ANSYS高压断路器解决方案
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
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
- 计算机求解
- 仿真完成后查看结果，并视需要优化设计
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
By inserting a human body computational model, it is possible to note changes in electric field intensities in its neighbourhood.
The electromagnetic properties used to model the body are:
- 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 |
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
- 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（视频）
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（视频）
动开距电弧计算（视频）0:03
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。
