10kV母線內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)論文

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1、靜電場數(shù)值計(jì)算

靜電場數(shù)值計(jì)算方法主要有有限差分法、有限元法和模擬電荷法。這三種方法在處理簡單模型時(shí)的效果相差不多，但當(dāng)模型較為復(fù)雜時(shí)，有限差分法已基本不適用。模擬電荷法與有限元法在實(shí)際使用中各有利弊，模擬電荷法有準(zhǔn)確度高、三維模型計(jì)算中占用計(jì)算機(jī)內(nèi)存少等優(yōu)點(diǎn)，但其適用范圍比較小，對(duì)于介質(zhì)種類多、具有較多過小曲率半徑的邊界的系統(tǒng)等，用模擬電荷法來計(jì)算就比較麻煩，甚至不可能。有限元法雖然在電場強(qiáng)度計(jì)算上與實(shí)際值有一定偏差，但可以通過細(xì)化網(wǎng)格達(dá)到減小誤差目的。本文研究的10kv母線內(nèi)部電場分布，存在3種以上的介質(zhì)、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故選用有限元法。

2、10kV母線靜電場仿真計(jì)算

2.1母線內(nèi)部結(jié)構(gòu)

基于已有的10kV母線端部結(jié)構(gòu)圖，并對(duì)其做出初步的改進(jìn)。由于鋁金屬薄膜的截面是一個(gè)矩形，有四個(gè)直角，在電場中容易造成尖端效應(yīng)，使電場產(chǎn)生畸變分布不均勻。因此，對(duì)鋁金屬薄膜的截面進(jìn)行倒角操作，減少尖端效應(yīng)。畫出母線端部結(jié)構(gòu)及尺寸二維視圖如圖1所示。為了能夠更好地展示母線內(nèi)部結(jié)構(gòu)，利用ANSYS生成母線端部結(jié)構(gòu)的三維視圖。母線由絕緣護(hù)套層、接地銅帶、主絕緣層、銅導(dǎo)體、鋁金屬薄膜構(gòu)成，是一個(gè)軸對(duì)稱模型，可采用PLANE121這一單元進(jìn)行建模，PLANE121是一個(gè)二維八節(jié)點(diǎn)靜電單元，適用于軸對(duì)稱模型，適用于靜電場計(jì)算。

2.2母線材料

銅導(dǎo)線電阻率小，傳導(dǎo)過程中發(fā)熱少，電能損耗低，不易生銹，質(zhì)軟而且可以制成多股軟線，大大提高了屈折次數(shù)。鋁金屬薄膜重量較輕。

2.3母線電氣性能要求

母線采用銅導(dǎo)體，其電流密度大，電阻小，集膚效應(yīng)不明顯，無須降容使用。電壓降小也就意味著能量損耗小，最終節(jié)約用戶的投資。工頻耐壓及雷電沖擊耐壓數(shù)值，符合國家標(biāo)準(zhǔn)。其負(fù)載性能要求如下，在額定電流下，外殼的溫升符合GB/T11022–1999《高壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)的共用技術(shù)要求》標(biāo)準(zhǔn)要求。其短路性能要求如下，動(dòng)熱穩(wěn)定試驗(yàn)符合GB2706–89《交流高壓電器動(dòng)熱穩(wěn)定試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.4母線模型及其仿真

本文將通過ANSYS軟件建立二維電場的模型，來研究母線的電位和電場分布。ANSYS分析電磁場問題時(shí)，需要從以下3個(gè)方面進(jìn)行考慮。第一由于此處只考慮單項(xiàng)母線，單根母線屬于軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，因此使用二維模型即可反應(yīng)母線電位和電場分布，從而得到符合實(shí)際的數(shù)據(jù)。第二目前電氣設(shè)備電極間電壓隨時(shí)間的變化是比較緩慢的，所以母線在任一瞬間的電場都可以近似地認(rèn)為是穩(wěn)定的，可以按靜電場來分析。第三采用基于節(jié)點(diǎn)法的傳統(tǒng)的有限元法，其直觀性較好。

2.5母線電場計(jì)算結(jié)果及分析

做完母線模型的仿真之后，利用ANSYS軟件進(jìn)行計(jì)算，提取電場強(qiáng)度及電位圖，結(jié)合材料的擊穿場強(qiáng)分析其是否滿足要求，并作出優(yōu)化，盡量減少尖端效應(yīng)，使電場分布的更加均勻。母線端部采用的多層鋁金屬膜逐漸降低電位，此處也是電場分布最不均勻的地方。在三層鋁金屬薄膜端部，其電場畸變較為強(qiáng)烈，但在靠近接地層的端部電場畸變最為劇烈，此處的絕緣中電場最為集中，即此處的絕緣最易發(fā)生擊穿損壞。而且可以看出，電場的不均勻也會(huì)延伸到母線的外皮處，當(dāng)外皮出現(xiàn)污穢及水滴時(shí)，在外皮也會(huì)出現(xiàn)電場集中，從而導(dǎo)致表面放電的發(fā)生。為了進(jìn)一步探討屏蔽層對(duì)母線電位的影響，在母線端部無鋁金屬薄膜處、鋁金屬薄膜處和接地銅帶處沿徑向取了三條路徑。由曲線走勢(shì)可知，母線端部無接地層、金屬薄膜處電位較高，金屬薄膜處電位較低，接地層處電位最低，起點(diǎn)都是5774V。母線端部無鋁金屬薄膜、接地層處的電位變化平緩，鋁金屬薄膜處電位在第三層后基本無變化。由此可知，鋁金屬薄膜、接地層都起到了降低母線內(nèi)部電位的作用，使母線內(nèi)部電位變化均勻。由分析可知靜電場中某點(diǎn)電場強(qiáng)度等于該點(diǎn)電位梯度的負(fù)值，母線內(nèi)部電位降低，電場強(qiáng)度也相應(yīng)降低，從而減少母線擊穿的可能性。

