（电气工程专业论文）离相封闭母线场域仿真分析及制造装配技术研究.pdf

江苏大学工程硕士学位论文 摘要 本文以全连离相封闭母线为研究对象，首先介绍了全连封闭母线研制现状及发 展趋势，给出两种类型离相封闭母线的电磁场分析和比较，接下来给出了全连封 闭母线的机械强度、应力以及短路电动力详细的计算，设计了母线导体以及外壳 的支持结构，并且给出了自冷全连封闭母线的优化设计。 其次介绍了三种热传递方式和热学方程，通过对全连封闭母线磁场的分析，给 出了全连离相封闭母线的母线导体以及母线外壳的损耗分析计算，同时借助 a n s o f t 软件给出了全连离相封闭母线的温度场分析。 最后，介绍了全连离相封闭母线的安装和焊接工艺规程、试验测试以及母线冷 却方式和防结露措施的选择，并且介绍了所设计的全连离相封闭母线在长江三峡 工程应用中所遇到问题以及解决方法。 关键词：全连离相封闭母线，机械强度，电动力，a n s o f t a bs t r a c t i nt h ep a p e r , t h ec o n t i n u o u se n c l o s u r et y p ei s o l a t e d p h a s eb u si ss t u d i e di nd e t a i l f i r s t l y ，t h es t a t u sa n dd e v e l o p m e n to ft h ec o n t i n u o u se n c l o s u r et y p ei s o l a t e d - p h a s eb u s a r ei n t r o d u c e d t h ee l e c t r o m a g n e t i cf i e l da n a l y s i sa n dc o m p a r a t i o nb e t w e e nt w ok i n d s o fi s o l a t e d - p h a s eb u sa r es h o w n t h em e c h a n i c a ls t r e n g t h ，s t r e s sa n ds h o r tc i r c u i t e l e c t r o m o t i v ef o r c ea l ec a l c u l a t e di nd e t a i l b u sc o n d u c t o ra n ds u p p o r ts t r u c t u r eo f s h e l la r ed e s i g n e d a n do p t i m i z a t i o n sa r ec a r r i e do u tf o rt h es i z ea n ds t r u c t u r eo f s e l f - c o o l i n gc o n t i n u o u se n c l o s u r et y p ei s o l a t e d - p h a s eb u s 。 s e c o n d l y , t h r e ef o r m so fh e a tt r a n s f e ra n dt h e r m o l o g ye q u a t i o na r ei n t r o d u c e d a n a l y t i c a lc a l c u l a t i o no nt h el o s so fb u sc o n d u c t o ra n db u ss h e l li ss h o w nb ya n a l y z i n g m a g n e t i cf i e l do ft h ec o n t i n u o u se n c l o s u r et y p ei s o l a t e d - p h a s eb u s t h et e m p e r a t u r e f i e l da n a l y z i n gf o rt h ec o n t i n u o u se n c l o s u r et y p ei s o l a t e d - p h a s eb u sa r eg i v e nb y l a s t l y , t h et e c h n o l o g i c a lp r o c e d u r eo ft h ee r e c t i n ga n dw e l d i n g ，c h e c k i n ga n d t e s t i n g , t h ec h o i c e o fc o o l i n gs y s t e ma n dd e w i n gp r e v e n t i o nf o rt h ec o n t i n u o u s e n c l o s u r et y p ei s o l a t e d - p h a s eb u sa l ei n t r o d u c e d i nt h r e eg o r g e sr i g h td a mp r o j e c t ， t h ep r o b l e m sm e ti nt h ea p p l i c a t i o no ft h ed e s i g n e dc o n t i n u o u se n c l o s u r et y p e i s o l a t e