开关柜母线的设计与仿真分析

摘要：在现有的开关柜实心型母线的基础上，利用穿孔技术，设计了一种新型的孔洞型母线。孔洞型母线能够有效减弱集肤效应，并且达到了节省铜用量的目的。在有限元分析软件COMSOL中对母线进行建模，利用电流与温度场耦合的方法，分析比较了实心型母线和孔洞型母线的温升，得出了孔洞型母线能够有效减小温升的结论。理论分析与仿真分析均表明，文章所设计的孔洞型母线性能优良，可以在实际工程中推广应用。

Abstract： On the basis of the existing solid bus-bar in switchgear， a hole-type bus-bar is designed by perforating technique. The hole-type bus-bar is able to reduce skin effect as well as saving copper consumption. The bus-bar model is made in COMSOL， the temperature rise of solid bus-bar and hole-style bus-bar is analyzed and compared by current and temperature field coupling method. The conclusion that hole-type bus-bar can reduce temperature rise is made. Through theoretical analysis and simulation analysis， the designed hole-type bus-bar has good performance to be applied in practical engineering.

关键词：母线；有限元；温度场

Key words： bus-bar finite；element；temperature field

中图分类号：TM591 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）21-0170-03

0 引言

开关柜是电力系统中的重要设备，在电网中的应用非常普遍。目前，开关柜中的母普遍采用实心型的铜体[1]。一方面，由于导体处于交变的磁场中，会产生集肤效应和邻近效益，电流趋向于分布在母线表面，母线的交流电阻增大，发热增加；另一方面，由于母线为实心型，与空气的表面接触面积较小，不利于散热，导致温升过高，容易引发事故。由于母线过热造成的设备损坏等运行事件成为了开关柜安全运行的隐患[2，3]。针对以上问题，本文设计一种在不改变母线槽以及母线外表面的条件下的新型母线，方便实际工程的应用。该新型母线为孔洞型母线，即在母线截面上进行穿孔处理，实心型母线与孔洞型母线的对比如图1所示。本文以10mm*120mm*1000mm的母线为例，利用有限元分析软件对其进行建模，通过仿真分析，验证在相同载流量的情况下，孔洞型母线的温升小于实心型母线，从而得出所设计的新型母线不仅节省了原材料，并且更加有利于运行的结论。

1 理论分析

2 母线模型的建立

由于存在各种非线性计算以及物理场之间的耦合，利用解析算法计算母线的温度分布将会非常复杂。而采用有限元法，通过网格的剖析，利用数值分析的方法，能够将问题进行简化，提高了计算的速度，所得的结果也较为精确。近年来，有限元分析法广泛利用与电磁场、温度场、声场等各种物理场耦合问题的分析中，并取得了很好的效果。因此，本文在有限元分析软件COMSOL中对母线进行建模仿真，最终计算出母线的温度分布。

开关柜中母线处于热稳定状态时，其热源为电流流过母线产生的焦耳热。在COMSOL中，利用焦耳热模块对母线进行建模，即将电流与固体传热耦合，电流产热作为母线的载荷，通过固体传热中的对流传热与辐射传热，计算分析母线的温度稳定值[5，6]，具体的设置如下：

①在母线的两端加上电势，使母线的载流量符合仿真值，作为温度场仿真的载荷。②在多物理场的耦合中，分别设置电磁热源、边界电磁热源以及温度耦合，使电流产生的焦耳热与固体传热实现耦合。③在固体传热模块中，外部环境温度为20摄氏度母线的所有与空气接触的面设置为热通量，外部为自然对流。传热系数综合考虑对流散热以及辐射散热，并考虑温度变化对传热系数产生的影响。

在COMSOL中建立母线的三维模型，网格的划分是一个重要的环节，将会影响计算结果的精准度。但是，网格的划分并非越细越好，不必要的网格精细化会造成运算速度的缓慢和暂用大量内存。通过多次试验，本文的网格划分采用物理场控制，进行细化的划分，得到的开关柜母线的网格划分模型如图2所示。

3 仿真计算与分析

通过查询电气手册，得知设计的母线的额定载流量为2400A，因此，分别对额定载流量的80%、100%和120%进行仿真，在实心型母线和孔洞型母线加载相同电流密度，对比分析两者的温度场分布情况。所得的仿真结果如图3-图5所示。

由仿真结果，可得母线温度的最值，如表1所示。

由仿真图的温度场分布可知，母线中间的温度较高，两端温度较低，这是由于母线两端与空气接触面较大，有利于散热。此外，随着载流量的增大，母线的温度增加，这是由于电流增大时，母线的损耗增大，此时产生的热量较大，则热平衡时母线的温度较高，符合理论分析结果。

对比实心型母线和孔洞型母线的温度最高值，在不同载流量的情况下，实心型母线的温度均高于孔洞型母线，其温度增加百分比分别为14%，16.25%以及17.82%。可知，随着载流量的增加，实心型母线的温度增加幅度更大，即孔洞型母线更利于散热。有理论分析可知，孔洞型母线通过内部的孔洞增加了与空气的接触面，更加有利于对流散热和辐射散热，因此，在同样载流量的情况下，孔洞型母线的温度较实心型母线低。

4 结论

本文设计了一种新型开关柜母线，在现有的实心型母线的基础上，进行穿孔处理，不改变母线原有的安装固定方式，便于母线的更替。新型的孔洞型母不仅能够减弱集肤效应，并且通过有限元仿真分析，在相同的载流量下，孔洞型母线的温升较实心型母线有所降低。由此可知，本文设计的新型开关柜母线能够减少铜的用量，运行温度较低，适用于工程的推广。

参考文献：

[1]张北宁.管形绝缘母线和矩形铜排母线性能比较及应用[J].水电与新能源，2010（06）：60-64.

[2]詹金特，江思源.一起10kV开关柜主母线过热的缺陷分析及对策[J].广东科技，2010（18）：95-96.

[3]韦瑜华.一起10kV封闭式开关柜母排发热故障的分析[J].华东科技，2012（8）：248.

[4]张靖周.传热学[M].科学出版社，2009.

[5]丁斌，徐耀良.大电流封闭母线磁-流-热场耦合有限元分析[J].高压电器，2010，46（8）：31-34.

[6]曾亮.基于有限元的252kV GIS母线电场和温度场的仿真与优化[D].福建：厦门理工学院，2016.