宋桂昭 胡向峰 馬本富 高濤

摘要：現(xiàn)階段，隨著社會(huì)的發(fā)展，現(xiàn)代化建設(shè)的發(fā)展也有了很大的進(jìn)步。高壓隔離開關(guān)節(jié)能降耗和控制過熱一直以來都是電力系統(tǒng)亟待解決的重要問題之一。實(shí)際運(yùn)行中，隔離開關(guān)由于受到惡劣環(huán)境和復(fù)雜氣候條件的影響，隨著運(yùn)行時(shí)間的增長，導(dǎo)電回路常會(huì)出現(xiàn)過熱現(xiàn)象，尤其以觸指/觸頭接觸處最為嚴(yán)重。隔離開關(guān)的主要失效形式是由于接觸電阻產(chǎn)生的焦耳熱使得收縮區(qū)溫度升高，致使兩接觸面產(chǎn)生熔焊。目前，由“導(dǎo)電斑點(diǎn)”接觸的微觀特征引發(fā)的收縮電阻以及接觸電阻，一直都是國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)，并對(duì)電接觸下熱過程數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了大量的相關(guān)研究。文中以GW4-220kV高壓隔離開關(guān)兩種不同截面觸指的接觸系統(tǒng)為研究對(duì)象，采用建立數(shù)學(xué)模型和AnsysWorkbench有限元分析軟件相結(jié)合的方式，對(duì)觸點(diǎn)靜態(tài)接觸下接觸系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)熱效應(yīng)和暫態(tài)熱效應(yīng)進(jìn)行理論分析和仿真計(jì)算，并通過瞬態(tài)熱—電耦合分析來討論220kV隔離開關(guān)在50kA/3s下的熱穩(wěn)定性及其影響因素。

關(guān)鍵詞：隔離開關(guān)觸點(diǎn);靜態(tài)接觸;熱穩(wěn)定性研究

引言

在配電系統(tǒng)中，配電裝置承擔(dān)著電能的分配、傳輸、保護(hù)和控制等重要功能，是一個(gè)量大面廣的基礎(chǔ)元件。作為重要元器件之一，隔離開關(guān)的可靠性和穩(wěn)定性要求越來越高，其短時(shí)耐受電流能力是一項(xiàng)極為重要的性能指標(biāo)。本文建立隔離開關(guān)三維模型，使用Ansys進(jìn)行仿真分析開關(guān)40kA/1s和50kA/0.5s短時(shí)耐受電流。先校核動(dòng)穩(wěn)定性，分析開關(guān)動(dòng)觸頭組件（刀閘）電磁力，后進(jìn)行熱穩(wěn)定性分析，采用Holm模型的等效接觸電阻，分析開關(guān)在不同時(shí)間段最高溫度，以此為解決直流隔離開關(guān)短耐問題提供仿真設(shè)計(jì)依據(jù)。

1觸指/觸頭接觸電阻數(shù)學(xué)模型

高壓隔離開關(guān)接觸系統(tǒng)電阻由導(dǎo)體自身電阻和接觸電阻兩部分組成。為了對(duì)比研究矩形和W形截面觸指對(duì)熱穩(wěn)定性的影響，保持兩種形式的電阻相同。兩種接觸系統(tǒng)的銅觸頭尺寸相同，觸指截面積s=286mm2;觸指長度l=25mm2。由于接觸電阻值的大小與接觸元件的材料、表面粗糙度、接觸形式、接觸力等都有關(guān)，而矩形、W型截面存在觸指/觸頭接觸時(shí)接觸線長度不相等的情況，無法在同等情況下對(duì)這兩種接觸系統(tǒng)熱穩(wěn)定性進(jìn)行研究。目前還未提出動(dòng)態(tài)接觸電阻數(shù)學(xué)模型和數(shù)學(xué)表達(dá)式。因此，文中針對(duì)觸指、觸頭穩(wěn)定接觸時(shí)的接觸電阻，即靜態(tài)接觸電阻。Williamson的實(shí)驗(yàn)表明接觸電阻完全是由電流線收縮造成，表面膜只是通過干擾導(dǎo)電斑點(diǎn)的形成來影響電流收縮。采用Holm單斑點(diǎn)一級(jí)收縮模型，該模型將觸點(diǎn)的形狀處理為直徑為D的圓形金屬導(dǎo)電斑點(diǎn)。當(dāng)電流通過此導(dǎo)電斑點(diǎn)時(shí)電流線產(chǎn)生收縮產(chǎn)生收縮電阻，而電流線的變形主要與觸點(diǎn)壓力和觸點(diǎn)形狀有關(guān)。文中提出的接觸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)滿足Hertz接觸條件，即接觸區(qū)的有效尺寸比起每個(gè)部件的尺寸及其表面相對(duì)曲率半徑是很小的，利用解析法得到觸點(diǎn)接觸半徑。接觸力會(huì)對(duì)觸點(diǎn)接觸半徑，進(jìn)而對(duì)收縮電阻產(chǎn)生影響，另外在瞬時(shí)過熱條件下如果考慮接觸力，觸點(diǎn)半徑會(huì)發(fā)生變化從而影響收縮電阻，對(duì)溫升產(chǎn)生影響。為了避免接觸力對(duì)熱穩(wěn)定性的影響，在Workbench中進(jìn)行有限元分析時(shí)，耦合節(jié)點(diǎn)位移處施加恒定接觸力，并建立接觸對(duì)，從而保證文中只分析觸頭截面形式對(duì)隔離開關(guān)熱穩(wěn)定性的影響。

