母线槽温升试验的智能仿真_陈飞.pdf

/母线槽温升试验的智能仿真陈飞（扬中市检验检测中心）摘要：近年来，国家经济高速高质量发展，各行各业的用电量不断增大，母线槽的应用更加广泛。温升试验是母线槽试验的关键试验项目，如何更好地了解母线槽温升的实际情况，利于企业摸清产品质量，进行技术创新是值得研究的课题。对母线槽温升试验的智能仿真，通过软件的仿真设计能够较好地对温升情况进行初步的预判，大幅提高企业设计研发的效率，对实验室母线槽温升试验也有巨大的帮助。关键词：母线槽；温升；仿真 引言母线槽广泛应用于输配电系统中。母线槽温升试验是实验室母线槽试验的重要项目。实验室温升试验的平台的可靠性，母线槽样品的温升实际情况等可以通过智能仿真进行验证。这些技术的应用能够更好地服务经济的高质量发展，服务全面建设社会主义现代化国家。温升试验平台的简单介绍目前温升检测系统主流设备由多磁路大电流发生装置和交流恒流源试验装置构成，多磁路大电流发生装置能够提供比较大的输出电流，交流恒流源试验装置依据所要求的电流等级进行配置，常选择多套设备进行试验电流的全覆盖，实现精细调控。由于母线槽在产品结构、工艺、用途有很大不同，需要搭建不同的检测平台，比如母线普通温升试验平台，母线防火、耐火试验平台、母线短时耐受电流试验平台等等。本文仿真验证的母线槽测试平台主要包括电源模块、控制模块、检测模块、显示模块等。电源模块与控制模块是温升试验的关键部分，以大电流发生装置为核心的电源模块，配以相适宜的检测模块。母线槽热性能研究现状简介有许多学者致力于母线槽热性能研究，也取得很大的成绩。古海良 等人分析预制母线在不同负荷条件下的温升分布。通过仿真计算得出，即使给母线通 .倍额定电流，温升也不超过国家标准温升要求，另外导热系数的增加和提高环境风速对母线有明显的降温效果。王佳培 设计一种母线槽接头的强迫风冷散热方法，通过仿真计算验证强迫冷风散热的有效性。同时得出对于相同的进风量，两边相进风方式的散热效果最好。孙国霞等人 通过合理简化接头结构，在计算流体力学理论的基础上采用多组分传输方法计算母线内外不同气体的热对流。并通过实测值表明母线温升计算模型的有效性。等人 采用铜导体和锡作为中性线组成的夹层母线组件经过数值分析以确定热性能，将传热系数和温度分布的变化与具有两种不同绝缘的母线组件进行比较，结果表明，就传热系数和组件的温度波动而言，级绝缘优于 级绝缘。母线测试平台仿真模拟验证（）有限元法有限元法是一种高效的数值计算方法。在温度场、电磁场等以拉普拉斯方程和泊松方程所描述的物理场中被广泛应用，它的原理是利用有限的单元来接近拥有无限未知量的真实物理系统。首先要将研究对象剖分为有限个单元集合。想要获得的结果越精确，网格就需要划分得越细致，但是这会使计算量加大，因此为了减小计算量可以在结构反应变化程度小处的网格粗糙一些，结构反应变化程度大处的网格精细一些，对于三维仿真模型，一般采用六面体或是四面体网格。然后，将每个满足插值条件的单元基函数代入积分方程进行积分，得到单元有电气技术与经济 技术与交流 /限元方程。整体有限元方程通过累加单元有限元方程得到，施加边界条件后，通过有未知量的有限元方程组来计算每个节点的函数值。（）母线热分析有限元模型参数在对母线槽进行温升仿真之前，首先需要对母线槽进行三维建模。本文使用 软件进行建模，模型的节点总数为 ，单元规模为 ，其中四面体数为 ，六面体数为 。密集型母线槽分为 层：母线铜导体层、壳内绝缘层、外壳层及壳外空气层，其整体结构如图 所示。