導(dǎo)語：10kV母線內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計論文一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

1、靜電場數(shù)值計算

靜電場數(shù)值計算方法主要有有限差分法、有限元法和模擬電荷法。這三種方法在處理簡單模型時的效果相差不多，但當(dāng)模型較為復(fù)雜時，有限差分法已基本不適用。模擬電荷法與有限元法在實際使用中各有利弊，模擬電荷法有準確度高、三維模型計算中占用計算機內(nèi)存少等優(yōu)點，但其適用范圍比較小，對于介質(zhì)種類多、具有較多過小曲率半徑的邊界的系統(tǒng)等，用模擬電荷法來計算就比較麻煩，甚至不可能。有限元法雖然在電場強度計算上與實際值有一定偏差，但可以通過細化網(wǎng)格達到減小誤差目的。本文研究的10kv母線內(nèi)部電場分布，存在3種以上的介質(zhì)、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故選用有限元法。

2、10kV母線靜電場仿真計算

2.1母線內(nèi)部結(jié)構(gòu)

基于已有的10kV母線端部結(jié)構(gòu)圖，并對其做出初步的改進。由于鋁金屬薄膜的截面是一個矩形，有四個直角，在電場中容易造成尖端效應(yīng)，使電場產(chǎn)生畸變分布不均勻。因此，對鋁金屬薄膜的截面進行倒角操作，減少尖端效應(yīng)。畫出母線端部結(jié)構(gòu)及尺寸二維視圖如圖1所示。為了能夠更好地展示母線內(nèi)部結(jié)構(gòu)，利用ANSYS生成母線端部結(jié)構(gòu)的三維視圖。母線由絕緣護套層、接地銅帶、主絕緣層、銅導(dǎo)體、鋁金屬薄膜構(gòu)成，是一個軸對稱模型，可采用PLANE121這一單元進行建模，PLANE121是一個二維八節(jié)點靜電單元，適用于軸對稱模型，適用于靜電場計算。

2.2母線材料

銅導(dǎo)線電阻率小，傳導(dǎo)過程中發(fā)熱少，電能損耗低，不易生銹，質(zhì)軟而且可以制成多股軟線，大大提高了屈折次數(shù)。鋁金屬薄膜重量較輕。

2.3母線電氣性能要求

母線采用銅導(dǎo)體，其電流密度大，電阻小，集膚效應(yīng)不明顯，無須降容使用。電壓降小也就意味著能量損耗小，最終節(jié)約用戶的投資。工頻耐壓及雷電沖擊耐壓數(shù)值，符合國家標準。其負載性能要求如下，在額定電流下，外殼的溫升符合GB/T11022–1999《高壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備標準的共用技術(shù)要求》標準要求。其短路性能要求如下，動熱穩(wěn)定試驗符合GB2706–89《交流高壓電器動熱穩(wěn)定試驗方法》標準要求。

2.4母線模型及其仿真

本文將通過ANSYS軟件建立二維電場的模型，來研究母線的電位和電場分布。ANSYS分析電磁場問題時，需要從以下3個方面進行考慮。第一由于此處只考慮單項母線，單根母線屬于軸對稱結(jié)構(gòu)，因此使用二維模型即可反應(yīng)母線電位和電場分布，從而得到符合實際的數(shù)據(jù)。第二目前電氣設(shè)備電極間電壓隨時間的變化是比較緩慢的，所以母線在任一瞬間的電場都可以近似地認為是穩(wěn)定的，可以按靜電場來分析。第三采用基于節(jié)點法的傳統(tǒng)的有限元法，其直觀性較好。

2.5母線電場計算結(jié)果及分析

做完母線模型的仿真之后，利用ANSYS軟件進行計算，提取電場強度及電位圖，結(jié)合材料的擊穿場強分析其是否滿足要求，并作出優(yōu)化，盡量減少尖端效應(yīng)，使電場分布的更加均勻。母線端部采用的多層鋁金屬膜逐漸降低電位，此處也是電場分布最不均勻的地方。在三層鋁金屬薄膜端部，其電場畸變較為強烈，但在靠近接地層的端部電場畸變最為劇烈，此處的絕緣中電場最為集中，即此處的絕緣最易發(fā)生擊穿損壞。而且可以看出，電場的不均勻也會延伸到母線的外皮處，當(dāng)外皮出現(xiàn)污穢及水滴時，在外皮也會出現(xiàn)電場集中，從而導(dǎo)致表面放電的發(fā)生。為了進一步探討屏蔽層對母線電位的影響，在母線端部無鋁金屬薄膜處、鋁金屬薄膜處和接地銅帶處沿徑向取了三條路徑。由曲線走勢可知，母線端部無接地層、金屬薄膜處電位較高，金屬薄膜處電位較低，接地層處電位最低，起點都是5774V。母線端部無鋁金屬薄膜、接地層處的電位變化平緩，鋁金屬薄膜處電位在第三層后基本無變化。由此可知，鋁金屬薄膜、接地層都起到了降低母線內(nèi)部電位的作用，使母線內(nèi)部電位變化均勻。由分析可知靜電場中某點電場強度等于該點電位梯度的負值，母線內(nèi)部電位降低，電場強度也相應(yīng)降低，從而減少母線擊穿的可能性。