d p h a s eb u sa n dt h es o m es o l u t i o n sa r ea l s oi n t r o d u c e d k e yw o r d s ：t h ec o n t i n u o u se n c l o s u r et y p ei s o l a t e d p h a s eb u s ，m e c h a n i c a ls t r e n g t h ， e l e c t r o d y n a m i cf o r c e ，a n s o f t i i 江苏大学工程硕士学位论文 图表目录 图2 1外壳涡流计算模型7 图2 2a 相外壳涡流线密度分布7 图2 3b 相外壳涡流线密度分布7 图2 4c 相外壳涡流线密度分布8 图2 5 不连封闭母线损耗分析的有限元模型9 图2 6不连封闭母线磁场分布9 图2 7 全连封闭母线1l 图2 8 全连封闭母线磁场分析模型，1l 图2 9 全连封闭母线磁场分布h 12 图2 1 0 三相全连封闭母线电流向量图1 2 图3 1 三相短路时母线受力图1 7 图3 2 导体静力梁力学模型一1 7 图3 3导体静力梁弯矩图1 8 图3 4垂直段承重绝缘子结构图2 1 图3 5 绝缘子结构2 2 图3 6支持绝缘子受力图2 4 图3 7 垂直段离相封闭母线外壳支持结构2 5 图3 8钢横梁受力简图2 8 图3 9 钢横梁弯矩图2 8 图3 1 0 土建钢构架受力简图。2 9 图3 1 1 土建钢构架弯矩图2 9 图4 1母线一外壳损耗分析模型3 9 图4 2 温度场分析模型4 l 图4 3三相母线，外壳电流向量图4 3 图4 。4 母线导体和外壳径向电流密度分布4 4 图4 5 母线导体和外壳径向线电流密度分布4 4 图4 6 温度场分夼5 0 图4 7 温度沿导体圆周的分布5 1 图4 8b 相母线温度场分布5 2 图4 9b 相流体的流速分布5 2 图4 1 0 三相外壳对辐射的热流密度沿圆周分布。5 2 图4 1 1 温升测量点示意图5 4 图5 1导电连接件连接简图。6 6 图5 2 封闭母线支持形式。6 7 图5 3封闭母线绝缘子装配结构方案图6 8 图5 4 传统密封结构6 9 图5 5 新型密封结构6 9 表2 1母线一外壳损耗9 表2 2 不连封闭母线外壳受力1 0 表2 3 封闭母线主要技术参数1 0 表2 4 短路板参数1 1 v i 江苏大学工程硕士学位论文 表2 5 三相全连封闭母线电流1 2 表2 6 全连封闭母线损耗1 3 表2 7 全连封闭母线外壳电动力1 3 表2 8 全连封闭母线母线电动力1 3 表3 1跨距计算结果16 表3 2f k ( t ) 计算结果。1 9 表3 3因子水平。3l 表3 4 正交方案3 2 表3 5 计算结果3 3 表3 6 各水平总造价的平均值。3 3 表4 1结构参数表3 9 表4 2 材料属性表。4 0 表4 3 材料属性表。4 0 表4 4 导体直流电阻，损耗4 4 表4 5 导体平均温度。5 1 表4 6 三相外壳对流散热量5 2 表4 7 母线，外壳散热量。5 3 表4 8 热平衡误差表。5 3 表4 9 离相封闭母线温升数据。5 3 表4 10 试验数据。5 4 表5 1 焊接工艺参数。5 8 表5 2 焊接质量要求5 8 表5 3 试验结果。5 9 表5 4 本样机中采用的新结构与传统的母线结构比较。6 5 v i i 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密 学位论文作者签名：陆朝荣 2 0 0 7 年6 月2 0 同 指导教师签名：孙玉坤 2 0 0 7 年6 月2 0 日 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本 论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：陆朝荣 日期：2 0 0 7 年6 月2 0 日 江苏大学工程硕士学位论文 第一章绪论 1 1 本课题的来源及研究意义 随着电力事业的快速发展，火力及水力发电机组向超大容量发展，发电厂、 变电所和水电站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。 由于供电可靠性同益重要，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，以避免相间短路。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三千安培左右。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，大大减少了现场施工的工作量，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，用隔板隔开，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，这样一相接地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) 他引。 