（高电压与绝缘技术专业论文）离相封闭母线场域分析及仿真软件开发.pdf

沈阳工业大学顿士学位论文 摘要 离相封闭母线在电厂中被用于连接各种发电机和电力变压器。随着发电机额定功率 的增大，额定电流也越来越大。母线的工作状况与它所承载的电流和电压有关。母线电 流对母线工作状态的影响涉及电磁学，热学和力学三种物理现象。母线的电压涉及到母 线的绝缘问题。本文以大电流离相封闭母线为研究对象，以有限元理论为基础，分别对 封闭母线做了电磁、温升、结构和绝缘的场域研究，在理论上建立了相应的数学模型， 并编程进行实现，同时开发了封闭母线场域分析仿真软件，取得了一些具有理论意义和 工程实际阶值的结果。 文中首先介绍了大电流母线的发展状况和对其进行场域研究的意义，并论述了国内 外对它研究的概况及计算的方法。其次，建立了离相封闭母线电场、磁场、温度场以及 结构分析的数学模型。对其进行耐压、短路电动力、温升和结构变形的分析计算。文章 的最后编制了封闭母线场域分析的仿真软件，实现了参数化建模，加载，并从结果数据 库中提炼出有价值的数据。 文中使用了通用有限元软件a n s y s ，采用了多场耦合的分析方法，并利用a p d l 语言编制了相应的耦合场计算程序。应用此种方法对磁场一结构耦合，磁场一温度场一 流场耦合进行了分析。磁场一结构耦合首先分析系统的短路电流，母线在短路电流的作 用下受到很大的电动力，然后将母线的短路电动力作为结构分析的载荷对母线进行应力 变形分析。电流场温度场一流场祸合首先分析母线工频稳态情况下的电流场损耗，然 后将母线损耗作为温度场一流场分析的热源分析母线的温度以及母线内部空气流动的情 况。其计算结果与理论计算结果进行了对比，误差在允许的范围内，证明本文采用的方 法是正确可行的。 离相封闭母线内部场强的分布，短路情况下母线的变形，以及母线的温升是考核封 闭母线性能的重要指标。本文应用a n s y s 的图象处理功能，很好的展示了封闭母线内 部各种场的分布。本文的计算结果为离相封闭母线的设计和进一步研究提供了理论上的 参考。 关键词：离相封闭母线，场域分析，耦合场 鲨塑三些查兰堡兰兰些堡苎 t h e a n a l y s i s o fi s o l a t e dp h a s eb u sa n dt h e d e v e l o p m e n t o fs i m u l a t i o ns o f t w a r e a b s t r a c t i s o l a t e dp h a s eb u s ( i p b ) i np o w e r p l a n t si s u s e dt oc o n n e c ta l lk i n d so fg e n e r a t o ra n d p o w e rt r a n s f o r m e r w i mt h ei n c r e a s i n go fi n d i v i d u a lg e n e r a t o rc a p a c i t yt h er a t e dc u r r e n to f g e n e r a t o ri s a l s oi n c r e a s i n g ，i p b sw o r k i n g p e r f o r m a n c ei sr e l a t e dt oi t sc u r r e n ta n dv o l t a g e ， t h ei n f l u e n c eo fi p b sc u r r e n tt oi t sw o r k i n g p e r f o r m a n c ei n v o l v e se l e c t r o m a g n e t i c s ；c a l o r i f i c s a n dm e c h a n i c s ；i p b sv o l m g ea f f e c t si t s i n s u l a t i o n m a n yw o r k so nm a g n e t i c ，t e m p e r a t u r e ， s t r u c t u r ea n de l e c t r i cf i e l do f i p b ，i n c l u d i n gt h e o r e t i c a l l ym a t h e m a t i c a lf o r m u l a t i o n ，a l g o r i t h m ， p r o g r a m , a r em a i n l yr e s e a r c h e di nt h i sp a p e rw i t hf e mt h e o r y a tt h e s a l t t et i m ei p bs i m u l a t i o n a n a l y s i ss o f t w a r ei sd e v e l o p e d ，a n ds o m ev a l u a b l er e s u l t st ot h e o r