3、10kV母線內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化

母線端部易絕緣老化，容易發(fā)生擊穿，縮短使用壽命，造成母線故障、發(fā)電廠和變電站停電，甚至對電力系統(tǒng)的安全運行帶來嚴重危害。利用基于有限元法ANSYS軟件研究母線的電壓和電場分布，了解母線端部絕緣老化及擊穿的原因并就此提出優(yōu)化方案。影響母線絕緣的因素有很多，本文著重對絕緣護套層中的鋁金屬薄膜部分設(shè)計優(yōu)化方案。由于母線絕緣護套端部電場比較集中，在其中加入多層鋁金屬薄膜可以強迫控制其內(nèi)部和表面的電場均勻化。本次設(shè)計采用了不同層數(shù)鋁金屬薄膜、不同布置形式的鋁金屬薄膜、直角和倒圓角之后的鋁金屬薄膜三種不同的方案，計算母線內(nèi)部電場分布并分析比較，確定最優(yōu)方案。

3.1直角和圓角截面時母線電場的計算分析

本次設(shè)計將分別對母線以直角截面和圓角截面的鋁金屬薄膜方式進行建模，其他幾何參數(shù)、載荷參數(shù)不變。鋁金屬薄膜的截面為圓角，截面為直角母線與之相比有較為明顯的尖端效應(yīng)，可能會導(dǎo)致護套層擊穿，威脅到母線正常運行，故選擇截面為圓角的鋁金屬薄膜較為合理。

3.2不同層數(shù)鋁金屬薄膜下母線電場的計算分析

本次設(shè)計分別采用2層、3層、4層鋁金屬薄膜對母線進行建模，其他幾何參數(shù)和荷載參數(shù)不變。當(dāng)采用三層鋁金屬薄膜時，母線絕緣護套層的最大場強值最小，為359.463kV/m。雖然采用四層鋁金屬薄膜時母線絕緣護套的電場分布比3層的稍微均勻些，但是不明顯，而且絕緣化套層采用的是硅橡膠材料，其擊穿場強為25000kV/m，比最大場強高2個數(shù)量級，在正常情況下是不會發(fā)生擊穿的，處于經(jīng)濟性的考慮，采用三層鋁金屬薄膜最佳。

3.3兩端對齊、階梯式布置時母線電場的計算分析

本次設(shè)計采用兩端對齊布置的鋁金屬薄膜對母線進行建模，計算母線電場分布，將其與鋁金屬薄膜階梯式布置時母線電場分布進行對比。其他幾何參數(shù)、載荷參數(shù)不變。得到的絕緣護套層端部電場強度為499.552kV/m，比階梯式布置方案下的最大電場強度大100kV/m，而且兩端對齊布置的鋁金屬薄膜端部的電場較為集中，不如階梯式布置的均勻。階梯式布置的鋁金屬薄膜，第一、二層鋁金屬薄膜的端部分別處在第二、三層鋁金屬薄膜的中間位置處，使得電場不那么集中，過度平滑且分布更加均勻。故母線中鋁金屬薄膜的階梯式布置更為合理有效。

4、結(jié)束語

本文主要完成10kV母線內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化。通過高壓靜電場的數(shù)值計算方法，掌握有限元法的原理及其存在的問題。利用ANSYS軟件在靜電場中的應(yīng)用，改變鋁金屬薄膜層數(shù)、形狀、布置形式進行對母線進行建模，計算并分析相應(yīng)的電場分布結(jié)果。通過對三種方案的計算結(jié)果進行對比分析，得出母線中的鋁金屬薄膜采用圓角截面、三層階梯式布置是最佳的可行的優(yōu)化設(shè)計。

作者:陳道龍朱永飛楊璐張宇嬌單位:國網(wǎng)安徽繁昌縣供電公司