由于母线电流在铝壳上感应出轴向电动势，其值在短路时可达至u 1 0 0 2 0 0 v ，对人 身有危险，因此每- n 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) 江苏大学工程硕士学位论文 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，这就是随着铝的氢弧焊技术的完善，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一个关键问题 一钢体发热h 1 ，因为三相外壳回路中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。全连式离相封闭母线的 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嵋1 。从而进一步减轻了母 线的电动力哺1 ，同时也减轻了外壳上的电动力：进一步提高了密封性。 目前国内从场的观点对封闭母线进行仿真研究还比较少川。借助a n s o f r 电磁 场分析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，以确保其掌握核心技术。因此， 丌展封闭母线仿真分析研究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 2 国内外离相封闭母线的应用状况 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，热学和力学三种物理现象，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 2 江苏大学工程硕士学位论文 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问的关系口1 ，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。 目前国内从场的观点对封闭母线进行仿真研究并不多，借助a n s o f t 软件对封 闭母线进行场域分析，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，掌握电动力和温升对结构设计、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。国外大公司自行开发仿真软件，从 而提高丌发效率和快速掌握核心技术。因此，开展封闭母线仿真分析研究，对研 发自主知识产权的封闭母线，提高企业核心竞争力，缩短同国际先进水平的差距 具有十分重要的意义。 国内为大型机组配套生产大电流离相封闭母线的公司和工厂主要有大全集 团下属江苏长江沃特电气有限公司、镇江华东电力设备制造厂、阜新封闭母线有 限责任公司和北京电力设备总厂。国外很多公司或工厂都能生产大电流封闭母 线，日本r 立公司己经生产过4 2 k a 的离相封闭母线。同木三菱公司己经生产过 4 2 k a 的离相封闭母线。a b b 公司已经生产过3 6 5 k a 的离相封闭母线。西技来克公 司已经生产过5 2 k a 的离相封闭母线。其它如俄罗斯、乌克兰等国家的工厂也有生 产2 6 k a 大电流离相封闭母线的能力。 江苏长江沃特电气有限公司目前已是全国最大的高压封闭母线制造商，在 世界上最大的水利枢纽三峡工程中，面对西门子、a b b 、a r e v a 、北京电力设备总 厂等国内外众多实力强劲的竞争对手，大全集团能成为三峡工程唯一的高压封闭 母线和桥架供应商。公司生产离相封闭母线先后应用于三峡水电站、新安江水电 站、华能玉环电厂、邹县电厂等国家重点建设项目配套选用，并出口至东南亚、 伊朗等国家。 1 3 本文完成的主要工作 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 江苏大学工程硕士学位论文 等，更加灵活和方便，a n s o f t 软件在电磁场、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， 然后逐步开展结构力学、电动力、损耗、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。 本课题研究内容主要包括以下几个部分： 第一章、首先提到了全连封闭母线的来源和研究意义，然后介绍了国内外离 相封闭母线的应用状况，最后给出了本文主要完成的工作。 第二章、给出了不连离相封闭母线和全连离相封闭母线的电磁场分析，并进 行了比较，指出全连离相封闭母线的优点。 第三章、给出了全连封闭母线的机械强度、应力以及短路电动力详细的计算， 设计了母线导体以及外壳的支持结构，并且给出了自冷全连封闭母线的优化设 计。 第四章、介绍了三种热传递方式和热学方程，通过对全连封闭母线磁场的分 析，给出了全连离相封闭母线的母线导体以及母线外壳的损耗分析计算，同时借 助a n s o f t 软件给出了全连离相封闭母线的温度场分析。 第五章、介绍了全连离相封闭母线的安装和焊接工艺规程、试验测试以及母 线冷却方式和防结露措旌的选择，并且介绍了所设计的全连离相封闭母线在长江 三峡工程应用中所遇到问题以及解决方法。 第六章、对本文工作进行了总结，并指出下一步将要进行的研究工作。 1 4 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 究和技术丌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，探讨其祸合关系，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 4 江苏大学工程硕士学位论文 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。 