一种基于COMSOL的接地导体连接处接触电阻的仿真计算方法与流程

本发明属于电力系统接地仿真计算领域，特别地涉及一种基于comsol的接地导体连接处接触电阻仿真计算方法。

背景技术：

随着电网的电压等级不断提高，最高电压等级已经达到了1000kv，随之带来的系统的接地短路电流也越来越大，接地网的电压也越来越高。在大接地电流系统中,流入地网的短路电流一般在几千安到几十千安的范围。这样强大的短路电流流过地网导体向地中流散,将在导体中产生很高的热量。

当导体温度超过一定值以及在土壤中自然冷却后,导体的机械性能就会明显下降,特别是在导体之间的连接处，由于此处接触电阻很大，当短路电流通过时,此处温度远高于其他位置,达到金属材料的熔点时,导体将被熔化。这会促使地网导体断裂,地网解体,从而极大地降低接地网的可靠性，造成安全隐患。因此，如何评估接地导体连接处上的接触电阻大小是目前迫切需要解决的问题。

本发明的目的即在于克服现有技术的不足，提出基于comsol的接地导体连接处接触电阻仿真计算方法，评估接地导体连接处接触电阻的大小，及时做好降低接触电阻的措施，提高接地导体的通流能力。

技术实现要素：

本发明提出一种基于comsol的接地导体连接处接触电阻仿真计算方法，包括以下步骤：

步骤1：获取接地导体基本参数

包括接地导体规格、接地导体材料性能参数、接地导体接触面属性、螺栓型号、螺母型号；

步骤2：搭建comsol仿真模型

根据所获取的接地导体规格、接地导体材料性能参数、接地导体接触面属性、螺栓型号、螺母型号，设置comsol软件中的接地导体相关参数，建立接地导体模型；

步骤3：接地导体体电阻r1的计算

将接地导体设置为联合体，此时接触面之间完全粘合不存在接触电阻，一端建立电流源，通入1a电流，一端设置接地，通过计算两端电势差来间接计算接地导体的体电阻r1；

步骤4：接地导体整体电阻r2的计算

将接地导体设置为装配体，此时接触面之间存在接触电阻，一端建立电流源，通入1a电流，一端设置接地，通过计算两端电势差来间接计算接地导体的整体电阻r2；

步骤5：接地导体接触电阻r的计算

根据前面所计算的接地导体体电阻r1和接地导体整体电阻r2，接地导体整体电阻r2减去接地导体体电阻r1，所求值即为接地导体接触电阻r。

进一步，接地导体规格包括接地导体长度、接地导体连接处搭接长度、接地导体厚度。

进一步，接地导体材料性能参数包括密度、电阻率、杨氏模量、泊松比、相对磁导率、热膨胀系数、电阻率、温度系数、导热系数。

进一步，接地导体接触面属性包括接触面粗糙平均高度、接触面粗糙平均斜率、接触压力、微硬度、收缩电导。

进一步，螺栓型号包括螺栓头紧固器半径、螺栓头厚度、标称直径、螺栓长度。

进一步，螺母型号包括螺母标称孔径、螺母厚度、螺栓头紧固器半径。

进一步，将接地导体设置为联合体,计算接地导体体电阻r1；计算接地导体整体电阻r2时，将接地导体设置为装配体，同时设置螺栓预紧力的数值(预紧力f和紧固力矩m之间满足m＝0.2fd,d为螺栓的公称直径)；接地导体整体电阻r2减去接地导体体电阻r1，所求值即为接地导体接触电阻r。

附图说明

图1为搭建接地导体连接处接触电阻的仿真计算模型的流程图。

图2为本发明方法中基于comsol建立的接地导体仿真模型图。

图3为本发明方法中施加电流以及测量电压的位置示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

本发明结合comsol软件来对接地导体连接处接触电阻进行仿真计算。

comsol软件是由瑞典comsol公司开发，广泛应用于各个领域的科学研究以及工程计算的大型的高级数值仿真软件，以高效的计算性能和杰出的多物理场耦合分析能力实现了任意多物理场的高精度的数值仿真。本发明将接地导体搭接处的情形与comsol软件结合，综合考虑接地导体规格、接地导体材料性能、接地导体接触面属性等因素，建立接地导体搭接处仿真模型，能够更为准确地计算接地导体搭接处的接触电阻。

具体来讲，基于comsol的接地导体连接处接触电阻仿真计算方法包括以下步骤：

步骤1、获取电气基本参数，这些参数包括：

1)所涉及的接地导体规格包括接地导体长度、接地导体连接处搭接长度、接地导体厚度；

2)所涉及的接地导体材料性能参数包括密度、电阻率、杨氏模量、泊松比、相对磁导率、热膨胀系数、电阻率、温度系数、导热系数；

3)所涉及的接地导体接触面属性包括接触面粗糙平均高度、接触面粗糙平均斜率、接触压力、微硬度、收缩电导；

4)所涉及的螺栓型号包括螺栓头紧固器半径、螺栓头厚度、标称直径、螺栓长度；

5)所涉及的螺母型号包括螺母标称孔径、螺母厚度、螺栓头紧固器半径。

步骤2、搭建comsol仿真模型。

搭建接地导体连接处接触电阻的仿真计算模型的流程图，如图1所示。

在comsol中使用组件下的“几何”模块，首先计算出模型坐标，然后根据坐标绘制接地导体三维模型，在材料库中选中自己想要定义的导体材料，将所选的材料与自己获取的性能参数相比较，如有不同，以自己获取的为准进行修改。同时定义电流模块中电接触对的属性，包括接触面粗糙平均高度、接触面粗糙平均斜率、接触压力、微硬度、收缩电导。而在固体力学模块中，将接触对的接触压力方法选为“罚”，同时将接地导体的边框设置为“固定约束”。

依据步骤2建立接地导体连接处模型，根据实际接地工况，选择对应的紧固力矩即可完成模型建立，模型如图2所示。

步骤3：接地导体体电阻r1的计算

将接地导体设置为联合体，此时接触面之间完全粘合不存在接触电阻，一端建立电流源，通入1a电流，一端设置接地，通过计算两端电势差来间接计算接地导体的体电阻r1；

步骤4：接地导体整体电阻r2的计算

将接地导体设置为装配体，此时接触面之间存在接触电阻，一端建立电流源，通入1a电流，一端设置接地，同时设置螺栓预紧力的数值(预紧力f和紧固力矩m之间满足m＝0.2*f*d,d为螺栓的公称直径)，通过计算两端电势差来间接计算接地导体的整体电阻r2；

步骤5：接地导体接触电阻r的计算

根据前面所计算的接地导体体电阻r1和接地导体整体电阻r2，接地导体整体电阻r2减去接地导体体电阻r1，所求值即为接地导体接触电阻r。

步骤3-5中施加电流以及测量电压的位置示意图如图3所示。

通过以上步骤可以精确地计算出在不同紧固力矩下接地导体连接处的接触电阻。

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。