CN108334695B - 一种基于地线与预绞丝接触电阻的有限元设置方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于地线与预绞丝接触电阻的有限元设置方法，首先结合架空地线与预绞丝的捻距计算分析得到架空地线与预绞丝之间的接触点分布规律；根据接触点分布规律，利用有限元仿真软件对接触端口进行建模，通过等效的接触点来模拟实际电流收缩情况，从而模拟其中的接触电阻；设计实验测量接触端口的接触电阻阻值；调整有限元模型中接触电阻为实验测量值，并进行电磁热耦合仿真得到接触端口的温升情况；设计大电流温升实验得到接触端口的温升曲线，验证分析仿真结果的准确性。本发明提供的方法，能准确模拟实际电流的收缩情况，从而准确获取接触界面的电磁场和温度场分布，特别对于绞线具有普遍推广使用的意义。
Description
技术领域
本发明涉及电网接触电阻技术领域，特别涉及一种基于地线与预绞丝接触电阻的有限元设置方法。
背景技术
现有研究表明，在工频短路电流流经地线时，地线因温度过高导致断线，断线位置主要是在接触电阻存在的位置——地线与预绞丝接触端口。在集肤效应的作用下，电流在接触端口处扩散至预绞丝处，接触端口的接触电阻由此产生的热效应是导致其过热的一种主要原因。因此，对于接触端口电磁热的研究分析，接触电阻是一个主要的考虑因素。
有限元仿真作为电磁热分析的一个重要研究手段，但是对于接触电阻的有限元仿真，目前并没有一个统一准确的设置方法。为了能准确分析地线与预绞丝接触端口的电磁分布以及发热情况，对于其中接触电阻的设置是急需解决的一个难题。因此，针对在有限元仿真计算中接触电阻的处理问题，提出一种基于地线与预绞丝接触电阻的有限元设置方法。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于地线与预绞丝接触电阻的有限元设置方法，能准确模拟实际电流的收缩情况，从而准确获取接触界面的电磁场和温度场分布，特别对于绞线具有普遍推广使用的意义。
本发明的目的通过以下的技术方案实现：一种基于地线与预绞丝接触电阻的有限元设置方法，包括以下步骤：
1、结合架空地线与预绞丝的捻距计算分析得到架空地线与预绞丝之间的接触点分布规律；
2、根据接触点分布规律，利用有限元仿真软件对接触端口进行建模，在地线与预绞丝之间通过等效的接触点来模拟实际电流收缩情况，从而模拟其中的接触电阻；
3、设计实验测量接触端口的接触电阻阻值；
4、调整有限元模型中接触点的半径使之接触电阻为实验测量值，并进行电磁热耦合仿真得到接触端口的温升情况；
5、设计大电流温升实验得到接触端口的温升曲线，验证分析仿真结果的准确性。
优选的，步骤1中，结合架空地线与预绞丝的捻距计算分析得到架空地线与预绞丝之间的接触点分布规律的步骤包括：
地线与预绞丝之间的接触是圆柱与圆柱之间点的接触，其中，预绞丝为12股绞线组合而成，根据地线与预绞丝螺旋绞合状态的规律，在同一截面上，地线与预绞丝接触点数量为6个，即每一行有6个接触点，每行接触点在地线圆柱的旋转面上顺序呈现平行排列，行与行之间排列间距为:
上式中，X1为地线最外层绞线捻向与预绞丝捻向一致时的排列间距，X2为地线最外层绞线捻向与预绞丝捻向相反时的排列间距，S1和S2分别对应于地线最外层与预绞丝的捻距。
优选的，步骤2中有限元仿真软件采用ANSYS或者COMSOL。
优选的，步骤2中通过有限元仿真软件对接触端口进行三维建模，地线与预绞丝等效为等外径的圆柱和圆管，结合地线与预绞丝之间接触点的分布规律，两者接触界面的建模通过同样分布规律的接触点完成，以此模拟实际的电流收缩情况，从而模拟出等效的接触电阻。
优选的，步骤3中采用电桥法测量接触电阻阻值。
优选的，步骤3中采用交流压降法测量接触电阻阻值。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
本发明结合地线与预绞丝接触点的分布规律，建立与接触点分布规律等效的地线与预绞丝接触端口的有限元仿真三维模型，从而准确分析接触端口处的电磁场以及暂态温度场情况。能准确模拟实际的电流收缩情况，同时可以具体分析接触界面的发热情况。
附图说明
图1为实施例基于地线与预绞丝接触电阻的有限元设置方法流程图。
图2为实施例地线与预绞丝接触端口结构图。
图3为实施例地线与预绞丝横截面结构图。
图4为实施例所建立的地线与预绞丝有限元仿真模型。
图5为实施例接触端口电流分布示意图。
图6为实施大电流升温实验装置原理图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
一种基于地线与预绞丝接触电阻的有限元设置方法，步骤流程图如图1所示，主要包括以下步骤：
步骤1，结合架空地线与预绞丝的捻距计算分析得到架空地线与预绞丝之间的接触点分布规律；
步骤2，根据接触点分布规律，利用有限元仿真软件ANSYS或者COMSOL对接触端口进行建模，在地线与预绞丝之间通过等效的接触点来模拟实际电流收缩情况，从而模拟其中的接触电阻；
步骤3，设计实验测量接触端口的接触电阻阻值；
