降低开关装置的电流应力

作者:Balazs Novak,英国泰姆Lucy Electric公司工程师

在设备发生紧急情况,或需要进行维护时,其高压高电流电源必须能够安全快速地切断。然而,高电流会使触头之间的气体也产生导电性,产生电弧并导致电流持续流动,而持续的电流也会对母排造成额外的应力,因而像电灯开关那样只是简单地分开两个触头是不够的。Lucy Electric工程师对电动力进行了估算,同时还采用ANSYS Mechanical对特定栅片的形状、布局与耐用性进行了优化。通过使用仿真技术,Lucy Elec- tric经济而快速地提高了开关设备的性能,向市场提供优质、可靠的能源产品。

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“工程师采用ANSYS Mechanical精准评估设备内部的电应力、机械应力以及温升。”

关闭家中的电灯只需将开关中的两个触头断开。而在高电压下切断高电流的配电系统,还需要消除触头分开后在它们之间形成的电弧。具有灭弧能力的开关设备有时会将电弧导入SF6绝缘气体中,并用金属栅片将电弧分断开。汇流母排—负责将电流分配到各个开关装置的金属导体,它与开关及其控制设备共同构成了成套开关设备。Lucy Electric可制造各种能满足特定应用的中压成套开关设备,每款成套开关设备都经过精心设计,能够提供安全可靠的性能且封装紧凑、价格合理。为了满足上述要求,Lucy Electric工程师必须要精确评估稳态和瞬态条件下设备内部的应力。工程师结合使用ANSYS参数化设计语言(APDL)与ANSYS Mechanical,能精准评估上述两种工况下设备内部的电应力、机械应力和温升。

成套开关设备的设计要求

Lucy Electric power distribution solution 

Lucy Electric是二次配电解决方案领域的领导者,能够满足公共设施、工业和商业领域的需求。成套开关设备的设计必须确保在正常情况下,以及极端情况特别是短路或雷击等工况下的安全操作。另外,成套开关设备的设计人员还必须考虑市场对紧凑型解决方案的需求,设计的设备要能安装在非常拥挤的机房中。但是,缩小开关设备的尺寸会相应缩短导体之间的间隔,从而造成会导致更高的电场强度、更强的电磁趋肤效应以及更高的电动力,而最终表现为更高的机械应力。设计者需要对开关设备的设计参数进行精细调节,设备才能承受额定电压与最大电压、额定电流与最大电流以及导致的电动力,同时设备温度还 不会超过指定的最高温度。

Lucy Electric工程师使用APDL脚本和ANSYS Mechanical来评估概念设计的性能。在近期的一个项目中,工程师采用计算机辅助设计软件(CAD)创建了设备的几何模型,并将其导入到ANSYS DesignModeler中。他们在Design Modeler中对模型进行了最后的修改,如采用Enclosure功能定义装置周围的气体实体、合并实体以及将边界定义为Named Seletion。

电极间电弧运动及栅片几何结构优化

maximum field strength chart

距离断连位置的叶栅旋转角度(度)作为叶片旋转角度函数的不同组件最大场强

电弧由高温等离子体构成,其温度由电弧电流维持 。要想消除电弧并断开电流,需要降低电弧的电导率 。对于交流开关装置,每个周期电流都有过零点。在Lucy Electric中压 开关设备中,有一种开关器件采用栅片来阻断电弧的重燃 。将电弧约束在栅片边缘的小凹槽中,可提升灭弧栅的灭弧效率。不同的开关设备中可能采用其他的方法。

栅片组(splitter stack)的首个分析主要集中在触头开断时电弧到达栅片之前的受力。为此,工程师创建了多个2D模型和3D简易模型来确定哪种栅片几何结构能更有效地将电弧引入灭弧栅。这些模型可快速求解,因此工程师能够在一天内对若干种不同结构的栅片进行比对。实验室的测试结果也证明了这些仿真的准确性。

Motion of electric arc between the arc-splitter plates of a medium voltage SF6 insulated switchgear

switchgear support stress

Stress in the switchgear support

最后,工程师采用绝缘气体中运动的小圆柱体对电弧进行建模 。他们采用APDL脚本求解电弧圆柱的运动方程,包括电磁加速度和阻力制动。3D简易模型充分考虑了作用在电弧圆柱上的所有主要力。 工程师做了两个假设:电弧已到达栅片并已被栅片分隔;电弧圆柱在所有栅片之间的特性基本一致。因此仅需对两个相邻的电弧圆柱进行建模。计算结果显示了电弧运动的复杂性。电弧在被分隔后,两个相邻电弧柱之间的斥力大于铁磁栅片之间的吸力。这是Lucy Electric工程师首次成功计算电弧的运动,并确定了复杂栅片几何结构的效果。电弧运动分析显示了开关在触头开断过程中的性能。

为了研究触头在闭合时的特性,工程师采用ANSYS Mechanical的静态电介质分析功能计算开关的电场强度。如果触头间的场强过高,则会导致它们之间的气体被击穿,从而造成预击穿电弧。 在闭合过程中过早出现预击穿电弧有可能导致触头逐渐老化。为了确定是否出现或者何时预击穿电弧,工程师计算了动触头不同位置的场强,根据分析结果,他们确定了有可能在触头和栅片之间造成击穿的高应力点。实验室进一步的测试也证实了这些结果的准确性。 为了降低栅片边缘的应力,工程师改进了栅片的几何结构,以防止栅片和动触头之间的出现可能的预击穿电弧。

switchgear electric field strength

开关设备中导体与绝缘体表面的电场强度分布

 

switchgear support stress

支架应力

 

“工程师不仅能评估比过去更多的设计迭代, 而且还能在更短的时间内实现性能更好的设计方案。”

焦耳热和温升计算

开关设备的导体和触头在整个使用过程几乎都有电流经过,产生焦耳热并进而导致热负荷。为了计算短路期间导体和倾斜弹簧触头的温升,进而确定其是否超过材料极限,Lucy Electric工程师进行了瞬态电磁与热耦合的有限元分析。仿真结果显示了较高的接触电阻对电流密度分布的影响,并通过实验进行了验证。

switchgear support deformation

短路时导体与支架产生变形

 

机械应力计算

另外,高电流还会在导体中产生电动力。为了计算中压开关设备中导体及其支架在短路过程中的位移和应力,Lucy工程师进行了瞬态电磁场与结构场的耦合分析。仿真结果显示,大位移和应力源于谐振,而谐振无法通过强化现有支架消除。为了消除谐振,Lucy工程师增加了额外的汇流母排支架。

与进行样机物理测试相比,Lucy Electric工程师使用ANSYS Mechanical能以更快的速度和更低的成本对概念设计进行仿真。 Lucy Electric工程师从CAD模型入手,仅需要大约一周的时间就能完成上述的所有仿真。他们往往能够获得通过物理测试难以获取或甚至根本无法测量的结果。如果需要进行修改,他们仅需几分钟到一天的时间就能修改相关模型并重新进行仿真。重新仿真的时间取决于设计修改的程度和仿真的类型。从CAD几何建模开始,对整个单元的完整分析仅需数周的时间。因此,工程师不仅可以评估比过去更多的设计迭代,而且还能在更短的时间内实现性能更高的设计方案,同时还可有效地减少研发过程中的原型数量和测试次数。

temp vs time chart

Maximum temperature and current as a function of time

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