ya n a l y s i sa n de n g i n e e r i n g d e s i g nh a v e b e e n g a i n e d i nt h ef i r s tp a r to f t h i sp a p e r ，t h ed e v e l o p m e n to f i p ba n d s i g n i f i c a n c eo f s t u d y i n gb yf i e l d m e t h o da r ed i s c u s s e d s e c o n d l y , a l g o f i f l u n o f m a g n e t i c ，t e m p e r a t u r e , s t r u c t u r ea n d e l e c t r i cf i e l d o n1 p ba r ec o n f i r m e d i n s u l a t i o n ，s h o r tc i r c u i tf o r c e ，t e m p e r a t u r er i s ea n ds t r u c t u r ed e f o r m e d a r es i m u l a t e da n a l y s i s i nt h ee n d ，i p bs i m u l a t i o na n a l y s i ss o f t w a r ei s d e v e l o p e da n dc a n r e a l i z ep a r a m e t e r m o d e l i n g ，l o a d i n g a n de x t r a c tv a l u a b l ed a t af r o mr e s u l td a t a b a s ef i l e t h ec u r r e n ts o f t w a r ea n s y si sa d o p t e di nt h i sp a p e r ，a n da c o u p l i n ga n a i y s e sm e t h o d i s e s t a b l i s h e dt o o b yu s i n ga p d l l a n g u a g e ，t h ep r o g r a m f o rc o u p l i n gf i e l dc a l c u l a t i o ni sm a d e ， t h e c o u p l i n ga n a l y s i s0 1 1t h ee l e c t r o m a g n e t i cf i e l da n d s t r u c t u r ef i e l da n dt h ec o u p l i n ga n a l y s i s o ne l e c t r o m a g n e t i cf i e l d ，t e m p e r a t u r ef i e l da n df l u i df i e l da r ec a l c u l a t e db yt h i sm e t h o d t h e c o u p l i n go ne l e c t r o m a g n e t i cf i e l da n ds t r u c t u r ef i e l db e g i n 诵t h t h ea n a l y s i so fs h o r tc i r c u i t c u r r e n to fs y s t e m u n d e rt h ec i r c u m s t a n c e so fs h o r tc i r c u i t ，i p br e c e i v ep r o d i g i o u sf o r c e t h e f o r c eu s e da sl o a d b r i n g s t os t r u c t u r e a n a l y s i s t h ec o u p l i n go ne l e c t r o m a g n e t i c f i e l d ， t e m p e r a t u r e f i e l da n df l u i df e l db e g i nw i t ht h ee n e r g yt o s so fb u si nt h ec o l l r s eo fw o r k i n g t h e nt h el o s si su s e da sl o a do ft e m p e r a t u r ef i e l da n df l u i df i e l d t h er e s u l t sa r ec o m p a r e dw i t h 一2 沈阳工业大学硕士学位论文 t h et h e o r y ，a n dt h ee r r o ri si nt h ea l