可见解析计算结果总发热功率为3.665×104W，较公式计算高出8.24%，两者存在误差。

2.2 温升结果分析

理论计算，根据基本参数，求得导流排的体积V为1.512×105mm3，发热时间t为3s，材料密度σ为8.3×103kg/m3，比热容C为385J/kg·℃，则计算导流排的温升ΔT：

ΔT===210℃

可知通过理論公式计算，结果满足许用温升要求，考虑环境温度20℃也满足不高于软化点温度250℃的使用要求。

解析计算，通过温度场分析，通流3秒后的导流排温度如图6所示：

可知，通过有限元分析，结果不满足使用要求，最高温升高达268℃，最低温升在180℃，再考虑到环境温度30℃的情况下，使用温度更高。

2.3 影响因素分析

通过以上结果可以看出，理论计算与解析计算存在误差，而且直接影响是否满足使用要求的判定。本次短路电流时50Hz 63kA，为交流电，而当导体中有交流电通过是，导体内部电流分布不均，电流集中在导体的“皮肤”部分，也就是说电流集中在导体外表的薄层，越靠近导体表面，电流密度越大，导线内部实际上电流较小，这就是趋肤效应。这种现象使导体的电阻值增加，损耗功率也增加，同时也是造成导流排两端温升较高，中间部分温升较低的原因所在。通过调取有限元解析结果，导出导流排截面上电流密度云图（图7），也可以清晰看到趋肤效应的影响非常显著。

3 改进方案

通过有限元解析，导流排现有尺寸无法满足使用要去，需要变更，其厚度方向由原来的7mm变更为10mm，其余尺寸保持不变，这样导流排截面积增大至560mm2，导体电阻降低，发热量减少，同时由于导流排体积的相对增加，整体温升也将得到很大改善，再次通过有限元对新尺寸导流排进行解析计算，得到温升云图见图8所示，导流排最高温升降至200℃，考虑到环境的温度，也完全满足允许温升250℃的使用要求。

4 结语

通过建立导流排的电磁-温度场耦合有限元分析，通过电磁分析得到导流排的发热功率，再将发热功率导入到温度场分析中，最终完成对导流排的温升计仿真计算及优化设计。通过有限元分析，可以充分考虑交流电的趋肤效应现象，弥补了理论计算温升较低的误差，提高了计算效率，降低了产品运行时的风险，保证了设备长期安全可靠的运行，耦合仿真对于导流排的设计具有指导意义。

参考文献

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作者简介：骆常璐（1988-），男，河南平芝高压开关有限公司助理工程师，研究生，研究方向：高压断路器设计。

（责任编辑：蒋建华）