王蓉雪，高振國

（沈陽工程學院，遼寧 沈陽 110136）

高壓隔離開關電磁場與溫度場仿真分析

王蓉雪，高振國

（沈陽工程學院，遼寧 沈陽 110136）

利用ANSYS軟件對GW5型高壓隔離開關進行模擬仿真分析，針對高壓隔離開關電磁場、溫度場的特性進行研究，仿真分析結果對當前高壓隔離開關的制造工藝、選材質量及結構設計具有一定參考。

高壓隔離開關；電磁場；溫度場

目前，對大型電力設備如變壓器、斷路器、避雷器等的研究較為普遍，但對高壓隔離開關的研究相對較少，而高壓隔離開關是變電站中大量使用的高壓開關設備，其有效運行關系到整個電能變換環(huán)節(jié)的可靠性。高壓隔離開關常見問題有：導電回路過熱、隔離開關分合閘故障、絕緣子斷裂故障等。其中導電回路過熱是隔離開關長期以來未能徹底解決的難題，一般高壓隔離開關工作電流在70%工作電流以上時，將出現(xiàn)發(fā)熱問題。數(shù)據(jù)顯示，2010—2014年，河南省南部電網110 kV及以上隔離開關因觸頭過熱導致危急、嚴重缺陷196起，占隔離開關危急、嚴重缺陷73%。

1 高壓隔離開關概述

1.1 高壓隔離開關的組成

隔離開關是電氣系統(tǒng)重要的設備，主要功能是將高壓配電裝置中需要停電的部分與帶電部分進行有效隔離，確保檢修人員的安全，常與斷路器配套使用［1］。高壓隔離開關通?？砂粗е^緣子的數(shù)量、導電活動臂的開啟方式劃分［2］。隔離開關的品種較多，但都是由開斷元件、支撐絕緣件、傳動元件、基座及操動機構5個部分組成，其主要零部件及功能如表1所示。

表1 隔離開關主要零部件及功能

1.2 高壓隔離開關導電回路過熱

造成高壓隔離開關缺陷或故障的原因既有制造工藝、選材質量的問題，也有維護不當?shù)榷喾N因素，其中導電回路過熱是高壓隔離開關尤為突出的難題，嚴重影響設備的安全運行。高壓隔離開關導電回路過熱的原因是：工作電流的逐步增大導致高壓隔離開關觸頭溫升超過允許值，同時長期承受壓力的靜觸指壓彈簧發(fā)生形變、積熱，造成燒損，如此惡性循環(huán)最終導致導電回路過熱［3］。

2 電磁場仿真分析

2.1 模型預處理

在對隔離開關運行情況的調查中發(fā)現(xiàn)，其結構造成比較大的影響，并且不同的觸頭材料其銹蝕和老化問題也比較突出。本研究將以隔離開關的觸頭為主要分析對象，對其材料及結構進行性能方面影響的仿真分析，然后進行優(yōu)化，圖1為隔離開關觸頭部分模型。

圖1 隔離開關觸頭部分模型

在電磁場分析環(huán)境下進行靜磁場、靜電場及傳導電流場的仿真，在靜磁場與靜電場分析中，有2個重要區(qū)域：一是場域，指的是待分析對象所處的物理空間環(huán)境，一般是周圍的空氣域；二是激勵源區(qū)域，在磁場中則指實導體和絞線圈，由待分析對象具體用途確定。隔離開關的觸頭部分便是實導體，因此，在導入分析前，需要對模型進行預處理，在DM中添加空氣域，如圖2所示。

圖2 空氣域模型

由于該隔離開關的觸頭部分外殼并不是封閉的，因此，在外部添加了殼體，該殼體主要是作為一個封閉的隔斷，由此建立空氣域。通過殼體隔斷后的空氣域有2個，1個是殼體外部的透明區(qū)域，1個是殼體和觸頭之間的空氣部分，如圖3所示。

圖3 模型外部建立的空氣域

建立空氣域后，在結構樹形窗中將增加1個殼體和2個空氣域，此時必須選中所有bodies合成1個Part，以保證所有實體在1個Part內仿真分析時能夠進行數(shù)據(jù)傳遞。

2.2 設置邊界條件

在ANSYS分析中，對分析對象施加載荷和約束即為設置邊界條件，設置邊界條件的作用是各數(shù)據(jù)量能夠通過節(jié)點和單元在幾何實體上進行傳遞［4］。除了為實體所屬材料設置邊界條件外，不同分析類型下所需要的邊界條件亦不同。

靜磁場分析中，首先要確定平行磁力線的方向，根據(jù)右手螺旋定則可選擇空氣域的外表面設置為該方向。接著要確定激勵源類型，有實導體和絞線圈2種，本文分析的隔離開關觸頭屬于實導體類型。設定環(huán)境溫度為29.059℃，將電壓與電流分別設置在觸指與觸頭導電桿的兩端，由此確定所施加的電壓等級為110 kV、電流為630 A。

