“   針對高壓斷路器的技術(shù)挑戰(zhàn)，ANSYS提供完備且技術(shù)領(lǐng)先的設(shè)計解決方案，幫助企業(yè)高效解決斷路器的研發(fā)和設(shè)計問題。ANSYS解決方案有利于企業(yè)全面地預測和優(yōu)化高壓斷路器的性能，實現(xiàn)從電磁、結(jié)構(gòu)、流體、溫升到多物理域耦合的多領(lǐng)域設(shè)計。 ”

01

技術(shù)挑戰(zhàn)

高壓斷路器概念

• 高壓斷路器是什么

- 開斷和閉合電力線路的裝置

• 核心指標

- 開斷電流等級

- 耐壓等級

- 動作時間

- 抗震性能

- 占地面積

- 可靠性和壽命

…

高壓斷路器設(shè)計所面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)

• 電場

- 滅弧室內(nèi)部電場分析

- 觸指表面形狀優(yōu)化

- 端部屏蔽環(huán)優(yōu)化設(shè)計

- GIS母線表面電場設(shè)計

- 絕緣盆子電場計算

- 套管污穢性能分析

- 換流閥整體電場分析

- 變電站整體電場分析

• 磁場

- 觸指交流電動力計算

- 母排交流焦耳熱計算

- 多母排短路電動力計算

- 環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)部損耗計算

- 變電站磁場分布計算

- 渦流效應(yīng)和鄰近效應(yīng)

