基于多物理场仿真的GIL的优化设计外文翻译资料

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基于多物理场仿真的GIL的优化设计

摘 要：气体绝缘变电站（GIS）在过去的几十年中得到了广泛的应用。与传统的空气绝缘变电站（AIS）相比，它们具有多个优点，包括优越的绝缘强度，有限的空间要求。气体绝缘母线（GIB）是GIS中的关键部分，因为它是用于分接电源以随后分配给各种互连组件的组件。它的故障将会带来严重的后果。因此，制造商面临着将GIB中的功率损耗降至最低的任务。标准对导体和外壳的温升上限规定了严格的规范。GIB中的焦耳损耗是温度升高的主要热量来源，并且取决于额定电流，几何尺寸和电阻率。此外，肌肤效应导致电流分布不均匀，从而导致更大的损耗。本文建立了GIB的二维有限元模型，并利用电磁分析来估计导体和外壳在最大工作温度下的额定电流下的功率损耗。对于用于研究和分析的GIB，按照CIGRE工作组中规定的程序使用理论方法计算损失比较仿真值和理论值并进行交叉验证。

关键词：气体绝缘母线；电磁分析；有限元分析；

1 介绍^[1]

在过去的几十年中，气体绝缘变电站和气体绝缘输电线路（GIL）获得了很多优势。与传统的空气绝缘变电站（AIS）相比，它们具有几个优点，包括优越的绝缘，减少的空间需求，减少的磁场和高可靠性。

在GIS或GIL中，母线也通过SF₆气体绝缘。这样的设置包括气体绝缘母线（GIB）。GIB由圆柱外壳中的导体组成。由于该空间是化学稳定，不易燃，无毒的气体，介电强度为89kV/cm，是空气的三倍，因此该空间始终充满绝缘气体SF₆。

导体通常由铝合金制成，而外壳则根据GIB等级使用铝或钢。

2 电力损耗

由于导体材料的电阻引起的焦耳损耗，GIB中额定电流会导致功耗。功耗会导致热量，从而导致GIB的工作温度升高。文献4规定了开关柜各部分的温升极限。焦耳损耗是温度升高的根源，因此有必要估算GIB导体和外壳中的功率损耗。

对于GIB的设计，总线的额定电流受到所允许的最大温升限制。

在过去的十年中，一些研究人员试图为GIB的功率损耗和温度升高问题提供解决方案。在这种情况下，值得注意的是文献12和16中已经讨论了外壳中涡流的有关的表达式。

3 使用麦克斯韦方程组的模型

GIL和GIS通常的额定电流会超过1kA。电流的通过导致导体中的功率损耗。该损耗的大小由导体的界面剂和材料的电阻率决定，功率损耗由如下公式所示：

（1） 其中，I是额定电流，R是材料的电阻。根据麦克斯韦方程，圆柱形导体中交流电的流动会引起时间变化的同心磁场。

（2）

其中B是磁通密度，是磁导率，J是电流密度。

根据法拉第定律（3），磁通量与外壳相连，以感应出随时间变化的电动势（EMF）。

（3）

其中E是电场强度。

由于外壳已经接地，因此存在一个封闭的路径供EMF流通，称之为外壳电流，相对于导体电流，它具有接近180度的相位滞后，感应电流往往会达到额定母线的电流的90%，此外，集肤效应趋于引起导体和外壳内电流的不均匀分布。大多数电流（63%）倾向于在狭窄的区域流动。

（4）

趋肤深度取决于电阻率（）、磁导率（）、和角频率（），为了抵消由集肤效应所引起的损耗加剧，GIB设计为了一个空心圆柱体，其厚度等于材料的肌肤深度，另外，两条导体在相反的方向上承载电流。邻近效应会导致电流分布不均匀。电流倾向于挤入组件的近表面。

由于已知额定电流的大小，因此可以获得导体电流密度的值。然而，先验的外壳电流密度和分布是未知的。磁矢量势（MWP）公式用于导出外壳中电流密度的表达式。

（5）

对于一个简单的例子，我们使用库伦计（6）：

（6）

电流密度与电场之间的关系为：

（7）

通过式子（2）（3）（5）（6）和（7），我们可以得到（8）：

（8）

在（8）式中，

通过解出（8）式，我们可以得到（9）：

（9）

4 吉布模型的建立与发展

在过去的几十年中，气体绝缘变电站和气体绝缘输电线路（GIL）获得了很多优势。与传统的空气绝缘变电站（AIS）相比，它们具有几个优点，包括优越的绝缘，减少的空间需求，减少的磁场和高可靠性。