母线槽由 始端，直线段，直线段，通过连接器连接，尾部进行短接。截面结构图如图 所示。图 密集型母线槽整体结构图 密集型母线槽截面结构图表 列出定量分析的密集型母线槽模型的主要参数。表 是母线槽中各类材料参数表。表 模型参数表模型参数数值额定电流 母排横截面尺寸（）母排间绝缘的厚度 母排与外壳间绝缘的厚度 外壳宽度 外壳高度 左右侧外壳厚度 上下端外壳厚度 表 材料属性表部件材料电阻率（）热导率 （）发射率铜母排.（.）铝合金外壳.聚酯绝缘层.钢 .（）母线荷载及相互作用施加选用热电耦合求解密集型母线槽的温度场。荷载和相互作用有：设置环境温度 ，与试验值一致 时空气的物理参数见表 ；设置外壳外表面的对流散热系数；设置三相电流，均为 ；设置外壳外表面的发射率，由于密集型母线槽接头处结构紧凑，内部存在空气的空间十分狭小，母线之间几乎不存在空气流动，此外，铜的表面的发射率为 .，铝 合 金 和 钢 表 面 发 射 率 分 别 为 .和.，是铜的 倍和 .倍，因此接头处内部的热对流以及热辐射均可忽略不计。表 时空气的各项物理参数空气各项参数数值导热系数 （）.比热容 （）体积膨胀系数 （）.导温系数 （）.运动粘度 （）.（）母线外壳对流散热系数的计算根据传热学的相关理论可知，热传递的基本方式有三种，分别是热传导、热对流以及热辐射三种。在母线槽中，主要散热过程为导体的热量通过热传导的方式传至外壳的表面，外壳表面热量通过热对流以及热辐射的方式向外界空气散出，当生成的热量与散出的热量一样时就达到了热平衡状态。热对流是流体通过固体表面时，如果流体与固体的温度不同，将导致流体各部分发生扰动和混合，发生热量传递。在母线槽左右外壳以及上下盖板均会与外界的空气发生对流散热。对流散热系数可由下列公式计算：（）式中，为努谢尔数；为流体的导热系数，；为外壳的尺寸特征，。电气技术与经济 技术与交流 /其中，努谢尔数 为：（）（）式中，为格拉晓夫数；为普朗特尔数；，为常数，表 给出不同流态对应的 与 值，考虑是大空间的自然对流 取 .，取 .。格拉晓夫数 可以视为流体浮力与粘性力的比值为：（）式中，为重力加速度，；为流体的容积膨胀系数，；为流体与壁面的温差，；为流体的运动粘度，。普朗特尔数 反映流体动量扩散能力与热量扩散能力的对比关系为：（）式中，为流体的导温系数，。对于大空间的自然对流，约为 .。表 不同流态对应的 与 值流态参数系数 及指数 数适用范围层流.过流.湍流.密集型母线槽的散热面主要有主顶面、主底面、主侧面、辅助散热顶面、辅助散热底面以及辅助散热侧面。取环境温度 ，经查表计算，母线槽外壳各个表面的对流换热系数见表 。表 母线槽各个外表面的对流换热系数（）母线槽外表面对流换热系数主顶面.主底面.主侧面.辅顶面.辅底面.辅侧面.（）母线槽仿真计算结果对密集型母线槽温升进行仿真计算，为了与试验值对比，选取与试验相同的位置：相线电源进线端、相线始端母线与中间段母线固定连接处、相线中间段母线与尾段母线固定连接处、电源出线端以及中间段侧面的外壳中间处这四点，如图 所示。（）试验与数值模拟对比分析母线槽的温升是指母线在通额定电流运行稳定后其导体或者外壳上的温度相对于环境温度的升高值，所以图所示的温度均需减去环境温度 才是该点的温升值。现将有限元计算温升值与上述试验温升值进行对比，如表 所示。