基于ANSYS的管型母线损耗计算

吐松江·卡日 希望·阿不都瓦依提

(新疆大学电气工程学院，新疆 乌鲁木齐 830046)

基于ANSYS的管型母线损耗计算

吐松江·卡日 希望·阿不都瓦依提

(新疆大学电气工程学院，新疆 乌鲁木齐 830046)

基于ANSYS仿真分析管型母线的损耗分布，通过对管型母线厚度进行优化，计算获得损耗最小的厚度。

ANSYS；管型母线；损耗

0 引言

母线用于连接各种电机和电器，以传输电流和功率并通过配电装置分配电能。材料利用率高、机械强度大、集肤系数小及安全性能好等优点使得管型母线在大型发电厂和变电站中广泛使用。管型母线温升是其运行过程中需要考虑的重要方面[1-4]。除了外部日照因素外，集肤效应导致的焦耳热是造成母线温度升高的重要原因。本文基于ANSYS仿真分析母线损耗，通过厚度的优化，降低母线损耗。

1 管型母线电磁场数学模型

1.1 电磁场控制方程

假设母线无限长，则通过二维仿真代替三维；根据麦克斯韦方程组，引入矢量磁位，母线区域的电磁场控制方程为：

▽×(v▽×A)=J

(1)

式中，v为媒质的磁阻率；A为矢量磁位；J为源电流密度。

二维电磁场求解过程中矢量磁位和电流密度只有Z轴分量，即Ax=Ay=0，Jx=Jy=0，则式(1)改写成：

(2)

而：

Jz=Jsz+Jcz

(3)

(4)

式中，Jsz为已知源电流密度；Jcz为导电区域中感应出的涡电流密度；σ为导电区域的电导率。

引入库仑规范▽·A=0，并在离外壳较远处设置远端边界条件Az=0，构成管型母线电磁场边值问题[5]。

1.2 短路电流方程

管型母线承载的工作电流表达式如下：

(5)

式中，I为工作电流有效值；ψ为初相角。

本文取I=3 150 A，ψ=0°。

2 管型母线基本参数

通常情况下管型母线由中心导体和外壳构成，其结构如图1所示，其中导体与外壳材料均为铝。本文仿真模型结构及材料属性如表1所示，所建立的仿真模型如图2所示。

图1 管型母线结构

表1 管型母线结构及物性参数

图2 仿真模型

3 管型母线损耗计算

借助ANSYS/Emag模块可计算模型损耗[6]。选择铝质管型母线截面，建立2D模型；使用Plane53单元，分别耦合中心导体、壳体VOLT自由度。选择谐波分析法，施加载荷，流过中心导体电流I=3 150 A。设置空气边界Az=0，构成本次仿真的边界条件。

通过ANSYS后处理过程，可以计算求得单位长度母线产生的损耗P=7.47 W/m，其磁场分布如图3(a)所示，母线损耗如图3(b)所示，可知母线损耗主要集中于导体表面，这是集肤效应所致。

图3 管型母线仿真结果

当母线通以交流电时，其产生的损耗与母线截面有密切关系，通过调整母线截面使母线产生的损耗最小。母线厚度H与损耗P之间关系如图4所示。

图4 母线厚度与损耗间关系

由图4可知，母线产生的损耗与母线厚度有密切的关系。对铝材料而言，当厚度HAl=18 mm时，母线所产生的单位长度损耗达Pmin=6.73 W/m；而对铜材料而言，则是当HCu=14 mm时，母线所产生的单位长度损耗达Pmin=5.25 W/m。

4 结论

(1) 基于ANSYS的有限元分析可以有效求得母线损耗值并获得母线损耗分布。

(2) 母线产生的损耗与厚度有密切关系。随着壁厚的增加，母线损耗迅速减小；达到最佳壁厚时母线损耗最小；母线厚度进一步增加，母线产生的损耗变化不大；可认为当厚度大于最佳壁厚8～10 mm后，母线损耗达到稳定值。

(3) 铜母线在母线厚度H=14 mm时产生的损耗最小，而铝母线则在H=18 mm时产生的损耗最小。

[1]孙晨宇.母线设备的电—磁—流—热多物理场耦合分析[J].甘肃科技，2012(9)

[2]杨琪.GIL与GIS母线的结构特点与应用[J].高压电器，2011(8)

[3]郭健.离相封闭母线场域分析及仿真软件开发[D].沈阳工业大学，2005

[4]徐敏.基于有限元分析的GIS母线筒温度场分布研究[J].华东电力，2013(9)

[5]颜威利.电气工程电磁场数值分析[M].机械工业出版社，2006

[6]张涛.APDL参数化有限元分析技术及其应用实例[M].中国水利水电出版社，2013

国家自然科学基金，项目编号51367016

2014-06-05

吐松江·卡日(1984—)，男，新疆喀什人，硕士研究生，讲师，研究方向：电力设备仿真优化与风电并网技术。