- 殼體阻抗和雷擊泄放

• 結(jié)構(gòu)場

- 變電站支架結(jié)構(gòu)強度

- 熱應(yīng)力（熱膨脹）計算

- 斷路器執(zhí)行機構(gòu)壽命

- 斷路器觸指強度設(shè)計

- 運輸路況下的強度分析

- 整體抗震強度設(shè)計

- 波紋管安裝位置設(shè)計

• 流體場

- 斷路器內(nèi)部溫升計算

- 高壓套管內(nèi)部溫升分析

- GIS/GIL散熱分析

- GIS爆破盤泄壓設(shè)計

-其他

- 脫扣系統(tǒng)的電場特性分析

- 觸頭系統(tǒng)的電場特性分析

- 滅弧室的電場特性

- 絕緣材料電場分析

- 殼體表面污穢電場分析

ANSYS方案典型應(yīng)用

02

解決方案

ANSYS集成化設(shè)計解決方案

基于ANSYS Workbench的多物理場仿真平臺

2.1 高壓斷路器電場分析

有限元仿真基本流程

電場仿真目的和流程

• 電場仿真目的

- 計算電場強度和電場分布，校核絕緣設(shè)計

• 典型仿真流程

- 建立幾何模型，并做合理簡化

- 模型導入Maxwell軟件，進行前處理設(shè)置

> 添加與實驗電壓對應(yīng)的電壓激勵

- 計算機求解

- 仿真完成后查看結(jié)果，并視需要優(yōu)化設(shè)計

電場分布和絕緣設(shè)計

斷路器滅弧室電場計算

• 觸指表面電場強度

- 結(jié)合電電場計算優(yōu)化觸指形狀。觸指多，增加爬電距離，但觸指端點之間的距離也會拉近。

GIS內(nèi)部電場計算

• 典型計算

- 計算母排表面電場強度，優(yōu)化絕緣設(shè)計

- 計算絕緣盆子電場

三工位絕緣盆子形狀優(yōu)化和電極表面形狀優(yōu)化是關(guān)鍵。

換流閥電場計算

• 換流閥整體電場計算

- 閥層電場計算

- 屏蔽環(huán)電場計算

- 均壓分析

變電站電場計算

• 大型變電站電場分布

• 通過插入人體計算模型，可以注意到其附近電場強度的變化。

• 用于模擬人體的電磁特性包括：
  

- εr=50

- μr=1

- σ = 0,5 S/m

場路耦合仿真

• 避雷器電場計算

- 通過Maxwell計算電容分布，生成等效電路

- 等效電路導入Simplorer計算電壓分布

- Maxwell根據(jù)電壓計算電場分布

2.2 高壓斷路器磁場分析

磁場仿真目的和流程

• 仿真目的

- 計算電磁特性，校驗電磁設(shè)計，優(yōu)化電磁方案

- 計算電磁特性，與結(jié)構(gòu)場、流體場耦合，校核結(jié)構(gòu)強度和散熱設(shè)計等

• 仿真流程

- 簡化模型并導入軟件

- 添加相應(yīng)的電磁激勵

- 計算電磁性能

GIL母排渦流計算

• 計算渦流損耗

• 對比實心導體和空心導體的損耗

GIS殼體接地分析

• 計算在不同接地設(shè)計時殼體上的渦流

短路電動力

• 計算在短路時的電動力

- 短路電流

渦流損耗和漏磁計算

變電站整體磁場分析

• 研究變電站區(qū)域內(nèi)磁場輻射

真空開關(guān)電磁分析

帶鍍層回路的導電特性分析

2.3 結(jié)構(gòu)場和多場耦合應(yīng)用

結(jié)構(gòu)場仿真目的

• 仿真目的

- 校核強度和剛度

- 校核壽命

- 校核熱應(yīng)力

- 電磁-結(jié)構(gòu)耦合應(yīng)用

- 其他

真空開關(guān)瓷殼熱應(yīng)力分析

• 銅在不同溫度下的抗拉強度

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

• 熱膨脹系數(shù)

	95瓷	可伐	無氧銅
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

接插件插拔過程分析

• 計算斷路器插拔過程的應(yīng)力

• 校核模型結(jié)構(gòu)強度

- 進行校核壽命

裝配中的強度設(shè)計

• 法蘭裝配強度校核

- 法蘭結(jié)構(gòu)強度

- 法蘭螺栓和墊片結(jié)構(gòu)強度

- 預緊力

大型電器設(shè)備運輸工況分析

• 精確模擬結(jié)構(gòu)運輸實際狀態(tài)

- 公路

- 水路

2.4 流體場和多物理場應(yīng)用案例

流體場仿真目的

• 仿真目的

- 校核CFD設(shè)計

- 校核多物理場特性

> 電磁-熱

> 電磁-流體

> 電磁-結(jié)構(gòu)-流體

- 其他

斷路器導電回路熱分析

• 導電回路熱分析（電磁與流體耦合）

- 評估母排布置方式對產(chǎn)品溫升的影響，提出優(yōu)化設(shè)計方案；

- 采用電磁模塊計算焦耳熱，作為流體計算的能量源項。

電氣柜熱場分析

• 計算目的

- 分析柜內(nèi)流場及熱場，考察氣流組織是否合理，柜內(nèi)部件溫度、氣溫是否符合要求，為電氣柜氣流組織及溫控改進提供依據(jù)。

- 風機工作點的確認

仿真找到的風機工作點

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

換流閥散熱系統(tǒng)分析

• 計算目的

- 各部件流阻分析

- 單散熱器及散熱器組熱分析

- 整體配水分析

電弧仿真

• Maxwell-Fluent耦合

- 起弧后到滅弧的動態(tài)過程

- 溫度和壓力

ANSYS電弧仿真流程

電弧仿真結(jié)果

動開距電弧計算

• Fluent（WIP）

- RBF Morph/MDM approach in

03

總結(jié)

• 針對高壓斷路器的技術(shù)挑戰(zhàn)，ANSYS提供完備且技術(shù)領(lǐng)先的設(shè)計解決方案，幫助企業(yè)高效解決斷路器的研發(fā)和設(shè)計問題。

• ANSYS解決方案有利于企業(yè)全面地預測和優(yōu)化高壓斷路器的性能，實現(xiàn)從電磁、結(jié)構(gòu)、流體、溫升到多物理域耦合的多領(lǐng)域設(shè)計。

• ANSYS的多物理場仿真平臺可以更好地幫助企業(yè)提升設(shè)計水平，獲得更大的市場競爭力。

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深圳市優(yōu)飛迪科技有限公司成立于2010年，是一家專注于產(chǎn)品開發(fā)平臺解決方案與工業(yè)軟件開發(fā)的高科技企業(yè)，是ANSYS、MSC、COMSOL、Qt、國產(chǎn)CAD、國產(chǎn)尺寸鏈公差等工業(yè)軟件的戰(zhàn)略合作伙伴，擁有十多項行業(yè)領(lǐng)先的自主工業(yè)軟件著作權(quán)。優(yōu)飛迪科技倡導“極致用戶體驗驅(qū)動產(chǎn)品開發(fā)模式”變革，助力中國質(zhì)造，賦能極致研發(fā)，專注于仿真咨詢、工業(yè)軟件開發(fā)、工業(yè)軟件銷售、系統(tǒng)集成等領(lǐng)域的產(chǎn)品開發(fā)平臺解決方案，擁有一支硬核實力的技術(shù)服務(wù)專家團隊，能為企業(yè)提供“全心U⁺端到端服務(wù)“。如今，華為、中興、中國航天、格力、大族、華強、華星光電等知名企業(yè)與優(yōu)飛迪保持著長期的緊密戰(zhàn)略合作伙伴關(guān)系。