GW16A-550型户外高压交流隔离开关三维电场与温度场分析

发布时间：2017-08-12 06:20

  本文关键词：GW16A-550型户外高压交流隔离开关三维电场与温度场分析

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【摘要】：高压隔离开关作为高压电网中使用量最大的高压电器设备之一,其运行可靠性与使用寿命将直接影响电网的稳定运行。随着电网技术的迅速发展,步步提升的输电电压等级对高压隔离开关的运行性能提出更高要求,绝缘能力首当其冲将接受更为严格的考验,同时原本就未彻底解决的导电回路过热问题也将更为突出,因此隔离开关的电磁环境控制与防电晕结构设计、导电回路过热成为亟需解决的重点和难点。传统的经验设计法与现场试验法经济投入高而效率低,难以满足激烈的市场竞争与电网发展需要,故有限元法的引入可为产品的设计与优化提供新的思路与技术手段。运用有限元对隔离开关进行电场分析和温度场分析,在降低设计成本,优化产品性能的同时,亦提供了一种有效普适的设计环节与分析模式。本文针对GW16-550型户外高压交流隔离开关,围绕电场强度分析与防电晕结构设计、温度场瞬态分析两个部分进行研究,为隔离开关的设计与优化提供了可靠的参考方案与技术手段,对提高隔离开关的运行性能具有积极意义。本文首先阐述了课题的有关背景,以及研究意义与发展现状,之后就电场计算与温度耦合场计算所应用到的电磁学、传热学、数学理论基础与有限元工具进行了详细论述。为提高三维大规模有限元计算的效率,减轻计算负担,在计算之前先使用Solidworks对模型按原则进行合理简化,再使用Schwartz区域分解法结合ANSYS APDL进行迭代并行求解。电场计算结果表明,静触头、中间导电部分、导电底座电场强度较高需加以控制,故论文对该三处分别进行防电晕设计,先根据几何特性确定均压环外形,再逐一计算不同参数下的均压环对隔离开关电场分布的影响,进而通过讨论分析得出了最优均压环设计方案,可将隔离开关表面电场强度分布控制到理想结果。在温度场分析中,论文采用间接耦合法,首先对隔离开关进行涡流场分析,求出电流密度与生热作为温度计算的载荷。随后,论文充分考虑了接触电阻的影响,综合应用电接触理论与弹性力学原理,逐一计算了隔离开关主要接触部位接触电阻因发热产生的热流密度作为有限元计算的边界条件。之后,论文分析了自然对流条件下隔离开关的散热情况。温升计算结果表明隔离开关温升情况良好,将计算结果与实际试验数据进行详细对比,对比结果证明有限元计算结果具有较高的精确度。为进一步分析隔离开关性能,论文对温升计算中温度最高的动、静触头接触部位进行了独立热稳定性分析,结果显示隔离开关具有较强热稳定性,随后论文对不同触头夹紧力与不同接触面积下的温度情况分别进行讨论,得出增大夹紧力或接触面积在一定范围内能有效降低温升的结论。论文研究结果具有一定的工程实用价值与指导意义。
【关键词】：隔离开关 有限元法 区域分解法 三维电场 温升
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM564.1
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-19
• 1.1 课题背景11-12
• 1.2 课题研究目的12-14
• 1.2.1 目前高压隔离开关主要存在的问题12-13
• 1.2.2 研究意义13-14
• 1.3 国内外研究现状14-17
• 1.3.1 隔离开关行业现状14-15
• 1.3.2 有限元法研究与应用现状15-17
• 1.4 论文主要工作17-19
• 第2章 有限元法基础与应用19-30
• 2.1 有限元法的优越性19-20
• 2.2 有限元分析步骤20-21
• 2.2.1 有限元系统基本元素20
• 2.2.2 有限元分析流程20-21
• 2.3 电场有限元计算原理21-24
• 2.3.1 电场基本方程21-22
• 2.3.2 三维电场有限元分析22-24
• 2.4 温度场有限元计算原理24-26
• 2.4.1 热分析基础理论24-25
• 2.4.2 三维温度场有限元分析25-26
• 2.5 ANSYS概述及应用26-28
• 2.5.1 ANSYS APDL27
• 2.5.2 ANSYS Workbench27-28
• 2.5.3 ANSYS Maxwell28
• 2.6 耦合场分析原理28-29
• 2.7 本章小结29-30
• 第3章 GW16-550高压隔离开关电场数值计算30-47
• 3.1 GW16-550结构与原理30-32
• 3.1.1 结构组成30-31
• 3.1.2 运动原理31-32
• 3.2 几何模型处理与简化32-35
• 3.2.1 Solidworks建模工具32
• 3.2.2 计算模型处理原则32-35
• 3.3 整体有限元模型的建立与计算35-42
• 3.3.1 区域分解法下求解域划分35-37
• 3.3.2 基于区域分解的有限元网格剖分37-40
• 3.3.3 基于Schwartz交替算法的迭代载荷与求解40-42
• 3.4 整体电场计算结果校核分析42-46
• 3.4.1 静触头43-44
• 3.4.2 中间导电部分44-45
• 3.4.3 导电底座45-46
• 3.5 本章小结46-47
• 第4章 GW16-550防电晕结构设计47-58
• 4.1 静触头均压环设计47-51
• 4.1.1 设计方案47-48
• 4.1.2 四均压盘模型电场分析48-50
• 4.1.3 双均压环模型电场分析50-51
• 4.2 中间导电部分均压环设计51-54
• 4.2.1 设计方案51-52
• 4.2.2 均压环参数讨论52-54
• 4.3 导电底座均压环设计54-56
• 4.3.1 设计方案54
• 4.3.2 均压环参数讨论54-56
• 4.4 电磁干扰试验56-57
• 4.5 本章小结57-58
• 第5章 GW16-550电-热耦合场温升与热稳定性分析58-81
• 5.1 隔离开关的温度场问题58-59
• 5.2 计算模型建立59
• 5.3 GW16-550主导电部分涡流场计算59-62
• 5.3.1 前处理59-60
• 5.3.2 结果分析60-62
• 5.4 接触电阻热效应计算62-70
• 5.4.1 电接触基本理论62
• 5.4.2 接触电阻原理62-64
• 5.4.3 接触电阻计算64-66
• 5.4.4 触头接触区Hertz非线性形变计算66-67
• 5.4.5 接触电阻生热计算67-70
• 5.5 换热边界条件分析70-73
• 5.5.1 对流换热概论70-71
• 5.5.2 辐射换热概论71-72
• 5.5.3 边界条件设定72-73
• 5.6 升瞬态分析73-77
• 5.6.1 前处理73-74
• 5.6.2 温升有限元计算结果分析74-76
• 5.6.3 试验数据比对76-77
• 5.7 热稳定性分析与提升77-79
• 5.8 本章小结79-81
• 结论与展望81-83
• 参考文献83-87
• 致谢87-88
• 附录A 攻读硕士学位期间取得的研究成果88

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本文编号：660151