5 江苏大学工程硕士学位论文 第二章离相封闭母线电磁场分析 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。本章主要对不连封闭母线和全连封闭母线进行电磁场分析，并比较这两 种母线的优缺点。 2 1 不连封闭母线磁场分析 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2 ，1 3 1 。我们知 道，电磁感应问题的解应满足的物理关系是：安培环路定律，电磁感应定律和欧 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n 引，外壳涡流计算 6 江苏大学工程硕士学位论文 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。 图2 1 外壳涡流计算模型 图中，五，石，尼分别为a 相，b 相，c 相外壳涡流线密度；目为外壳半径扫过外壳 圆周的角度；厶，厶，i c 分别为a 相，b 相，c 相母线电流。 三相母线加最大幅值为1 2 0 0 0 a 的交流电，当b 相相角为0 度，c 相相角为1 2 0 度，a 相为2 4 0 度时，通过a n s o f t 软件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 边上要大。 图2 2a 相外壳涡流线密度分布 d i 5 h 酗i 哪 图2 3b 相外壳涡流线密度分布 7 江苏大学工程硕士学位论丈 d 脚a d d 肺l 图2 4c 相外壳涡流线密度分布 2 1 3 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 o f t 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 o f t m a x w e l l2 d e d d yc u r r e n t 模块，定义母线，外壳导体尺 寸，定义外壳与导体之间以及周围环境为空气。在导体端面定义电流源，在外围 设置边界。 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 m ，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，外壳得电阻率，再进行电流场分析。将电流场分析得到 得母线，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念状态下母线，外壳的工作温度一般在7 0 。c ， 5 0 。c 左右浮动，全连封闭母线工频稳态状态下母线，外壳的工作温度般在8 0 。c ， 6 0 。c 左右浮动，变化不超过1 0 。c ，所以假定不连封闭母线的工作温度为7 0 。c ，外 壳的工作温度为5 0 。c 。全连封闭母线的工作温度为8 0 。c ，外壳的工作温度为6 0 0 c 。 由于空气的电阻率非常大，感应涡流可以忽略不记。 不连封闭母线的有限元模型如图2 5 所示。 8 ：i 夕，j 一疋。 ， j ，r 1i 。一。 签鹫彩j ， ? 少。j 誊豢i 霸。国 h 26 小琏荆l y ：埘线嫩场竹如 由于外壳的电磁屏蔽作用，壳内的磁场极弧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，g 相( 即其它两相) 磁场仍有少量透八 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 o f t 后处理可以得到不连接封 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 1 。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。 袁2 i 母线一外光损耗 导体 a 相母线 b 相母线c 相母线a 相外壳 b 相外壳 c 相外壳 损耗( w m ) 2 8 3 l2 8 3 l2 s 3 l2 6 9 江苏大学工程硕士学位论文 由于壳外磁场不受外壳涡流的影响。所以外壳在课外磁场的作用下将产生 1 0 0 h z 的电动力n7 1 。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 2 。外壳主要受n x 方向的 电动力，在y 方向上接近为0 。表2 2 只表示外壳x 方向的电动力。 表2 2 不连封闭母线外壳受力 外壳a 相外壳b 相外壳 c 相外壳 电动力幅值( n m )7 6 3 3 2 4 2 2 8 5 8 电动力相角( d e g r e e ) 2 1 45 1 6 1 7 3 2 2 2 全连离相封闭母线磁场分析 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1 ：1 的变压器 来分析。 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，其计算参数参见表2 3 。当母线中有电流厶通过时，外壳回路有感应电流岛通 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 单独与副边链穿的磁通，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。 