有限元法计算三相管型母线的短路电动力.pdf

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1、研究与开发有限元法计算三相管型母线的短路电动力廖宝文曾奕杨皓宇2(1．上海交通大学电子信息与电气工程学院电气工程系，上海200030；2．河北工业大学电气S-程学院，天津300130)摘要用有限元法计算三相管型母线的短路电动力，并将其结果同设计手册上的传统公式法计算所得的结果进行比较。关键词：有限元；管型母线；电动力；电磁场分析软件Short·-circuitForceComputationofThree--phasePipe--typeBusUsingtheFiniteElementMethodLiaoBaowenlZengY

2、ii)rangHaoyu2(1．ShanghaiJiaoTangUniversity,SchoolofInformationandElectricalEngineering，Shanghai200030；2．HebeiUniversityofTechnology,SchoolofEelectricalEngineering，Tianjing300130)AbstractThecalculationofThree·-phasepipe·-typebusshortcircuitpowerusethefiniteelementmeth

3、od，andtheresultscomparewiththeresultsofthetraditionalformulamethod，calculatedonthesafedesignmanua1．．．．Keywords：finiteelement；pipe—typebus；electronmeticforce；anso~maxwell===，1『』，fSS＼／，●S●●母线是电站内部的电力线路，它连接着各种电／●∞／，●●●∞●●∞机和电器，以及传输电流和功率，并通过配电装置+一3+一3分配电能。由于管型母线的肌肤效应小，提高

4、了载流量，因此目前大量使用管型母线。当母线发生短路故障时，短路电流比正常工作电流大许多倍，产生巨大的力效应。不仅危及母线系统本身的运行，而且给整个电力系统的安全稳定带来了隐患。为了避免母线导体收到过大的电动力式中，，为短路电流有效值。假设短路故障为三相对而发生形变或损坏，精确的计算短路电动力至关重称短路，因为三相对称短路的电动力最大。母线相要。间距离远远小于导体长度，这样母线导体可被视为传统的方法采用的是公式法来计算母线的电动无限长。母线材质为铜或者铝。力，这种方法所计算的母线电动力与实际母线所受1．1按照设计手册电动力计算公式

5、计算电动力存在一点偏差，为了得到较精确的结果，本短路时母线所受电动力取决于母线导体的几何文用有限元法来求解电磁场微分方程，以求得场量、排列和外形尺寸。可以证明，当三相母线导体敷设电流和电动力。在同一平面内，中间母线导体所受到的短路电动力最大，其受力为1管型母线短路电动力的计算F：1．76××，×0．1×(2)一般三相管型母线的排列形式是三根管型母线口导体在同一平面内相互平行，这种形式是计算短路式中，a是相间距离(cm)。F是所产生的电动力电动力的基础。三相管型母线通过50Hz的交流电，(N)。为形状系数，在实际计算中，不论导体电

6、流以相量形式给出，即截面形状如何，只要当导体间距足够大时就可取12I电

7、

8、l技7lt2013~2期研究与开发Kfm=1，例如配电装置各相母线的间距有几百毫米便式中，对任一导体截面积的积分就是通过这一导体可取为1。的全电流。1．2有限元方法计算为了计算作用在每个单元导体上的电动力，必须求得单元e内的磁通密度。磁通密度可由矢量磁位的分布按下面的关系求得Be：(6)图1三相母线在l，平面上的模型e笙(7)：如图1所示，在AnsoftMaxwell中建立在X-Y平面的2D模型，三相母线通过三相电流，相位相设体积元d内的全电流密度为，作用

9、在d差120。。上的力dF为如图1所示，母线截面位于X-Y平面内，矢量dF=fJB)dv(8)磁位满足二维电磁场微分方程式(3)因电流密度仅只有z方向的分量，所以磁通密度位于整个X-Y平面。又由于对称性，电动力只有lOx+。oylI_jcO~Az+。Js：0(⋯3)方向的分量，故i相导体单元e所受到的电动力为Fxe=一(，y)B；~dy(9)其中一jcoo'Az+Js=Jz。S式中，为源电流密度；为z方向的全电流密度，将单元e中的磁通密度视为常数，并且把单元定义II=，，卢a，b，c。e中的全电流，和磁通密度写成向量形式st将管

10、型母线截面离散化后如图2所示，在X-YI：Iese，：=e带入式10得单元P所受平面内对进行网格剖分，使用剖分方法为母线及其X方向力的时间函数周围剖分密度大，网格较小，远离母线的地方网格较大，这样子剖分可以提高计算速度的同时又可以ix(f)=一[c。s(一)+C