l o w a b l er a n g e i tt e s t i f i e st h a tt h em e t h o da d o p t e di nt h i s p a p e r i sf e a s i b l e i p b sp e r f o r m a n c ei se x a m i n e d b yt h ed i s t r i b u t i o no f e l e c t r i cf i e l di n t e n s i t y ；t e m p e r a t u r e r i s ea n dd e f o r m a t i o nr e s u l tf r o ms h o r tc i r c u i tf o r c e ，i nt h i sp a p e r , t h ed i s l r i b u t i o no f a l lk i n d so f f i e l d si s v i v i d l yd i s p l a y e d t h em s m m i nt h i sp a p e rp r o v i d et h et h e o r e t i cr e f e r e n c eg i s ta n d t h o u g h t s f o rt h e d e s i g na n d t h ef t l r t h e rr e s e a r c ho nt h ei p b k e y w o r d s ：i p b ，f i e l da n a l y s i s ，c o u p l i n g f i e l d - 3 一 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：塑! 鱼圭日期：! ! ：! ：丝 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：鳘焦， 导师签名：日期：匝：兰：! 乡 沈m 工业大学硕l 学位论文 1 绪论 1 1 课题研究的背景 发电厂和变电所中广泛使用母线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。我国电力系统的标准工业频率是5 0 h z 。母线一般是用电导率高的 铝和铜型材料制成，用耐高压的绝缘子支持。由于铝的成本低，现在除要求高机械强度 等特殊清况下才用铜导体外，普遍使用铝导体。 大电流母线可分为两大类：敝露母线和封闭母线。由于敝露母线暴露在环境中，容 易受到人、动物( 如老鼠、蛇等) 以及其它物体的偶然接触而发生接地和短路。绝缘子 还因容易受到灰尘和潮气污染而使绝缘子性能下降。这些情况在母线全长都会发生。定 期清扫也要相当的工作量。 。 由于供电可靠性r 益重要，对母线和其它原来是敝露的电器( 如隔离开关) 逐渐提 出封闭的要求。在二、三十年代，曾经把每相母线装设在单独的水泥洞内或用水泥隔板 隔开，以避免相问短路。这种结构虽然提高了可靠性，但是建筑复杂，维修不便。当时 电流水平不过是三于安培左右。到了四十年代以后，随着电流的加大，国外开始采用金 属外壳的封闭母线，其金属壳接地。这种封闭母线在制造厂中制成约3 6 m 的段，大大减 少了现场旌工的工作量，提高了母线质量而缩短了工期。最初的金属壳是用高电阻的非 磁性钢( 锰钢) 做成，其截面是方形，好像长方形的箱子，里面装着绝缘子支持的双槽 母线。此后改用电阻率低的铝壳。起初三相放在一个箱子内，用隔板隔丌，叫做隔相母 线。后来发现当一相对箱子接地时的电弧会把箱子烧穿，接着发展为两相对地短路，因 此改成每相有一个单独的外壳，叫做离相封闭母线，这样- - i 接地接不会直接发展成为 两相对地短路，而一相接地的电流很小，机组仍可继续运行，一面进行处理。以后逐渐 改用圆筒形。母线导体则随着电流增大而逐渐过渡到圆管形或八边形截面( 分两半) 。 “。由于母线电流在铝壳上感应出轴向电动势，其值在短路时可达到1 0 0 2 0 0 v ，对人 身有危殓，因此每一制造段外壳的两端做成与邻段绝缘，同时将每段接地，叫做不连式 或分段绝缘式外壳。这种外壳的每一段上由于邻相电流的感应( 邻近效应) 而产生涡 流，并造成一定的功率损耗。但短路时的外壳涡流，却起了阻止邻相磁场进入壳内的屏 沈阳t 业入学顾 学位论文 蔽作用，从而大大减少了短路时作用于母线上的电动力。到五十年代，又有了较大的改 进，这就是随着铝的氩弧焊技术的完善，把沿长度各段外壳在现场焊接起来并在两端把 三相外壳同铝板焊接起来，形成三相全连式的外壳，简称全连式。全连式封闭母线的出 现，又解决了大电流母线的能一个关键问题一钢体发热“1 ，因为三相外壳回路中出于电 磁感应而产生环流，环流数值大约等于母线电流但方向相反，这就使壳外的磁场大部分 消失。全连式离相母线的出现标志着现代母线结构的完善化。它把铝壳的全部优点都发 挥出来了，这就是：彻底解决了随着电流不断加大所产生的比较突出的钢体结构发热 问题；不连式封闭母线的母线的电动力虽然减轻了，但更大的电动力却被转移到外壳 上，而全连式母线的外壳环流和涡流起了双重的电磁屏蔽作用5 1 。