高压开关产品ANSYS结构仿真解决方案

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1. 高压开关仿真必要性
1.1 高压开关概述
高压开关（又称断路器）是指能够闭合、承载和开断在正常工作条件下高压电路中的电流，也能够在规定的故障或异常电路条件下承载一定时间以及开断异常电路的电气设备。为了保护高压开关的安全运行，内部通常具有相当完善的灭弧结构。

高压开关设备主要用于电力系统（包括发电厂、变电站、输配电线路和工矿企业等）的控制和保护，既可根据电网运行需要将部分电力设备或线路投入或退出运行，也可在电力设备或线路发生故障时将故障部分从电网快速切除，从而保证电网中无故障部分的正常运行及设备、运行维修人员的安全。因此，高压开关设备是非常重要的输配电设备，其安全、可靠运行对电力系统的安全有效运行具有十分重要的意义。
1.2 高压开关设计的关键技术
高压开关的基本特性包括通断能力、温升、零部件的强度、热稳定、绝缘性能及其他电气性能等，这就需要对设计对象的电磁场、应力场、温度场、气流场、运动过程、开断过程等特性进行仿真和分析。因此，概括起来说，高压开关的仿真技术分为热分析、电磁分析、灭弧分析和机构分析四项。
2. ANSYS高压开关结构仿真解决方案
2.1 ANSYS高压开关结构仿真方向
针对高压开关设计的各项需求，采用传统的设计方法难以满足现代工艺和产品性能的要求，需要借助于有限元的虚拟建模功能，可以让工程师在设备设计的初始设计阶段就得以全面考核其性能，结合仿真结果调整和优化初始设计，从而可以大大节省设计成本和缩短设计周期，并可充分提升设备的性能。
2.1.1 结构强度分析
各零部件强度和刚度问题是高压开关最基本的性能，尤其对于大型GIS来说，其外壳在较高内压作用下的强度问题更为重要。借助ANSYS Mechanical结构分析软件，评估各零部件在电磁力、温度场及其它载荷作用下的强度和刚度，通过合理优化各部件的结构，可以明显提高产品性能。
Ø 高压开关外壳强度、刚度分析
Ø 电磁力作用下各零部件的强度、刚度分析
Ø 开关插拔力分析
Ø 绝缘盆子强度分析
2.1.2 机构运动分析
在高压开关设计早期阶段，需要对整个电器系统进行静力学、运动学和动力学分析，在系统水平上真实的预测机械结构的工作性能，实现系统的最优设计。在设计过程中，需要仿真其运动部件的工作过程与状态变化（包括操作机构的仿真和触头运动过程的动态仿真），通过动态图像让工程师观察和掌握机构的运动过程，揭示在不同时刻各参量间的关系，表明各运动参量随时间的变化规律，方便的改变各种参数来达到机构优化设计的目标。
高压开关的机构的运动特性绝对了开关能否开与关的功能。ANSYS Rigid Dynamics软件能够进行机构的运动学分析，有助于全面了解机构的运动特征，响应情况和状态变化，从而达到机构的优化设计。
Ø 执行机构闭合、断开过程分析
Ø 执行机构关键位置载荷变化
Ø 闭合过程弹跳特性分析
2.1.3 耦合场分析
高压开关产品所售的载荷主要包括机械荷载和热荷载，并且这两种载荷是同时存在的，而相当一部分的机械载荷和热载荷是由于电磁场的作用而产生的。因此，可以说电磁-热-应力都是相互影响相互牵制的，它们单独作用的情况相当有限。比如电器外界处于常温环境中，当内部介质温度很高，由于受热不均导致温度梯度过大，将会产生热应力。热应力和机械应力共同作用于电器，所以，在做强度校核时需要综合考虑机械荷载和热荷载的共同效应。可见，在高压开关的分析中，需要充分考虑各物理场的耦合作用
ANSYS Workbench是能够支持拖拽式仿真流程的多物理场生态系统，从而可以很方便地实现文件传输和载荷传递等工作。利用Workbench平台可以轻松实现结构场不同仿真类型之间的耦合以及多场之间的耦合。
Ø 高压开关地震分析
Ø 高压开关热-结构耦合分析
Ø GIS 系统地震分析
Ø GIS 系统热应力分析
Ø 开关设备电-热-结构耦合分析
2.2 ANSYS高压开关结构仿真应用
借助ANSYS Mechanical结构分析软件，评估各零部件在电磁力、温度场及其它载荷作用下的强度和刚度，通过合理优化各部件的结构，可以明显提高产品性能。
GIS 筒体螺栓强度分析

图1  GIS筒体螺栓强度接触分析校核

 

图2 运输状态有限元分析

2.2.3 断路器动态特性分析
 

 

图3 塑壳断路器仿真模型及结构优化前后分断能力的对比图

2.2.4 真空开关瓷壳热应力分析
 

 

图4 真空开关瓷壳材料参数设置

图5 无氧铜从25℃加热至600℃

图6 无氧铜从600℃冷却至80℃

 

 

2.2.5接插件插拔过程分析