3、10kV母線內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化

母線端部易絕緣老化，容易發(fā)生擊穿，縮短使用壽命，造成母線故障、發(fā)電廠和變電站停電，甚至對(duì)電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行帶來嚴(yán)重危害。利用基于有限元法ANSYS軟件研究母線的電壓和電場分布，了解母線端部絕緣老化及擊穿的原因并就此提出優(yōu)化方案。影響母線絕緣的因素有很多，本文著重對(duì)絕緣護(hù)套層中的鋁金屬薄膜部分設(shè)計(jì)優(yōu)化方案。由于母線絕緣護(hù)套端部電場比較集中，在其中加入多層鋁金屬薄膜可以強(qiáng)迫控制其內(nèi)部和表面的電場均勻化。本次設(shè)計(jì)采用了不同層數(shù)鋁金屬薄膜、不同布置形式的鋁金屬薄膜、直角和倒圓角之后的鋁金屬薄膜三種不同的方案，計(jì)算母線內(nèi)部電場分布并分析比較，確定最優(yōu)方案。

3.1直角和圓角截面時(shí)母線電場的計(jì)算分析

本次設(shè)計(jì)將分別對(duì)母線以直角截面和圓角截面的鋁金屬薄膜方式進(jìn)行建模，其他幾何參數(shù)、載荷參數(shù)不變。鋁金屬薄膜的截面為圓角，截面為直角母線與之相比有較為明顯的尖端效應(yīng)，可能會(huì)導(dǎo)致護(hù)套層擊穿，威脅到母線正常運(yùn)行，故選擇截面為圓角的鋁金屬薄膜較為合理。

3.2不同層數(shù)鋁金屬薄膜下母線電場的計(jì)算分析

本次設(shè)計(jì)分別采用2層、3層、4層鋁金屬薄膜對(duì)母線進(jìn)行建模，其他幾何參數(shù)和荷載參數(shù)不變。當(dāng)采用三層鋁金屬薄膜時(shí)，母線絕緣護(hù)套層的最大場強(qiáng)值最小，為359.463kV/m。雖然采用四層鋁金屬薄膜時(shí)母線絕緣護(hù)套的電場分布比3層的稍微均勻些，但是不明顯，而且絕緣化套層采用的是硅橡膠材料，其擊穿場強(qiáng)為25000kV/m，比最大場強(qiáng)高2個(gè)數(shù)量級(jí)，在正常情況下是不會(huì)發(fā)生擊穿的，處于經(jīng)濟(jì)性的考慮，采用三層鋁金屬薄膜最佳。

3.3兩端對(duì)齊、階梯式布置時(shí)母線電場的計(jì)算分析

本次設(shè)計(jì)采用兩端對(duì)齊布置的鋁金屬薄膜對(duì)母線進(jìn)行建模，計(jì)算母線電場分布，將其與鋁金屬薄膜階梯式布置時(shí)母線電場分布進(jìn)行對(duì)比。其他幾何參數(shù)、載荷參數(shù)不變。得到的絕緣護(hù)套層端部電場強(qiáng)度為499.552kV/m，比階梯式布置方案下的最大電場強(qiáng)度大100kV/m，而且兩端對(duì)齊布置的鋁金屬薄膜端部的電場較為集中，不如階梯式布置的均勻。階梯式布置的鋁金屬薄膜，第一、二層鋁金屬薄膜的端部分別處在第二、三層鋁金屬薄膜的中間位置處，使得電場不那么集中，過度平滑且分布更加均勻。故母線中鋁金屬薄膜的階梯式布置更為合理有效。

4、結(jié)束語

本文主要完成10kV母線內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化。通過高壓靜電場的數(shù)值計(jì)算方法，掌握有限元法的原理及其存在的問題。利用ANSYS軟件在靜電場中的應(yīng)用，改變鋁金屬薄膜層數(shù)、形狀、布置形式進(jìn)行對(duì)母線進(jìn)行建模，計(jì)算并分析相應(yīng)的電場分布結(jié)果。通過對(duì)三種方案的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，得出母線中的鋁金屬薄膜采用圓角截面、三層階梯式布置是最佳的可行的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

作者:陳道龍朱永飛楊璐張宇嬌單位:國網(wǎng)安徽繁昌縣供電公司