表2 3 封闭母线主要技术参数 额定i u 压 2 0 k v 额定i u 流 1 2 0 0 0 a 次暂态路电流初始有效值i ” l o o k a 短路冲击也2 i j ：c 峰值j c 。 3 0 0 k a 母线导体外径 4 5 0 r a m 母线导体厚度 1 3 衄 外壳外径 9 5 0 衄 外壳厚度 7 咖 相问足【i 离1 2 0 0 衄 绝缘了支持方式二绝缘了 1 0 幽27 伞连封口j 母线 222 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 与不连封向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。外壳短路板的尺寸参数与材料属性如表 2 4 。短路扳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( h 。) 为6 0 。c 。 衰2 4 短路板参数 根据表2 3 、表2 4 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 路板的环流，应对外壳的端面与短路板的环流，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扳的外端面为等位面。 幽28 全近圭j 闭母线磁场分析模型 对三相母线加1 2 0 0 0 a 的交流电。相位互差1 2 0 。图29 是全连封闭母线外壳 江苏大举工程硕士学位论文 连接处截面的场分却。 幽2 9 全连封闭母线磁场分布 与不连封闭母线磁场分布相比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) 如此之小外壳中的临近效应 涡流必然也很小，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，但要用剩余电流代替母线电流。 表2 , 5 三相全连封6 玎母线电流 j 图21 0 三相垒连封闭母线电流向量图 江苏大学工程硕士学位论文 通过a n s o f t 后处理可以得到外壳的环流和三相的剩余电流，如表2 5 。图2 1 0 是母线，外壳电流相量图。m 表示母线，w 表示外壳。外壳感应处与母线电流方 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【1 8 】。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环流引 起的外壳损耗可以忽略不计。 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试验，得到外 壳环流于母线电流之比叫， ，在相间距离和外壳半径之l 匕s d k = i 5 时约为9 5 ，并 随着册i 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于母线电流量值相等，相位相差1 8 0 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 o f t 后处理可以得到全连接封闭母线的损耗于外壳 的环流损耗。如表2 6 。 表2 6 全连封闭母线损耗 i 导体 a 相母线ib 相母线l c 相母线la 相外壳b 相外壳lc 相外壳l 知i 路板 j l 数值( w m ) l 2 8 3 7 l 2 8 3 7 i 2 8 3 7 i 1 8 8 21 9 i 21 9 0 3 3 ，i 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 屏蔽租用使得母线不受其它两相电流的影响。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 7 ，表2 8 是母线受到的电动力。 表2 7 全连封闭母线外壳电动力 外壳a 相b 相c 相 x 方向电动力幅值( n m ) 2 1 32 6 31 9 7 x 方向i u 动力棚角( o ) 7 6 81 8 0 42 4 6 5 y 方向电动力幅值( n m ) o 8 81 0 8o 8 2 y 方向i 乜动力相角( o ) 7 5 80 26 6 8 表2 8 全连封闭母线母线电动力 母线 a 相b 相c 相 x 方向电动j 幅值( n m ) 2 4 72 6 61 9 4 x 方向 乜动j 相角( o ) 8 4 21 8 0 62 3 4 1 y 方向电动力幅值( n m ) 1 0 21 1 l0 8 0 4 y 方向l 乜动力相角( o ) 8 4 2o 5 5 4 4 江苏大学工程硕士学位论文 2 3 本章小结 不连封闭母线由于邻相电流感应而产生涡流，并造成一定功率损耗。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n ； i - 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。 1 4 江苏大学_ t - 程硕士学位论文 第三章全连封闭母线工程设计 3 1 机械强度计算 3 1 1 导体固有振动频率计算 离相封闭母线导体的短路电动力是同相均匀分布荷载，频率等于5 0 h z 。而母线 导体发生响应的固有频率最主要的是主频率，即阶次与跨数相等的频率，其它频 率均不需考虑。 