GIS长母线基于温度场的应力仿真浅析

Science&TechnologyVision科技视界GIS长母线基于温度场的应力仿真浅析刘春梅李阳张亚东殷东洋渊河南平高电气股份有限公司袁河南平顶山467001冤揖摘要铱由于导体温升和环境温度变化等因素袁GIS长母线壳体产生热伸缩遥在高海拔大温差地区袁GIS长母线本身结构难以补偿由于温度变化引起的筒体变形袁从而在筒体某些部位产生裂纹或开裂遥针对以上问题袁本文通过温度场仿真计算袁得出由于温度场变化产生的应力变化袁为GIS母线波纹管的配置和结构设计提供仿真分析支撑遥揖关键词铱GIS长母线曰波纹管曰温度曰应力曰仿真分析中图分类号院TM934.1文献标识码院ADOI院10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.18.0270引言GIS长母线在运行中受到环境温度的变化袁母线筒体及筒体的固定支撑处要承受温度变化产生热应变和应力袁由于固定支撑开裂可能会导致GIS气体泄漏等危险袁为变电站带来了安全隐患[1-3]遥由于材料的热胀冷缩效应袁当环境温度降至最低时袁GIS长母线尺寸会缩小到最小袁当环境温度升高最高温度时袁GIS长母线尺寸会膨胀到最大遥以青海地区为例袁变电站最高年温度为38益曰最低年温度为-32益遥本文通过对110kVGIS长母线进行电磁场和流场计算袁以获得额定容量下母线的温升遥母线温升和最高环境温度叠加作为热变形计算的最高温度袁由于GIS母线安装温度不定袁本文取-32益作为计算的最低温度遥1电热偶合仿真发热主要涉及到主回路电阻损耗尧筒体涡流损耗尧集肤效应和导体的电阻温度系数等[4-5]遥由于几何形状复杂袁解析公式难以直接计算导体发热功率袁本文采用ANSOFTMAXWELL软件的传导场模块计算导体的发热袁集肤效应尧涡流损耗等因素通过等效电阻率的方法予以考虑遥导体内部通50Hz交流电时袁编号为k的导体单元内部任一点P处的传导电流密度如式渊1冤所示遥渊1冤式渊1冤中袁Jm为P点的电流密度峰值曰t为时间遥假设导体材料各向同性袁则传导电流引起的发热损耗密度如式渊2冤所示遥渊2冤54科技视界Science&TechnologyVision文章编号院2095-2457渊2019冤18-0054-002式渊2冤中袁滓为导体电阻率遥单元k的发热功率如式(3)所示遥通流导体总发热功率如式渊4冤所示遥式中袁n为导体单元数量遥在交流电作用下袁编号为k'的绝缘件单元介质功率如式(5)所示遥绝缘件总的介质损耗功率为院式渊6冤中袁n'为绝缘件单元数量遥2仿真分析计算图1长母线电磁场计算几何模型选取GIS长母线最长跨度的母线进行分析袁对母线进行温升计算遥由于沿母线长度方向的电磁边界相同袁这里选取其中1米长的一段母线进行校核遥渊3冤渊4冤耗渊5冤渊6冤筒件磁损条电Science&TechnologyVision科技视界场计算的三维模型如图1所示遥由电磁场计算方程袁考虑筒体的涡流损耗袁得出院渊7冤式中袁A为矢量磁位袁滋为非导磁材料的磁导率袁滓为筒体的电导率袁赘0为求解区域袁赘1为无穷远边界袁A0=0遥[9-10]施加50Hz交流电袁在考虑导体集肤效应尧筒体涡流效应的基础上袁计算母线筒整体发热损耗遥0相位情况下110kVGIS母线磁场分布如图2所示遥图20相位角情况下110kVGIS母线磁场分布0相位情况下110kVGIS电流密度分布如图5所示遥将损耗发热功率施加到fluent里面作为发热源袁进行流场计算遥由于速度边界层和温度边界层的存在袁要求有高质量和足够数量的边界层网格来捕捉温度和速度的急剧变化遥由于沿筒体长度方向边界条件相同袁这里采用二维平面模型来进行模拟遥提取筒体表面温度分布如图3所示遥图3筒体表面温度分布得筒体表面平均温度为293K袁则筒体温升为20K袁即20益遥设定最高温度为30益袁那么母线筒体可能出现的最高温度为50益遥考虑到年最低气温袁筒体热变形计算温度变化范围为-32益~50益遥考虑-32益~50益的温度变化袁同时施加两端两个盲端的压力遥将母线筒的固定支撑处固定袁则温升引起的变形多不到释放袁会在母线筒上引起热应变袁进而产生热应力遥图4固定支撑处附近局部应力分布由图4分析得出袁由于波纹管的作用袁固定支撑处最大应力由865Mpa降低到662Mpa遥但是袁由于盲端压力引起的变形不能被中间的波纹管平衡掉袁支撑处应力依然很大袁超出强度极限袁仍然存在开裂的危险遥在平衡掉两端盲端压力的影响袁仅考虑温度变化的作用袁在波纹管的作用下袁母线筒整体应力降到141.5MPa袁已经降低到材料强度以下遥3试验验证模拟相同尺寸的GIS长母线进行额定电流下的温升试验遥温升试验时在筒体上进行埋点袁按照温升试验规定进行试验袁最终得到筒体的温度如表1所示遥表1GIS长母线温升试验测量值埋点1埋点2埋点3埋点4均值温升20.319.820.020.920.25通过试验可以看出袁GIS长母线的温升均值为20.25K袁与仿真计算结果接近遥4结语本文通过温度场仿真计算袁得出由于温度场变化产生的应力变化袁筒体温升为20K袁并通过试验验证了仿真分析结果的准确性遥通过本文的研究袁为GIS长母线支撑和波纹管的配置和设计提供了重要参考依据遥揖参考文献铱咱员暂贾耿锋袁李军袁蒋晓旭袁等.GIS母线用热补偿型波纹管伸缩量设计分析[J].电气工程学报袁2017袁12(6):36原40.咱63圆暂罗四娇.GIS母线设计及工程应用[J].电气时代袁2017(11):咱咱猿原源暂66.暂林宋莘帆.袁现申代春高红电袁林压莘技袁术等[M.800kVGIS].北京院机隔械离工开业关出磁版场社-温袁2011.度场计算与分析[J].高压电压技术,2008,34渊7冤袁1383-1388.咱缘暂范镇南袁罗永刚援内部导体结构对GIS母线损耗发热的影响[J]援电机与控制学报袁2011袁15(5)院22-27.Science&TechnologyVision科技视界55