从而进一步减轻了母 线的电动力”3 ，同时外壳上的电动力；进一步提高了密封性。 1 2 国内外的现状及趋势 母线的工作状况与它承载的电流和电压有关，母线的电流和电压对母线工作状态的 影响涉及到电磁学，热学和力学- - f , 物理现象，其中主要的是：1 ) 导体电流分布和功 率的损耗；2 ) 导体的散热和温升；3 ) 短路时导体和绝缘子承受的电动力和机械应力。 4 ) 绝缘子附近的场强分布。传统对封闭母线的工作状态的研究都是依靠实验或是一些 经验公式。这种路的方法存在着计算量大，理论性强，而且不能很好的描述母线内部各 种场的分布规律。 在国外，世界知名电器设备制造商，如：西门子、a b b 、a l s t o m 等，在成套电 力电器的电磁场和热场分布等电气性能仿真设计方面做了大量的研究和开发，较为 深入地研究了成套电器设备的结构设计与电气性能之间的关系”! ，从而使它们的产 品性能稳定、可靠性高、值得信赖。尽管这方面的研究在封闭母线领域还很少，但 是它为我们研究封闭母线的工作状态提供了一种新的思路。通过场的方法对封闭母 线进行仿真分析。 目前国内还没有从场的观点对封闭母线进行仿真研究。借助与现在流行的 c a d c a m 软件对封闭母线进行场域的分析，可以较为准确地了解各种规格封闭母 线中电磁场、热场的分布及变化规律，掌握由它们产生的电动力和温升对结构设 鲨里三、业查堂堡! ：兰些丝兰 计、绝缘材料的影响，从而达到优化产品性能并显著提高其运行可靠性的目的。国 外同行大公司均是自己开发这类仿真软件，不公开，以确保其掌握核一t l , 技术。凼 此，在我国加入w t o 的今天，开展封闭母线仿真分析研究和软件开发显得尤其必 要和紧迫，它对研发有自主知识产权的封闭母线，提高企业核心竞争力，追赶国际 先进水平，填补我国电气行业的空白具有十分重要的现实和战略意义。 1 - 3 课题研究的内容 为了全面分析掌握封闭母线的工作特性，将对下列问题进行深入的研究，并开发分 析计算软件模块： ( 1 ) 短路电流的计算：当母线发生短路时，短路电流经常达到1 0 0 k a 以上，故障 时的短路电流会导致母线变形、支撑绝缘子的断裂、导体绝缘层因超高温升而破坏等现 象。为了合理确定封闭母线的设计尺寸，减少投资，并确保人身和设备安全，母线的短 路电流必须准确计算。短路电流的正确计算也是准确分析各种场的基础。 ( 2 ) 磁场的计算：封闭母线电磁场的计算涉及到封闭母线的绝缘问题，以及稳态 工作情况下的损耗。当绝缘予，胶垫或空气中的电场强度高过击穿场强的时候，会影响 母线的正常工作。稳态工作情况下的损耗作为温度场分析的热源，也对绝缘有一定的影 响7 洲。 ( 3 ) 温度场计算：母线在正常运作中，由于存在阻抗就要产生电损耗，为了提高 供电的质量，必须计算损耗，由此损耗就要引起母线自身温度的升高。母线自身温度升 高到一定的极限以后，就会加速绝缘的老化，甚至破坏，将影响母线的正常使用、使用 寿命以及设各的安全，因此，温度场的计算是母线的重要技术指标之一”1 。 ( 4 ) 动力一结构场计算：母线导体的短路电动力，主要由本相导体的短路电流与 , 9 l i * e i 透入本相壳内的磁场的相互作用而产生的电磁力，尽管短路电动力作用时间很短， 但是力的效应不容忽略。有可能导致设备的损坏。因此我们将准确计算电动力以确定导 体及支撑机构能够承受的应力。另外还将分析系统的固有频率，进行机械共振的校合 ( 嘲 ( 5 ) 场域分析软件开发： 沈| f n 丁业人学硕i 擘位论文 1 ) 将主要针对封闭母线的结构特征，分析其电场，电磁场，温度场和结构场的分 布变化规律，建立准确的分析模型，开发相应的与a n s y s 软件的计算接口模块； 2 ) 集成所有物理场的分析，形成一个完整的封闭母线场域分析仿真系统。实现参 数化建立模型，加载荷和查询结果。 1 4 技术路线以及技术方案 封闭母线的复杂几何形状，决定了本项目中绝大多数仿真计算都将有赖于场的 数值计算，而数值计算方法中有限元方法相对于其它方法，如边界元、差分法等， 更加灵活和方便，在电磁场、热场、力场中都得到了广泛的应用。本项目将主要采 用有限元技术并辅以其它计算技术进行各种场的数值分析。 本课题的研究开发工作将遵循由简到繁的步骤进行，首先进行磁场的分析，然后逐 步开展结构、电流场、流场、温度场的计算。较为全面地掌握封闭母线中各种场的发 生、分布与变化的规律，找到分析计算这些场及其效应的最佳方法与手段。 基于上述技术路线，制定了如下技术方案： ( 1 ) 通过编写与有限元分析软件( 如：a n s y s ) 的接口模块进行各种场的计算。 a n s y s 是一种通用软件，它可以解决结构静力学、动力学、热学、电磁学、流体 动力学昶菲线性等多学科有限元分析问题。a n s y s 软件具有强大的非线性分析功能和 二次开发能力，能够实现多物理场祸合分析。“。 a n s y s 软件易于调用的关键特征有两个： 1 ) a n s y s 软件具有参数化的批处理命令语言( a p d l ) ，几乎所有的a n s y s 有 限元分析前处理、求解和后处理过程都可以用a p d l 的脚本命令来表示。