有限元程序包ANSYA用于求解作为偏微分方程的（8）以此获得GIB的二维模型。文献8中提到的模型可以作为参考。将此工作与文献8中的数值进行比较以验证其准确性。但是，要注意的是，文献8中通过评估功率损耗对GIL进行了热分析。由于仅考虑二维模型，因此GIL可以近似为GIB模型的特定情况。在二维模型的开发中，我们也进行了如下的假设：第一材料属性是一直不变的；第二假设GIB的长度是无限的，以每米作为单位评估损耗；第三位移电流可以忽略不计；第四接地阻抗可以忽略不计；第五由于自感和互感会导致可忽略的损耗，因此未进行建模；第六不考虑支撑绝缘子的作用，使用的参数是文献8中所给的参数，如表1所示。

在这项工作用，如图1所示，利用ANSYS制定并开发了GIB的二维模型。PLANE 53是模型9中使用的元素。导体和外壳都被建模为带有耦合的电压自由度（DOF）的大电流导体。网格划分是通过手动选择完成的，有较细的网格对截流区域建模，以捕获肌肤效应，当外壳电压DOF设置为零以模拟接地时，在导体上施加任何5kA的额定电流作为节点负载，结果总结表在表2中，导体损耗接近匹配，而氪损耗则高得多，这可能归因于以下假设：忽略接地阻抗的作用，导致更大的电流，从而导致更高的损耗。

图1 在ANSYS中开发的GIB模型

Fig.1 GIB model developed in ANSYS

图2显示了由磁场硬气的磁场分布主导体中的电流。显然，峰值接近导体，并且随着距离的增加而线性减小，当他接近外壳时，观察到电场急剧下降。这是由于外壳中感应电流的流动引起的相反磁场对磁场的抵消。

表1 GIB模型的参数

TABLE.1 PARAMETERS OF MODEL GIB

表2 模型的功率损耗比较

TABLE.2 POWER LOSS COMPARISOM FOR MODEL

外壳中的感应电流大于额定母线电流的90%，由于此处开发的模型忽略了接地阻抗，因此感应电流几乎是额定电流的100%，相应的，感应电流损耗的份额则仅是外壳电阻的函数，文献1中还提到对于三相GIL，耦合系数为0.99。从表2中比较可以推断出本研究中由有限元模型估算的损失是相当准确的。因此相同的表示用于建模420kV，4kA，50Hz的GIB。

5 理论模型

气体绝缘电缆的功率损耗在CIGRE工作组的研究中心进行了描述。提供的只能用于计算单芯、刚性、圆柱型在功率频率下的连续额定电流，使用气体绝缘的水平放置自然冷却电缆，该方法考虑了趋肤效应的影响并计算了最大工作温度下的功耗，还估算了气体的热阻并给出了一个表达式用于对流和辐射的热传递，但是，在这项工作中，没有考虑热传递的影响，我们评估了导体和外壳的功率损耗，并考虑了趋肤效应的情况。

CIGRE模型用于文献8的GIB模型中，损耗列于表2。可以看出，与表2的模拟结果类似，功率损耗在导体中是相匹配的，而在外壳中却是发散的。这可能是由于以下原因：值得注意的是，实际上，导体和外壳电流不会发生100%的耦合，文献1中提到的值是95%，而报告并指出接近99%的糊合。文献13对于在无穷大处趋于零的电场做出了研究分析，但CIGRE模型没有考虑到这一点，而是提供了一种针对外壳损耗占导体损耗百分比的计算程序。

6 对420kV的GIB分析

与参考GIB模型相比，从ANGRE仿真和CIGRE研究组的理论方法获得的结果相当准确。因此，这两种方法可以用于估算420kVGIS母线的功率损耗。参数总结在表3中。最高工作温度限制在IEC-60694[4]中指示。二维GIB模型如图2所示。

表3 420kV的GIB参数

TABLE.3 PARAMETERS OF 420kV GIB

图2 ANSYS中420kV GIB模型

Fig.2 GIB model developed in ANSYS

根据IEC-60694在规定的温度限制下进行仿真。但是，实际上，给定GlB的最大工作温度值是通过在GIB设置上通过额定电流并在一段时间内对GlB中各个点的温度升高值求平均来执行类型测试而获得的。制造商确保温升的型式测试值完全在规定的范围内。因此，在评估最大允许温度上升时会高估这项工作中的功率损耗。它为给定的GIB设计提供了一个上限。

表4和5提供了给定GIB的功率损耗值。图3显示了电流密度矢量分布，图3显示了GIB外壳中的功率损耗和ANSYS中的功率损耗。从表4和表5可以得出，两种方法（理论和仿真）获得的损耗值非常接近。

表4 GIB的ANSYS功率损耗

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