f = ( 1 5 7 入1 2 ) 4 ( e j m ) ( 3 1 ) 式中：l 一母线导体跨距，厘米： 入一与导体跨距有关的系数： j 一母线导体断面惯性矩，c m 4 ： j = ( t r 6 4 ) ( d 一4 _ d 4 ) = ( 3 14 6 4 ) ( 5 0 4 4 6 8 4 ) = 7 12 8 0 3 9a m 4 ： m - 母线导体单位长度质量，k g s 2 c m 2 ： m = s r g ： s 一导体截面面积c m 2 ； s = t r 5 。( d _ - 5 。) = 3 1 4 x1 6 x ( 5 0 1 6 ) = 2 4 3 1 6a m 2 ： r 一导体材料比重k g c m 3 ： g 一重力加速度，g = 9 8 1c m s 3 ： m = 2 4 3 1 6 x 2 7 x1 0 一9 8 1 = 6 6 9 2 x1 0 。4 ( k g s 2 c m 2 ) ： b - 母线导体材料弹性模量，k g c m 2 ： e = 0 7 1 0 6 k g c m 2 ： 3 1 2 确定跨距范围 为了保证在5 0 h z 下不发生共振，导体的固有振动频率应在3 0 - 一7 0 h z 以外，以此 确定跨距取值范围为： 当f 3 0 h z 时： 1 ( 1 5 7 h 3 0 ) ( e j m ) l 2 ( 3 2 ) 当f 7 0 h z 时： 江苏大学工程硕士学位论文 1 。 ( 1 5 7 h 7 0 ) i f ( e - j m ) 忱 ( 3 3 ) 分别计算单跨( h = 1 ) ，双跨( h = 1 5 6 3 ) ，单跨有外伸( h = 1 5 4 2 ) 三种情况，将值代入 式( 3 2 ) ，( 3 3 ) 进行计算，计算结果列入表3 1 中。 表3 1 跨距计算结果 跨数和跨距单跨舣跨单跨有外伸 1 - ( 3 0 1 - 1 z 卜限) ( c m )6 7 2 2 38 4 0 4 28 3 4 7 6 l 2 ( 7 0 h z 上限) ( c l i i ) 4 4 0 。0 85 5 0 。1 85 4 6 4 8 避开共振允许跨距( c l l l )l 4 4 0 0 8 或l 5 5 0 1 8 或1 5 4 6 4 8 或 1 6 7 2 2 3l 8 4 0 4 2 l 8 3 4 7 6 3 1 3 导体短路电动力计算 外壳全连式离相封闭母线由于相邻交流磁场被屏蔽，使导体的短路电动力只 包含5 0 h z t 频分量和直流分量，其峰值出现在短路后的几个周波内导体的最大 短路电动力f 。，按下式计算： f 一= 2 0 4 1 0 - s ( i - ，) 2 a i ( a ( 1 + e 1 m )( 3 4 ) 式中：i ”。，一三相次暂态短路电流幅值，单位：a i ”。= 2 8 5 = 1 2 0 2 0 8 k a a 相间距离a = 1 4 0 c m ： k - 壳内磁场的直流屏蔽系数： 查表得：k a = 0 5 0 4 ： t 一壳内磁场达到最大值得时间： 查表得：t = 0 4 8 5 t 。一短路电流非周期分量衰减时间常数，t 8 = o 3 0 s 。 代入( 3 4 ) 式得： f = 2 0 4 1 0 。8 1 2 0 2 0 8 2 1 4 0 o 5 0 4 ( 1 + e 吨4 黯m3 ) = 1 2 7 1 9 ( k g c m ) 封闭母线应能承受短路时最大电动力的作用而不致受到损害和破坏，必须进 行机械强度方面的计算： 在计算发电机主母线的短路电动力时，以发电机或系统提供的三相短路电流 中最大者时主母线短路电路产生的电动力为最大，因此在计算时以三相短路电动 力公式计算，三相短路时母线受力图如图3 1 。 1 6 江苏大学工程硕士学位论文 图3 1 三相短路时母线受力图 ：_ x 3 x 1 0 - 7 k q ( 1 + 粤e - t t a ) ( 3 5 ) jz 式中： f m 缸三相短路电动力( n m ) 5 s 相间距离s = 1 5 m ： i m 三相短路电流交流分量起始幅值i m = 2 7 0 k a ； 3 1 4 导体应力和强度的验算 将导体看成是固定在绝缘子上的连续梁，则短路时的最大应力为： o l = f - l2 8 w( 3 。6 ) 式中：f 。广一导体的最大短路电动力，f 一= 1 2 7 1 9 ( k g c m ) ： l 跨距( a m ) ：卜导体的断面系数： w = ( 丌3 2 ) ( d j - d 2 ) d - = ( 3 1 4 3 2 ) ( 5 0 4 4 6 8 4 ) 5 0 = 2 8 5 1 2a m 3 ： 根据0 o ，确定跨距最大值。 o = 7 0 0 k g c m 2 1 。= x m 8 w f - 4 ( 7 0 0 8 2 8 5 1 2 1 2 7 1 9 ) = 3 5 4 3 ( c m ) 故在1 3 5 4 3 c m 下，满足应力要求。 综合振动频率和应力对跨距的要求，确定跨距l 4 4 0 0 8 c m 。 3 1 5 封闭母线导体应力的计算 三相短路时，导体所受的力最大，因此只要导体在短路时满足要求即可。短 路时认为母线上受均布载荷q - f m 戤的作用，四支持绝缘子属于钢性固定，取 单跨距的静力梁为力学模型如图3 2 。 q 图3 2 导体静力梁力学模型 1 7 江苏大学工程硕士学位论文 根据图母线的受力情况，画出母线受力的弯矩图如图3 3 ，从分析及