换句话说一 个有限元分析任务及其过程可以编制为一个纯文本格式的a p d l 程序文件，即一个有 限元模型对应于一个参数化的a p d l 文件； 2 ) a n s y s 软件可以方便地被外部程序封装和调用。在w i n d o w s 系列平台a n s y s 都能够通过外部命令行加载束启动，并通过批处理方式来执行存储于a p d l 文件中的有 限元任务。 沈酐工业大学坝上学位论爻 ( 2 ) 本项目的仿真软件的开发将在w i n d o w s 操作系统下进行，界面采用v b 语 言编写，操作界面友好，易学易用。 1 5 本课题的难点及所需解决的关键问题 本文的研究内容涉及面广，理论性较高，开发工作量大，因此需要在理论研究和技 术开发两方面进行深入细致的工作。首先针对封闭母线的结构、电气等多方面的特征特 点，分别研究封闭母线的力、电、磁、热等物理现象的发生机理和分布变化规律，建立 它们各自的数学模型，探讨其耦合关系，研究相应的计算分析方法。 本文的研究内容所涉及到的关键技术有：具有复杂几何和电气结构的封闭母线三维 电磁场、温度场、电场和结构场的数学建模、分析、以及二次开发技术对应各种物 理场的数学建模。关键的问题是如何准确确定影响这些场的主要因素，如电场中的介质 特性，磁场中的铁磁材料，热场中散热系数、电流场中的接触电阻等等，有些问题尚没 有严格的数学描述。 沈阳工业人学硕士学位论文 2 离相封闭母线工频稳态磁场分析 离相封闭母线与敞露母线相比有许多优点。封闭母线的外壳，除了对母线起密 封和隔离作用外，还对母线磁场起屏蔽作用。这种屏蔽是电磁的，即依靠电磁感应 在外壳上引起的电流来实现。不连式外壳依靠其邻近效应，涡流只能屏蔽别相( 别 相指除本相外的其余两相) 所产生在本相壳内的磁场，从而减少短路时的母线电动 力：全连式外壳则依靠其环流还能屏蔽壳外磁场，从而消除壳外钢结构的发热。 2 1 不连封闭母线邻近效应 2 ，1 1 不连封闭母线邻近效应概述 一相母线位于其它两相母线的附近，受到其它两相的交变磁场感应而产生涡流，从 而改变其电流的分布，这就是不连封闭母线的邻近效应。邻近效应与频率，电导率，磁 导率，母线导体间距离与导体直径之比以及导体的截面形状有关。封闭母线由于其外壳 的屏蔽，几乎完全摆脱了邻近效应。同时由于邻近效应在外壳上感应的涡流将产生外壳 涡流损耗。 2 1 2 不连封闭母线外壳涡流计算 在研究邻近效应时候，理论上都采用逐次逼近多级映射计算法“。”】。我们知道，电 磁感应问题的解应满足的物理关系是：1 安培环路定律，2 电磁感应定律，3 欧姆定律 “。假设一个系统中，有几个已知的时变电流源，其分布是确定的，又有几个导体，要 求出每个导体中的感应涡流。先求出所有电流源分别在每一个导体上感应出来的电流分 布( 忽略其它导体的存在) ，其次把得到的各个导体电流分布作为新的电流源，算出其 在除该导体本身外每一导体上感应出来的电流分布作为一次修正。这个过程继续下去， 每次感应出来的涡流总比前一次的少，最后逼近这一稳定状态，那时新感应出来的涡流 收敛为零，每一导体中电流分布与整个场内的总电流包括电流源分布相“适应”，即满 足安培环路定律，电磁感应定律和欧姆定律。 对于封闭母线的涡流计算，一般三次映射就可以满足要求“i ，外壳涡流计算的数学 模型如图2 1 。涡流在铝外壳，外壳设想为无厚度，其半径取为实际外壳的平均半径。 母线电流被等效的通过母线轴心的细电流表示。 一鲨塑三些奎兰里! 主兰些笙壅 图2 1 外壳涡流计算数学模型 各相外壳涡流的计算公式如下 ，一2 一去善瞰w + 醚) + e ( 鳝十懿+ 蟛) + c ( 睇+ 6 ；+ w ) 】c o s ”疗 肛一去善；+ ( - b 3 n ( - b 1 0 ) m “+ ( _ w 】+ ，c 【( 睇+ 6 品+ ( - b 9 ) “) c o s n o 肛一去荟一 ( - b d 、( - b 7 ) 、( - b 8 川“冰一b 3 ) 、( - b 4 卜( 划】 + l ( 一b ) ”+ ( - b ，1 ”1 1 c o s n o ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) 式中： j aj b ，矗a 相，b 相，c 相外壳涡流线密度； 口外壳半径扫过外壳圆周的角度； j a 相母线电流，等于2 ，。c o s ( 3 1 4 t + 2 4 0 。) ： ，b _ b 相母线电流，等于2 ，。c o s ( 31 4 t ) ； ，。相母线电流，等于2 ，卅c o s ( 3 1 4 t + 1 2 0 4 ) ： l ，母线电流有效值。 式中b 的取值与相间距离与外壳的半径比有关。根据文献 1 】，当取外壳半径为 0 4 9 米，相间距离为1 2 3 米时，进行3 次映射，b l 到6 所对应的数值如表2 1 。 沈阳工业大学厩士学位论文 数值0 4 1 6 0 2 0 8o 5 2 7o ，3 4 4 0 2 1 8o 5 1 40 2 3 3o ，2 1 80 , 4 8 90 4 5 80 4 6 0 三相母线加1 40 0 0 a 的交流电。