一种基于ANSYS的母线集肤效应的计算方法与流程

本发明涉及电力控制技术领域，具体涉及一种基于ANSYS的母线集肤效应的计算方法。

背景技术：

集肤效应是导体的重要参数之一，是指导体中有交流电流流过或者处于交变电磁场中，由于电磁感应使电流或磁通在导体中分布不均匀，越接近表面的地方电流密度或者磁通密度越大的现象。电流的频率越高，母线的电导率和磁导率越大，趋肤厚度就越小，这时如果母线的截面积稍微变大，集肤效应就会非常严重，母线的电阻也会增大，所以，集肤效应对母线导体的影响很大，集肤效应会造成交流损耗增大，同时，当多根导体同时安装时，还会出现邻近效应。由于现有的母线，尤其是矩形母线集肤效应严重，因此有必要对母线形式进行改进，然而，新型母线的集肤效应系数不同于常用的不同尺寸矩形、管型、槽形母线，其集肤效应均可从电气设计手册中查得，而运用电磁场理论进行数值计算的方法太过复杂繁琐，计算量大，因此需要一个简便的方法对母线的集肤效应进行一个较为准确的评估，准确地分析母线的集肤效应和邻近效应这些特性参数，为设计工作提供参照依据，有着十分重要的意义。

技术实现要素：

本发明提供一种基于ANSYS的母线集肤效应的计算方法，目的在于由于集肤效应对母线导体的影响很大，特别当多根导体同时安装时，还会出现邻近效应的问题，而运用常规的电磁场理论进行数值计算的方法太过复杂繁琐，计算量大的问题。

本发明通过以下技术方案实现：

一种基于ANSYS的母线集肤效应的计算方法，其特征在于：所述计算方法包括如下步骤；

1）使用ANSYS有限元软件的电磁学模块，对母线进行建模，分别施加直流电和交流电，计算其直流电阻和交流电阻，然后求得母线的集肤效应系数；

2）计算直流电阻时，采用SOLID69单元，定义材料属性、建模、划分网格以后，定义母线一端为零电位，另一端耦合节点电压自由度，然后选择节点号最低的节点施加集中力载荷，即在该节点施加直流电流载荷，求解得母线的电位等值云图，由此即可以得到母线的直流电阻阻值；

3）计算交流电阻时，采用SOLID117单元，定义材料属性、建模、划分网格以后，定义母线一端为零电位，另一端耦合节点电压自由度，然后选择节点号最低的节点施加集中力载荷，即在该节点施加交流电流载荷，同时施加磁力线平行边界条件，求解得母线的交流损耗，由此即可以得到母线的交流电阻阻值；

4）通过步骤2、3计算得到母线的直流电阻阻值和交流电阻阻值以后，将交流电阻阻值除以直流电阻阻值即得母线的集肤效应系数。

本发明进一步技术改进方案是：

所述母线为两根、或为两根以上，且平行安装，只需将两个母线截面耦合即可，这样就模拟了母线的邻近效应，所求得的集肤效应系数也包含了邻近效应的影响。

本发明与现有技术相比，具有以下明显优点：

本发明所提供的母线集肤效应的计算方法，在母线的设计过程中，母线的形式有时并非常见的规格，集肤效应系数无法从设计手册查到，本发明所示的方法相比电磁场理论的数值计算方法来说无需进行电磁场理论分析，计算量大大减少，且建模简单，只需要添加适当的边界条件和载荷即可方便的计算出母线的集肤效应系数，准确性较高，为设计工作提供参照依据。

附图说明

图1为本发明槽形铜母线截面示意图；

图2为本发明槽形铜母线节点电位等值云图；

图3为本发明槽形铜母线的交流损耗计算结果。

具体实施方式

下面结合附图1、2、3和实施例对本发明技术方案作进一步的详细描述，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施。

本发明计算方法包括如下步骤；

1）使用ANSYS有限元软件的电磁学模块，对母线进行建模，分别施加直流电和交流电，计算其直流电阻和交流电阻，然后求得母线的集肤效应系数；

2）计算直流电阻时，采用SOLID69单元，定义材料属性、建模、划分网格以后，定义母线一端为零电位，另一端耦合节点电压自由度，然后选择节点号最低的节点施加集中力载荷，即在该节点施加直流电流载荷，求解得母线的电位等值云图，由此即可以得到母线的直流电阻阻值；

3）计算交流电阻时，采用SOLID117单元，定义材料属性、建模、划分网格以后，定义母线一端为零电位，另一端耦合节点电压自由度，然后选择节点号最低的节点施加集中力载荷，即在该节点施加交流电流载荷，同时施加磁力线平行边界条件，求解得母线的交流损耗，由此即可以得到母线的交流电阻阻值；

4）通过步骤2、3计算得到母线的直流电阻阻值和交流电阻阻值以后，将交流电阻阻值除以直流电阻阻值即得母线的集肤效应系数。

所述母线为两根、或为两根以上，且平行安装，只需将两个母线截面耦合即可，这样就模拟了母线的邻近效应，所求得的集肤效应系数也包含了邻近效应的影响。

附图1所示的槽形铜母线施加直流电以后，求得的节点电位云图如附图2所示，施加电流大小为1000A，由图中可得母线一端的电压为0.008361V，由得到母线的直流电阻为8.361e-6(Ω)。槽形铜母线施加交流电以后计算得的交流损耗如附图3，槽形铜母线的交流损耗为8.9615瓦特，施加的电流为1000A，由 得到交流电阻值为8.9615e-6(Ω)，而直流电阻值为8.361e-6(Ω)，所以槽形铜母线的集肤效应系数为1.072。根据设计手册查得的槽形母线的集肤效应系数为1.074，因此该方法求得的值较为准确。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。