高垂直段风冷封闭母线三维场仿真分析及结构优化设计

【摘要】：电力是经济发展的瓶颈,在国民经济发展中必须先行。展望今后30年我国电力系统的发展,节能、环保、高效的水力发电和核能发电是我国应大力发展的两种发电方式,而这两种发电方式中由于发电机一般均位于100至200米深的地下,变压器又都位于地面之上,这样联接于发电机与变压器之间的高垂直段封闭母线是关键技术之一,由于我国对高垂直段封闭母线基础理论方面研究不多,产品的设计和生产科学依据和经验还不够充分,因此该产品目前只能依赖进口(50米以内高垂直段封闭母线少量国产)。本文首先采用有限体积法提出并建立了强迫风冷封闭母线的温度场和气流场的数学模型,并对上述模型进行了数值计算的离散,最后根据上述模型和边界条件对强迫风冷封闭母线内的温度场以及流场等进行了数值计算;其次,对强迫风冷封闭母线内的三维电场进行了计算、仿真,研究了三维场的分布规律,进而对其绝缘设计和结构设计提供理论依据;最后又采用优化算法对封闭母线结构进行了优化设计。 结果表明:高垂直段封闭母线内的各种场的分布为非均匀分布。通过三维电场分析,可知在绝缘子与导体连接处电场最强,应对此处的绝缘设计进行改进,使最高场强降低,防止出现绝缘击穿现象;通过对不同冷却方式下高垂直段封闭母线内的三维温度场、流场分布的计算、仿真分析,本文首次提出了采用由中相进风两边相回风强迫风冷的设计方案,并给出了在此设计方案下的高垂直段封闭母线内的三维温度场、流场仿真结果,较好地解决了工程实际中出现的中间相端部温升过高进而造成严重电气故障的问题。仿真结果经与采用分段解析方法计算风冷封闭母线数据对比,吻合良好,表明该设计方案是可行的。最后结构优化设计的结果经与实际产品参数比较,吻合情况良好,证明优化设计方法正确。