基于有限元法对高压电气设备中异形导体电阻值进行计算

潘世岩, 刘徐孟, 黄林利

1. 华仪电气上海技术研究院有限公司 上海 201306 2. 上海思源高压开关有限公司 上海 201108 3. 华仪电气股份有限公司 浙江温州 325600

1 问题的提出

随着经济的发展和城市用地的匮乏，在变电站规划设计中往往安排了较多的供电回路。由于高压电气设备体积较大，在有限的布置场地中，为了缩小设备体积，采用了大量的异形导体。图1为某110kV变电站高压开关设备布置现场，图2为该 110kV 高压开关设备的内部导体。

图1 110kV变电站高压开关设备现场

图2 110kV高压开关设备内部导体

回路电阻值测量是DL/T 617—2010《气体绝缘金属封闭开关设备技术条件》、GB/T 11022—2011《高压开关设备和控制设备标准的共用技术要求》、GB 7674—2008《额定电压72.5kV及以上气体绝缘金属封闭开关设备》、DL/T 618—2011《气体绝缘金属封闭开关设备现场交接试验规程》、GB 50150—2016《电气装置安装工程电气设备交接试验标准》等标准中强制检查的项目。如果回路电阻值不合格，轻则造成局部发热，重则造成设备烧毁，继而影响电力系统的安全稳定运行[1-3]。标准同时规定，测量主回路的电阻值，宜采用电流不小于 100A 的直流降压法，测试结果不应超过产品技术条件规定值的1.2倍[4]。因为高压组合电气设备由系统需求、进出线位置及方式、现场安装等诸多因素确定主回路连接方式，同时各生产厂家产品有自身设计特点，所以具体工程的回路电阻值无法进行系统性规定，参考电阻值均为生产厂家按实际工程提供[5]。当单个导体的电阻值不准确时，造成的累积误差会影响安装和后续使用。

2 导体电阻值的常规计算

以110kV高压开关设备为例，其主回路由不同功能元件按系统需要进行拼接，元件内部主回路由规则形态导体、异形导体、滑动电连接及螺栓锁紧电接触面组成。110kV组合电气设备母线内部为规则形态导体，如图3所示。三工位隔离接地开关设备内部有异形导体、滑动电连接及螺栓锁紧电接触面，如图4所示。

对于规则形态导体，如标准圆柱形、管形、长方形导体，因其截面较为统一，可以直接按下式求取电阻值R：

R=ρl/s

(1)

式中：ρ为导体电阻率；l为导体长度；s为导体截面积。

图3 110kV组合电气设备母线

图4 三工位隔离接地开关

图3中规则形态导体l=2000mm，材料为6063-T6牌号φ100mm×10mm铝合金管，20℃时电阻率为3.2×10-8Ω·m[6]，按式(1)可以直接计算得：

对于滑动电连接及螺栓锁紧电接触面的电阻值，可参照文献[7]中的计算方法。

对于图4中异形导体电阻值的计算，工程上一般采用类比结合的方法[8-9]。这种方法虽然可以估算出大致电阻值，但由于铸造成形的异形导体受材料、空间、尺寸等多方面因素影响，估算获得的电阻值准确度较低[10]。

3 导体电阻值的有限元仿真计算

在工厂出厂检查及现场交接试验时，按标准要求，用直流压降法测得主回路电阻值。这一方法的原理如图5所示。

图5 直流压降法原理图

借鉴直流压降法，可以采用有限元仿真计算，得到相对准确的电阻值。这一方法不仅适用于规则形态导体，而且适用于异形导体。

如前文计算的规则形态导体，在有限元软件中按图纸绘制元件，对元件附加标准状态20℃下的物理性能参数，划分网格，一侧端面施加标准[4]规定的测试电流100A，另一侧端面加载约束电压值0V，设置测试温度，之后计算电压降，得到端面电压为2.2635mV，整个过程如图6所示。

图6 有限元仿真计算规则形态导体电阻值

则该规则形态导体的电阻值为：

有限元仿真计算结果与理论计算结果误差为0.02%，原因在于π的取值。

用同样的办法可以更加精确地计算出图5中异形导体的电压降为0.2726mV，如图7所示。

则该异形导体的电阻值为：

4 结束语

异形导体因制造方式、结构复杂等原因，利用传统方法不易求得较为精确的电阻值。利用有限元仿真进行计算，可以得到相对准确的电阻值。

图7 有限元仿真计算异形导体电阻值

这一方法不仅可以在单个元件检查时简单确认其金属原材料是否合格，而且可以在出厂检查及现场安装交接试验时确认设备是否满足技术要求，从而保证高压电气设备在电力系统中的安全运行。

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