2.3 求解及后處理

在靜磁場分析中，設置GW5型隔離開關的觸頭材料為熱鍍鋅。由于GW5型高壓隔離開關結構特點，使觸指表面場強和電位分布不均勻，觸頭連接處場強很高，過高的場強不僅產生電暈，影響隔離開關周圍電磁環(huán)境，而且還有較嚴重的電蝕作用，致使隔離開關加劇老化［5］。因此，對場強較高的觸頭指壓部分進行電場和磁場仿真分析，觸指磁場強度分布如圖4所示，觸指部分空氣域中的電場分布如圖5所示。

圖4 觸指磁場強度分布

圖5 觸指部分空氣域中的電場分布

通過仿真，主要分析了高壓隔離開關場強較大的觸指部位的磁場強度。GW5型隔離開關磁場分布不均勻，觸指邊緣表面磁場強度最大，最大磁場強度為0.021 T，觸指中心部位磁場強度最小，小于標準規(guī)定的變電站磁場輻射強度，因此，隔離開關產生的磁場對外界及自身影響很小。

在靜磁場分析中，主要關注的是導體表面及周圍場域的電流密度分布，如圖6所示。觸頭部分焦耳熱分布如圖7所示。經計算可得在110 kV電壓、630 A電流下，整體能量損耗約為12.9 W，并且可得到隔離開關觸頭部分上的能量損耗值。

3 溫度場仿真分析

3.1 模型預處理

由溫度場分析原理可知，所分析的溫度場是由傳導電流場作為基礎而開展的溫升分析。傳導電流場是以導體作為分析對象，從而得出其電位分布，不涉及建立空氣域的問題。但在傳導電流場中，仍要把所有的實體合成為1個整體，使數(shù)據(jù)能在1個Part進行傳遞。如圖8所示，完成以上操作后，模型的外形不會發(fā)生改變。

3.2 設置邊界條件

圖6 觸頭部分及觸指的電流密度分布

圖7 觸頭部分及觸指的焦耳熱分布

本文的分析將涉及載荷傳遞，在熱分析中，熱傳遞方式的選擇同樣很重要。本文的研究中，存在接觸熱傳遞，因此，選定熱傳導為主要傳熱方式。GW5為戶外用隔離開關，以拉長電弧方式為主要滅弧原理，觸頭部分直接與空氣接觸，對流系數(shù)為空氣對流系數(shù)8～10 W／（m2·℃）。網格劃分是在電磁環(huán)境下，一般采取自由網格劃分，圖8為其網格劃分結果。

圖8 溫度場網格劃分結果

3.3 求解及后處理

由ANSYS仿真結果可見，在最優(yōu)環(huán)境溫度為29.059℃的情況下，溫度由觸頭中心到兩端逐步下降，觸頭中心部分溫升最高為23.032℃，下端溫升最低為22.99℃。在溫度場分析中本文著重考慮觸指的溫升情況，如圖9所示，溫度場分布不均勻，觸指部分溫升最高，如長期積熱和外力作用易導致燒損。通過分析觸指溫度分布，建議在觸指部位選取耐熱性材料、復合型材料或在觸頭部分鍍銀層，使動、靜觸頭接觸面鍍銀層厚度≥2 μm，硬度≥120 HV。同時，采用紅外測溫技術定期檢測導電部位的發(fā)熱情況，發(fā)現(xiàn)問題及時處理［6］。

圖9 觸指部分溫度分析結果

4 結束語

本文介紹了GW5型隔離開關在ANSYS Work?bench中進行電磁場和溫度場分析要點。在電磁場仿真中開展了靜磁場、靜電場及電流傳導場的分析，觀察隔離開關觸頭部分磁場、電場、電流密度分布情況，溫度場關注觸指的溫升情況。利用電磁場仿真計算其表面電位分布，確定其最大電流密度及場強位置。通過對比分析，可對隔離開關性能優(yōu)化提供參考。在高壓隔離開關的后續(xù)研究中，應廣泛收集其在系統(tǒng)中運行情況，著重分析觸指的溫度分布，為選用結構合理、設計優(yōu)良、整體質量高的產品提供理論參考。

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Simulation Analysis on Electromagnetic Field of High Voltage Isolation Switch and Temperature Field

WANG Rongxue，GAO Zhenguo
（Shenyang Institute of Engineering，Shenyang，Liaoning 110136，China）

Simulation analysis of the GW－5 type high?voltage isolation switch is set up by using ANSYS software in this paper，this study focuses on the features of electro?magnetic field and temperature field for the high?voltage isolation switch.The simulation results have a certain reference for manufacturing process，physical design and materials selecting of present high?voltage switch.

high?voltage isolation switch；electromagnetic field；temperature field

TM564

A

1004－7913（2016）12－0021－04

王蓉雪（1991），女，學士，主要從事高電壓絕緣技術研究。

2016－09－15）