根据公式2 1 - 2 3 ，求得三相外壳沿圆周方向涡流 线密度峰值分布( 如图2 2 - 2 4 ) ，从图可以看出，b 相外壳在圆周上感应出的涡流数值 相对与边相要大。 图2 2a 相外壳涡溅密度分布 8 0 0 j 3 6 0 0 0 信 4 0 0 0 2 0 0 0 0 图2 3b 相外壳涡流线密度分布 一= 簧导霉鬲譬兰垦曼至釜呈鸯嚣嚣嚣誉曼嚣蚕氢嚣 o ( 。) 图2 4c 相外壳涡流线密度分布 一8 一 沈阳工业人学顷士学位论文 2 1 2 不连封闭母线外壳损耗 对于不连封闭母线外壳损耗运用a n s y s 进行求解。建立有限元模型，有限元模型 分为5 层，母线内空气层，母线导体，外壳内空气层，外壳导体，壳外空气层。具体选 用a n s y s m u l t i p h y s i c s 模块和s o l i d i1 7 单元，定义母线，外壳导体单元选项为a z ， v o l t 自由度，定义空气单元选项为v o l t 自由度。在导体的两个端面加载磁力线平行 边界条件，在壳外空气的最外层加无限远边界条件。要计算外壳的涡流，应对外壳进行 电压耦合，指定三相外壳的端面为等电位面。表2 2 列出了有限元模型的结构参数。表 2 3 为模型的材料属陛，假定磁场中各媒质的相对磁导率都是线性的“”。 表2 2 模型参数表 部件材料 母线 电阻率1 0 8 q m 2 , 9 5 1 + 0 0 0 4 ( v m - 2 0 ) 相对磁导率 l 外壳 2 9 5 1 1 + 0 0 0 4 ( 2 0 ) 】 l 空气 0 1 母线，外壳的损耗与电阻率成正比，而电阻率又是随温度变化的。v 。， v k 为工频 稳态状态下母线，外壳的温度。通常情况下是先设定母线，外壳的初始温度。通过初始 温度求得母线，外壳的电阻率，再进行电流场分析。将电流场分析得到的母线，外壳焦 耳热损耗作为温度场分析的载荷进行温度计算；如果通过温度场计算得到的母线，外壳 的温度与初始假设的温度相近，就说明初始设定的温度满足损耗计算的要求，如果相差 比较大，就要在电流场，温度场之间进行耦合迭代。一般情况下进行一次迭代就可以满 足要求。导体的温度上下变化1 0 。c ，对导体的损耗影响不大。不连封闭母线工频稳态 沈m t 业人学颃上学位论文 状态下母线，外壳的工作温度一般在7 0 。c ，5 0 左右浮动，全连封闭母线工频稳态状 态下母线，外壳的工作温度一般在8 0 。c ，6 0 左右浮动，变化不超过1 0 。c ，所以假定 不连封闭母线母线的母线工作温度为7 0 4 c ，外壳的工作温度为5 0 c 。全连封闭母线的 母线工作温度为8 0 ，外壳的工作温度为6 0 。由于空气的电阻率非常大，感应涡流 可以忽略不计，所以在空气区域定义单元选项v o l t ，不必定义电阻率。 根据表2 2 和表2 3 建立不连封闭母线有限元模型( 如图2 5 ) 。 图2 5 不连封闭母线损耗分析的有限元模型 对三相母线加1 40 0 0 a 的工频交流电。相位互差1 2 0 。图2 6 是不连封闭母线中 间截面磁场分布。 幽2 6 不迮封闭母线磁场分布 沈m 工业大学硕士学位沦殳 由于外壳的电磁屏蔽作用，壳内的磁场几乎完全由本相壳内母线产生而不受邻相影 响，实际上由于外壳电阻的存在，别相( 即其它两相) 磁场仍有少量透入壳内，同时壳 外的磁场还是很强。这就会不可避免的引起附近的钢结构的发热或对附近的电子设备产 生电磁干扰。 不连封闭母线的外壳对邻相所产生在本相壳内的磁场的屏蔽是靠本相外壳的感应涡 流产生作用的。而外壳的涡流必然会引起涡流损耗。涡流越大，屏蔽效果越好，同时由 于涡流而产生的损耗也越大。通过a n s y s 后处理可以得到不连封闭母线的损耗以及在 电磁感应作用下外壳的涡流损耗，如表2 4 。其中三相母线损耗量值相等，外壳中b 相 损耗最大，与b 相涡流最大相吻合。 表2 4 母线一外壳损耗 由于壳外磁场不受外壳涡流的影响。所以外壳在壳外磁场的作用下将产生1 0 0 h z 的 电动力。“。外壳的涡流在数值上不是很大，所以外壳受到的电动力非常小，在工程中可 以不考虑。三相外壳的受力情况如表2 5 。外壳主要受到x 方向的电动力，在y 方向上 量值接近于0 。表2 5 只表示外壳x 方向的电动力。 表2 5 不连封闭母线外壳受力 2 ，2 全连封闭母线工频稳态分析 2 2 1 全连封闭母线概述 全连封闭母线的外壳是沿长度在两端通过短路板连接成闭合回路。这个外壳回路 与母线回路同轴，形成一对三相互感线圈，理论上常把它当做l ：1 的变压器来分析。 沈吼j 工业大学硕士学位论文 如图2 7 ，把母线看作原边，把圆外壳看作副边，就象空气芯电流互感器一样。当母线 中有电流i m 通过时，外壳回路有感应电流1 w 通过，我们把它叫做外壳环流。它是由通 过两外壳之间的，与原副边“绕组”都链穿的“主磁通”或“共磁通”感应出来的。显 然如不考虑端部的情况，则不存在单独与昌i j 边链穿的磁通，即副边绕组没有漏感抗。