步骤4，调整有限元模型中接触点的半径使之接触电阻为实验测量值，并进行电磁热耦合仿真得到接触端口的温升情况；
步骤5，设计大电流温升实验得到接触端口的温升曲线，验证分析仿真结果的准确性。
所述步骤1，结合架空地线与预绞丝的捻距计算分析得到架空地线与预绞丝之间的接触点分布规律，地线与预绞丝为绞线状态，如图2所示，地线表面与预绞丝内表面的接触形式为圆柱侧面之间的相切(圆柱与圆柱之间点的接触)，其中预绞丝为12股绞线组合而成。分析其绞合规律可知，同一截面地线与预绞丝接触点数量为6，即每一行有6个接触点，如图3所示。每行接触点在地线圆柱的旋转面上顺序呈现平行排列，根据地线与预绞丝捻向的不同，相邻两个有接触点的横截面之间间距为：
式(1)中，X1为地线最外层绞线捻向与预绞丝捻向一致时的排列间距，X2为地线最外层绞线捻向与预绞丝捻向相反时的排列间距，S1和S2分别对应于地线最外层与预绞丝的捻距。
所述步骤2，根据步骤1所得的接触点分布规律，利用有限元仿真软件ANSYS或者COMSOL对接触端口进行建模，在地线与预绞丝之间通过等效的接触点来模拟实际电流收缩情况，从而模拟其中的接触电阻。
在所建立的三维有限元仿真模型中，地线和预绞丝通过等外径的圆柱和圆管代替，而地线与预绞丝的接触则通过相同分布规律的接触点(小圆柱)等效处理，所建立的模型如图4所示。模型中接触电阻的大小则可以通过调节接触点的半径大小进行设置。
所述步骤3，设计实验测量接触端口的接触电阻阻值，接触电阻为小电阻，针对小电阻实验测量方法主要有四线法、交流电压降法等。在接触端口处，接触电阻产生热效应的原因是集肤效应的存在导致电流往外扩散，其电流分布示意图见图5。因此，难以用测量直流电阻的四线法进行实验。为了准确得到交流接触电阻，可采用交流压降法，通过加载一定大小的交流电流I，测量接触端口两侧的电压U以及功率因数
并通过式(2)求得接触电阻。
所述步骤4，调整有限元模型中接触点的半径使之接触电阻为实验测量值，并进行电磁热耦合仿真得到接触端口的温升情况。结合步骤3得到的接触电阻实验值，调节模型中接触点半径使之接触电阻与实验值相等。在电磁场仿真中，加载一定大小的电流，并获取接触端口的温升曲线和数据。
所述步骤5，设计大电流温升实验得到接触端口的温升曲线，验证分析仿真结果的准确性。利用大电流温升实验平台，在地线与预绞丝中加载与步骤4中所加载的仿真电流相同的交流电流值，检测记录接触端口的温升情况，并获取离散点的温升数据，验证步骤4中的仿真结果。其中，实验装置原理图如图6所示。
综上所述，一种基于地线与预绞丝接触电阻的有限元设置方法，避免了对地线和预绞丝绞线状态复杂的几何建模，通过等效的接触点模拟真实的电流扩散情况，能准确得到接触界面的电磁场分布和温度分布，尤其对于绞线而言具有普遍推广的意义。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种基于地线与预绞丝接触电阻的有限元设置方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、结合架空地线与预绞丝的捻距计算分析得到架空地线与预绞丝之间的接触点分布规律；
步骤S1中，结合架空地线与预绞丝的捻距计算分析得到架空地线与预绞丝之间的接触点分布规律的步骤包括：
地线与预绞丝之间的接触是圆柱与圆柱之间点的接触，其中，预绞丝为12股绞线组合而成，根据地线与预绞丝螺旋绞合状态的规律，在同一截面上，地线与预绞丝接触点数量为6个，即每一行有6个接触点，每行接触点在地线圆柱的旋转面上顺序呈现平行排列，行与行之间排列间距为:
上式中，X1为地线最外层绞线捻向与预绞丝捻向一致时的排列间距，X2为地线最外层绞线捻向与预绞丝捻向相反时的排列间距，S1和S2分别对应于地线最外层与预绞丝的捻距；
S2、根据接触点分布规律，利用有限元仿真软件对接触端口进行建模，在地线与预绞丝之间通过等效的接触点来模拟实际电流收缩情况，从而模拟其中的接触电阻；
S3、设计实验测量接触端口的接触电阻阻值；
S4、调整有限元模型中接触点的半径使之接触电阻为实验测量值，并进行电磁热耦合仿真得到接触端口的温升情况；
S5、设计大电流温升实验得到接触端口的温升曲线，验证分析仿真结果的准确性。
2.根据权利要求1所述的基于地线与预绞丝接触电阻的有限元设置方法，其特征在于，步骤S2中有限元仿真软件采用ANSYS或者COMSOL。
3.根据权利要求1所述的基于地线与预绞丝接触电阻的有限元设置方法，其特征在于，步骤S2中通过有限元仿真软件对接触端口进行三维建模，地线与预绞丝等效为等外径的圆柱和圆管，结合地线与预绞丝之间接触点的分布规律，两者接触界面的建模通过同样分布规律的接触点完成，以此模拟实际的电流收缩情况，从而模拟出等效的接触电阻。
4.根据权利要求1所述的基于地线与预绞丝接触电阻的有限元设置方法，其特征在于，步骤S3中采用电桥法测量接触电阻阻值。
5.根据权利要求1所述的基于地线与预绞丝接触电阻的有限元设置方法，其特征在于，步骤S3中采用交流压降法测量接触电阻阻值。
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