ANSYS高压断路器解决方案

“   针对高压断路器的技术挑战，ANSYS提供完备且技术领先的设计解决方案，帮助企业高效解决断路器的研发和设计问题。ANSYS解决方案有利于企业全面地预测和优化高压断路器的性能，实现从电磁、结构、流体、温升到多物理域耦合的多领域设计。 ”

01

技术挑战

高压断路器概念

• 高压断路器是什么

- 开断和闭合电力线路的装置

• 核心指标

- 开断电流等级

- 耐压等级

- 动作时间

- 抗震性能

- 占地面积

- 可靠性和寿命

…

高压断路器设计所面临的技术挑战

• 电场

- 灭弧室内部电场分析

- 触指表面形状优化

- 端部屏蔽环优化设计

- GIS母线表面电场设计

- 绝缘盆子电场计算

- 套管污秽性能分析

- 换流阀整体电场分析

- 变电站整体电场分析

• 磁场

- 触指交流电动力计算

- 母排交流焦耳热计算

- 多母排短路电动力计算

- 环网柜内部损耗计算

- 变电站磁场分布计算

- 涡流效应和邻近效应

- 壳体阻抗和雷击泄放

• 结构场

- 变电站支架结构强度

- 热应力（热膨胀）计算

- 断路器执行机构寿命

- 断路器触指强度设计

- 运输路况下的强度分析

- 整体抗震强度设计

- 波纹管安装位置设计

• 流体场

- 断路器内部温升计算

- 高压套管内部温升分析

- GIS/GIL散热分析

- GIS爆破盘泄压设计

-其他

- 脱扣系统的电场特性分析

- 触头系统的电场特性分析

- 灭弧室的电场特性

- 绝缘材料电场分析

- 壳体表面污秽电场分析

ANSYS方案典型应用

02

解决方案

ANSYS集成化设计解决方案

基于ANSYS Workbench的多物理场仿真平台

2.1 高压断路器电场分析

有限元仿真基本流程

电场仿真目的和流程

• 电场仿真目的

- 计算电场强度和电场分布，校核绝缘设计

• 典型仿真流程

- 建立几何模型，并做合理简化

- 模型导入Maxwell软件，进行前处理设置

> 添加与实验电压对应的电压激励

- 计算机求解

- 仿真完成后查看结果，并视需要优化设计

电场分布和绝缘设计

断路器灭弧室电场计算

• 触指表面电场强度

- 结合电电场计算优化触指形状。触指多，增加爬电距离，但触指端点之间的距离也会拉近。

GIS内部电场计算

• 典型计算

- 计算母排表面电场强度，优化绝缘设计

- 计算绝缘盆子电场

三工位绝缘盆子形状优化和电极表面形状优化是关键。

换流阀电场计算

• 换流阀整体电场计算

- 阀层电场计算

- 屏蔽环电场计算

- 均压分析

变电站电场计算

• 大型变电站电场分布

• 通过插入人体计算模型，可以注意到其附近电场强度的变化。

• 用于模拟人体的电磁特性包括：
  

- εr=50

- μr=1

- σ = 0,5 S/m

场路耦合仿真

• 避雷器电场计算

- 通过Maxwell计算电容分布，生成等效电路

- 等效电路导入Simplorer计算电压分布

- Maxwell根据电压计算电场分布

2.2 高压断路器磁场分析

磁场仿真目的和流程

• 仿真目的

- 计算电磁特性，校验电磁设计，优化电磁方案

- 计算电磁特性，与结构场、流体场耦合，校核结构强度和散热设计等

• 仿真流程

- 简化模型并导入软件

- 添加相应的电磁激励

- 计算电磁性能

GIL母排涡流计算

• 计算涡流损耗

• 对比实心导体和空心导体的损耗

GIS壳体接地分析

• 计算在不同接地设计时壳体上的涡流

短路电动力

• 计算在短路时的电动力

- 短路电流

涡流损耗和漏磁计算

变电站整体磁场分析

• 研究变电站区域内磁场辐射

真空开关电磁分析

带镀层回路的导电特性分析

2.3 结构场和多场耦合应用

结构场仿真目的

• 仿真目的

- 校核强度和刚度

- 校核寿命

- 校核热应力

- 电磁-结构耦合应用

- 其他

真空开关瓷壳热应力分析

• 铜在不同温度下的抗拉强度

20℃	240MPa
300℃	185MPa
400℃	155MPa
500℃	125MPa
600℃	103MPa
700℃	46MPa
800℃	37MPa
900℃	15MPa

• 热膨胀系数

	95瓷	可伐	无氧铜
100℃	5.7	7.05	17.1
200℃	6.3	6.9	17.2
300℃	6.9	6.34	17.4
400℃	7.5	6.06	17.8
500℃	8.7	6.88	18.3
600℃	9.2	8.32	18.8

接插件插拔过程分析

• 计算断路器插拔过程的应力

• 校核模型结构强度

- 进行校核寿命

装配中的强度设计

• 法兰装配强度校核

- 法兰结构强度

- 法兰螺栓和垫片结构强度

- 预紧力

大型电器设备运输工况分析

• 精确模拟结构运输实际状态

- 公路

- 水路

2.4 流体场和多物理场应用案例

流体场仿真目的

• 仿真目的

- 校核CFD设计

- 校核多物理场特性

> 电磁-热

> 电磁-流体

> 电磁-结构-流体

- 其他

断路器导电回路热分析

• 导电回路热分析（电磁与流体耦合）

- 评估母排布置方式对产品温升的影响，提出优化设计方案；

- 采用电磁模块计算焦耳热，作为流体计算的能量源项。

电气柜热场分析

• 计算目的

- 分析柜内流场及热场，考察气流组织是否合理，柜内部件温度、气温是否符合要求，为电气柜气流组织及温控改进提供依据。

- 风机工作点的确认

仿真找到的风机工作点

operation  point	Pa	m3/s
blower1	364	0.314
blower2	306	0.367

换流阀散热系统分析

• 计算目的

- 各部件流阻分析

- 单散热器及散热器组热分析

- 整体配水分析

电弧仿真

• Maxwell-Fluent耦合

- 起弧后到灭弧的动态过程

- 温度和压力

ANSYS电弧仿真流程

电弧仿真结果

动开距电弧计算

• Fluent（WIP）

- RBF Morph/MDM approach in

03

总结

• 针对高压断路器的技术挑战，ANSYS提供完备且技术领先的设计解决方案，帮助企业高效解决断路器的研发和设计问题。

• ANSYS解决方案有利于企业全面地预测和优化高压断路器的性能，实现从电磁、结构、流体、温升到多物理域耦合的多领域设计。

• ANSYS的多物理场仿真平台可以更好地帮助企业提升设计水平，获得更大的市场竞争力。

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