实 际上在连接外壳的短路板处是有漏磁通的，当外壳全连段不长时端部电感抗不可忽略。 图2 7 全连封闭母线 2 2 ，2 全连封闭母线工频磁场分析 全连封闭母线的工频磁场分析主要包括外壳环流，外壳环流损耗。分析方法与不连 封闭母线的磁场分析方法类似。模型尺寸和材料属性与不连封闭母线的相同。同时在外 壳的两端增加了短路板。外壳短路扳的尺寸参数与材料属性如表2 6 。短路板在工频稳 态状态下的工作温度与外壳温度相当，设定短路板的工作温度( v l j b ) 为6 0 。c 。 表2 6 短路扳参数 数值 3 61 2o 1 1 2 9 5 1 + 0 0 0 4 ( m - 2 0 ) 根据表2 , 2 、表2 _ 3 、表2 6 建立全连封闭母线有限元模型，如图2 8 。在壳外空气 的最外层加无限远边界条件。在两个端面加载磁力线平行边界条件。要计算外壳和短路 沈阳工业大学坝士学位论文 板的环流，应对外壳和短路板进行电压耦合，指定三相外壳的端面与短路板的外端面为 等电位面。 图2 8 全连封闭母线磁场分析模型 对三相母线加1 40 0 0 a 的交流电。相位互差1 2 0 。图2 9 是全连封闭母线中间截 面的磁场分布。 图2 9 全连封闭母线磁场分布 与不连封闭母线磁场分布( 图2 6 ) 比较可以看出壳外的磁场非常微弱。母线的壳 外磁场被外壳环流屏蔽了绝大部分，所以附近钢结构的损耗发热已经不足轻重。此外， 由于剩余电流( 某一相的母线电流与外壳电流相量差) 如此之小，外壳中的邻近效应涡 沈刖工业大掌硕士学位论文 流必然也很小，其损耗可忽略不计。当全连外壳较长时，就接近于这种情况。但当全连 段比较短时，外壳端部电抗相对较大，这时外壳环流比较明显小于母线电流，并且剩余 电流百分值较大，壳外磁场和外壳的涡流损耗将有所表现。对这种情况，从理论上可按 照不连式封闭母线涡流分析方法计算壳外磁场和涡流损耗，但要用黍4 余电流代替母线电 流。 通过a n s y s 后处理可以得到外壳的环流和三相的剩余电流，如表2 7 。图2 1 0 是 母线，外壳电流相量图。m 表示母线，w 表示外壳。外壳感应出与母线电流方向相 反，量值相当的环流。由于外壳端部电抗的存在，使外壳的环流略低于母线电流“。 但是剩余电流相对较小，所以由剩余电流引起的涡流损耗比起由环流引起的外壳损耗可 以忽略不计。 表2 7 三相全连封闭母线电流 i 地 图2 1 0 三相全连封涮母线电流相量翻 么3 0 0 。 么3 0 28 。 沈阳工业人学坝七学位论文 美国e c e l g a r 等用4 0 英尺的三相1 0 k a 实验段改变相间距离进行实验，得n 夕j - 壳 环流与母线电流之比i 胡m 在相间距离和外壳半径之比s d g = i ，5 时约为9 5 ，并随着 s d k 增大而减小，随着连接段的长度增加而增加，当连接段的长度达到1 0 0 m 以上时可 以认为外壳环流与母线电流量值相等，相位相差1 8 0 。 全连封闭母线的外壳环流和涡流起了双重的电磁屏蔽作用。即屏蔽了壳内的磁场又 使壳外的磁场大大减弱。从而进一步减轻了母线和外壳上的电动力。但是外壳的环流也 会引起量值很大的损耗。这样由环流损耗引起的全连封闭母线的温升问题就特别重要。 通过a n s y s 后处理可以得到全连封闭母线的损耗与外壳的环流损耗。如表2 8 。 表2 8 全连封闭母线损耗 比较表2 3 与表2 8 可以看出，全连封闭母线与不连封闭母线的母线损耗都是基本 一样的，这也说明外壳的屏蔽作用使得母线不受其它两相电流的影晌。但是全连封闭母 线由于外壳的环流比不连封闭母线外壳的涡流大很多，所以损耗也很大。这样由损耗 引起的外壳温升也是前者大于后者。 外壳的环流在壳外磁场的作用下将受到1 0 0 h z 的电动力。但由于壳外的磁场受到外 壳环流的屏蔽作用已经相当微弱，外壳受到的电动力也相当小，在工程中可以不考 虑。三相外壳的受力情况如表2 9 ，表2 ，1 0 是母线受到的电动力。 表2 9 全连封闭母线外壳电动力 x 方向电动力幅值( n m ) x 方向电动力指角( 。) y 方向电动力幅值科m ) 2 1 3 7 ( 3 8 0 8 8 2 6 3 1 8 0 ，4 1 0 8 1 9 7 2 4 6 5 o 8 2 y 方向电动力相角( 。) 7 , 5 ，8 0 26 6 8 沈m t ：业人学颤：l 学位论文 结论：不连封闭母线由于邻相电流感应而产生涡流，并造成定功率损耗。但短路 时的外壳涡流，却起了阻止邻相磁场进入壳内的屏蔽作用，从而大大减小了短路时作用 与母线上的电动力。全连封闭母线由于电磁感应而产生环流，环流数值大约等于母线电 流，但方向相反，这就使壳外的磁场大部分消失。把外壳的优点都发挥了出来，这就 是：1 ) 彻底解决了随着电流不断加大所产生的比较突出的钢结构发热问题：2 ) 不连式 封闭母线的母线短路电动力虽然减轻了，但更大的电动力却被转移到外壳上，而全连封 闭母线的外壳由于环流和涡流起了双重的电磁屏蔽作用，从而进一步减轻了母线，外壳 的电动力。同时应该注意到封闭母线外壳的屏蔽作用是以外壳的附加损耗为代价的。 所以封闭母线的温升问题尤其重要。 