(a）B 相线1 m 始端温度分布(b）B 相线3 m 直线段温度分布(c）B 相线2 m 直线段温度分布(d）电源出线端温度分布(e）中间段侧面的外壳温度分布+8.2 6 8 e+0 1+8.0 6 0 e+0 1+7.8 5 1 e+0 1+7.6 4 3 e+0 1+7.4 3 4 e+0 1+7.2 2 6 e+0 1+7.0 1 7 e+0 1+6.8 0 9 e+0 1+6.6 0 0 e+0 1+6.3 9 1 e+0 1+6.1 8 3 e+0 1+5.9 7 4 e+0 1+5.7 6 6 e+0 15 8.0 5 8 1.1 0+8.4 2 2 e+0 1+8.3 4 1 e+0 1+8.2 5 9 e+0 1+8.1 7 8 e+0 1+8.0 9 6 e+0 1+8.0 1 5 e+0 1+7.9 3 4 e+0 1+7.8 5 2 e+0 1+7.7 7 1 e+0 1+7.6 8 9 e+0 1+7.6 0 8 e+0 1+7.5 2 7 e+0 1+7.4 4 5 e+0 1+8.4 1 8 e+0 1+8.2 9 9 e+0 1+8.1 8 0 e+0 1+8.0 6 0 e+0 17.9 4 1 e+0 1+7.8 2 1 e+0 1+7.7 0 2 e+0 1+7.5 8 3 e+0 1+7.4 6 3 e+0 1+7.3 4 4 e+0 1+7.2 2 4 e+0 1+7.1 0 5 e+0 1+6.9 8 6 e+0 1+7.0 6 6 e+0 1+6.7 7 9 e+0 1+6.4 9 2 e+0 1+6.2 0 5 e+0 1+5.9 1 8 e+0 1+5.6 3 1 e+0 1+5.3 4 5 e+0 1+5.0 5 8 e+0 1+4.7 7 1 e+0 1+4.4 8 4 e+0 1+4.1 9 7 e+0 1+3.9 1 0 e+0 1+3.6 2 3 e+0 1+6.6 2 2 e+0 1+6.5 6 3 e+0 1+6.5 0 4 e+0 1+6.4 4 5 e+0 1+6.3 8 7 e+0 1+6.3 2 8 e+0 1+6.2 6 9 e+0 1+6.2 1 0 e+0 1+6.1 5 1 e+0 1+6.0 9 2 e+0 1+6.0 3 3 e+0 1+5.9 7 5 e+0 1+5.9 1 6 e+0 18 1.7 5 8 4.2 0 电气技术与经济 技术与交流 /图 密集型母线槽部分温度场分布表 有限元计算温升值与实测温升值对比（）比较项目电源进线端始端母线与中间段母线固定连接处中间段母线与尾段母线固定连接处电源出线端外壳有限元值 .实测值 .相对误差.从表 可知，有限元与实测值的相对误差均在 以内，有限元值与试验值比较吻合，可见本文所开发的智能化母线测试平台能够准确测出密集型母线槽的温升，同时也更加方便。存在误差的原因主要包括有限元模型与实验试件难以完全一致、人为操作使得试件接触不够紧密影响较大，因此所得结果之间存在一定的误差。结束语通过智能仿真，验证母线槽温升的试验平台的可靠性，与母线槽实际温升值比较吻合，利于整个母线槽行业、工程电气行业的技术提升，推动产业结构升级，服务高质量发展，助推我国社会主义现代化建设。参考文献 古海良，周继贺，蒋文明，等.低压预制母线温升特性的建模仿真研究 高压电器，（）：-.王佳培.基于有限元法的封闭母线槽接头热特性分析及散热影响因素研究 济南：山东大学，.孙国霞，舒乃秋，吴晓文，等基于多物理场耦合的气体绝缘母线触头接触温升有限元计算 电工技术学报，（）：-.，.-：-，（）（收稿日期：2 0 2 2-1 0-2 8）电气技术与经济 技术与交流