沈阳工业火学硕土学位论文 3 不连封闭母线三相短路电动力及动力特性分析 不连封闭母线由于外壳的屏蔽作用，使得封闭母线内部的磁场大大减弱。与敞露母 线相比，短路电动力也相应的减少。但是从力的效应来说，其量值不容忽略“。本文从 短路电流的表达式入手，采用理论计算路的观点与有限元场的观点分别对不连封闭母线 短路时的电动力进行分析与比较。同时将有限元方法求得的电动力作为母线应力分析的 载荷进行母线的结构分析【“。由于短路时候b 相受力最大，所以本文着重分析b 相电 动力及应力变形。 3 1 不连封闭母线三相短路电动力计算 3 1 1 封闭母线短路电流 由于封闭母线直接与发电机，变压器等设备连接，所以其短路电流的形式非常复 杂，但是大体来说，主要由工频的交流分量和直流的衰减分量组成，其中交流分量又由 于同步发电机的转子纵轴电磁特性而包含次暂态衰减，暂态衰减和稳态三个分量，并由 系统中的线路，变压器和发电机等的综合参数以及发电机的自动励磁调节器决定，直流 衰减分量是伴随交流分量产生的自由分量，由交流分量的初相角和系统的综合电磁特性 决定“”。它可一般的表示为： r 吐 ( 1 一毫弘。+ ( 毫一鲁弘。+ 钥s n c 陋m e s 却 - ， 式中： = 豇”短路电流交流分量的初始幅值，”为初始有效值； x ”。，x 。，h 系统的次暂态，暂态，稳态电抗： f 。，丁。，l 交流次暂态，交流暂态，直流分量衰减时问常数； 工频角频率，等于3 1 4 t a d s ； r 短路后时间： 交流分量初始角。 一 鲨塑! 些墨堂堡主兰些笙苎 暂态时间常数r 。通常达几秒，就力的效应而畜，可近似地把它所对应的暂态分量 并入稳态分量，剩下次暂态分量以时间常数了_ “。所决定的速率衰减。这样短路窀流可表 示为： r = l 口e 。彤。4 + ( 1 一。) s i n ( ( 耐+ 伊) 一e 7 乞s i n 妒 n ：l 一立 一。 ( 3 2 ) ( 3 3 ) 本文对以上参数的使用分另u 采用以下数值( b 相) 。 d = o 3 5 ，疋= 0 2s ，t ”d = 0 2s ，妒= 一4 5 。，i 。= 1 0 0 k a 图3 1 ，图3 2 是- - g l 对称短路电流随时间变化的规律。图中l 线表示b 相短路电 流，2 线表示a 楣短路电流，3 线表示c 相短路电流。 至 v 媸 哥。刃7 。泐泐 3 沙沪： 要 v 蟋 手 幽3 10 4 ) 1 5 s 的三相短路电流 撅赫弧蝴躺黝 删_ w 惭俐槲焖剐料 图3 2o - - 1 s 的三相短路也流 时间( s ) 时间( s ) 沈既l 工业人学顶十学位论文 3 1 2 不连封闭母线的短路暂态过程 离相封闭母线的外壳在短路暂态的过程中要受到母线磁场的感应，产生涡流，这些 外壳电流分为两部分，分别有短路电流的交流分量和直流分量造成。临相短路电流的交 流分量由于外壳涡流的作用，透入壳内的磁场受到充分的屏蔽，只剩下很少的量值，而 直流分量却不同，由于直流衰减时间常数比交流频率慢的多，因而电磁感应很弱，外壳 电阻的作用相对地大的多，大大限制了涡流，因而透入壳内的邻相剩余磁场就大的多。 从图3 1 ，图3 2 可以看出三相短路电流经过1 s 后趋于稳定，也就是直流衰减分量减小 为0 ，由于b 相的短路电动力主要是由直流衰减分量引起，所以可以判断，b 相短路电 流的最大值应该出现在1s 以内。 3 1 3 不连封闭母线短路电动力的计算方法 通过对封闭母线暂态过程的分析，可以知道封闭母线的短路电流主要是由别相直流 衰减分量引起的，所以在理论上忽略别相短路电流的交流分量对b 相电动力进行计算。 同时通过场的方法借助a n s y s 软件分别对由别相交流分量与直流衰减分量引起的短路 电动力进行分析。由这两个分量求出的电动力是可以线性相加的。通过这两种方法的计 算来比较结果。选定不连封闭母线的尺寸如表3 1 ，模型如图3 t 3 所示。 表3 1离相封闭母线尺寸 琢面百r 丽0 1 6 0 5 3 0 0 0 9 0 9 80 2 5 i 图3 3 离相封闭母线的模型 沈阳工业大学硼士学位论文 3 1 4 不连封闭母线电动力的计算 ( 1 ) 理论计算 理论计算的三点假设： 1 ) 外壳等效成完纯导体。 2 ) 母线等效成只带短路电流的细长导体。 3 ) 别相短路电流的交流分量在b 相壳内衰减为0 ，忽略由此引起的电动力。 电动力计算的数学模型如图2 1 。这时封闭母线只受别相直流衰减分量的影响。别 相直流衰减分量在b 相壳内引起的磁场强度 。与没有外壳的时候的磁场强度 。的比 值是一个时间函数。把它们比值叫做外壳直流屏蔽系数： h 。 1i 一e 汔 百2 口弦了 吃1 一嘭。p ( 3 4 ) 根据式：q = 盹胁 ( 3 5 ) 和式( 3 4 ) 以及表3 1 绘出的尺寸参数可以确定b 相母线电动力式： 铲一等e 筹陋礼卜a ) s i n ( c o t - 4 5 ) + e 一 s ， t e = t t 。r 2 2 p ( 3 ，7 ) 式中：盹空气磁导率； s 一相间距离： t e 一直流衰减时间常数 r _ 外壳半径； c 外壳厚度： d 导体电阻率。 沈m 工业