2觸指/觸頭接觸系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)熱穩(wěn)定性分析

以GW4-220kV高壓隔離開關(guān)為研究對(duì)象，該型號(hào)隔離開關(guān)實(shí)際運(yùn)行中流過的電流很大，額定電流2000A，額定短時(shí)耐受電流則高達(dá)50kA/3s，因此會(huì)產(chǎn)生大量的電阻發(fā)熱，尤其是在觸指/觸頭接觸處發(fā)熱更為明顯。文中忽略流經(jīng)各個(gè)觸指的電流差異，近似認(rèn)為觸指上的電流分配均相同。

2.1接觸系統(tǒng)內(nèi)電阻穩(wěn)態(tài)發(fā)熱

為了更準(zhǔn)確研究接觸系統(tǒng)的熱穩(wěn)定性，將接觸電阻的影響通過其通電發(fā)熱量來反映。在對(duì)模型劃分網(wǎng)格時(shí)，運(yùn)用自由分網(wǎng)的方式。對(duì)接觸系統(tǒng)采用較小的網(wǎng)格尺寸，并采用柔性網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分比較精細(xì);其余部件網(wǎng)格劃分較粗，從而達(dá)到即節(jié)省計(jì)算時(shí)間又保證計(jì)算精度的要求。在穩(wěn)態(tài)溫升仿真中，觸頭側(cè)接線端子加載額定電流2000A，同時(shí)將觸指側(cè)接線端子電壓設(shè)置為0V。由于環(huán)境為常溫戶外空間，空氣處于自然對(duì)流狀態(tài)。相關(guān)資料顯示[6]：在此條件下，空氣的對(duì)流散熱系數(shù)為5～10W/（m2·K）。施加的對(duì)流散熱系數(shù)為10W/（m2·K），環(huán)境溫度為25℃。雖然A、B兩類觸指散熱面積存在差異，但由觸點(diǎn)穩(wěn)態(tài)熱過程數(shù)學(xué)模型可以看出該物理量對(duì)觸指穩(wěn)態(tài)熱過程影響微乎其微。先忽略接觸電阻的影響，只由接觸系統(tǒng)導(dǎo)體內(nèi)電阻生熱導(dǎo)致的溫度場分布云圖。

2.2接觸系統(tǒng)接觸電阻穩(wěn)態(tài)發(fā)熱

文中隔離開關(guān)接觸電阻穩(wěn)態(tài)溫升的研究對(duì)象為單個(gè)的觸指模型，從而達(dá)到簡化模型的目的。忽略溫度對(duì)電阻率的影響，將隔離開關(guān)接觸系統(tǒng)處理成一個(gè)并聯(lián)電路，則流經(jīng)各個(gè)觸指的額定電流近似為250A。這種接觸方式的接觸面積較小，傳熱效果不佳，接觸系統(tǒng)的發(fā)熱主要集中在接觸線上。A類觸指最高溫度約為56.4℃，而B類觸指約為51.0℃。接觸系統(tǒng)發(fā)熱的主要熱源為接觸電阻發(fā)熱。仿真計(jì)算和理論分析結(jié)果一致，說明模型正確。

3觸指/觸頭接觸系統(tǒng)瞬態(tài)熱穩(wěn)定性分析

許多電器都必須經(jīng)受短路電流的考驗(yàn)[13]。對(duì)于GW4-220kV高壓隔離開關(guān)，即短路大電流50kA/3s的作用下，要求觸頭接觸面不會(huì)出現(xiàn)過熱現(xiàn)象。

3.1接觸系統(tǒng)瞬態(tài)熱過程數(shù)學(xué)模型

在短路電流條件下，由于電流的作用時(shí)間較短，觸點(diǎn)溫升計(jì)算可以忽略散熱。相關(guān)資料表明：對(duì)于Cu導(dǎo)體，當(dāng)A=1cm2、p=1cm2、V=1cm3時(shí)，即在短路電流下接觸面上的溫升主要取決于接觸焦耳熱而非導(dǎo)體內(nèi)熱源。

3.2接觸系統(tǒng)熱—電耦合瞬態(tài)溫升仿真

流經(jīng)各個(gè)觸指的額定短時(shí)耐受電流為6250A/3s，接觸電阻產(chǎn)生的熱量為Qc'=I2dRc=6250×6250×0.0875×10-3≈3417.97W。將以上計(jì)算得到的接觸電阻瞬態(tài)發(fā)熱量施加到觸指/觸頭接觸線上，得到3s內(nèi)接觸線上最高溫度變化曲線。A、B兩類觸指瞬態(tài)溫度場分布分別見圖11、12。由于額定短時(shí)耐受電流作用時(shí)間只有3s，可將其視為絕熱過程，因此熱量主要集中在觸指/觸頭配合接觸線上。A類觸指接觸線上的最高溫度約為883℃，而B類為865℃。接觸處觸指材料為Cu（熔點(diǎn)為1083℃），接觸線處不會(huì)發(fā)生粘連。

結(jié)語

通過建立GW4-220kV高壓隔離開關(guān)接觸系統(tǒng)的穩(wěn)、瞬態(tài)熱過程數(shù)學(xué)模型以及三維有限元分析模型，并在其基礎(chǔ)上對(duì)接觸線部位進(jìn)行了熱穩(wěn)定研究，得出以下結(jié)論：1）采用兩種不同截面型式觸指作為對(duì)比，利用Holm單斑點(diǎn)一級(jí)收縮模型計(jì)算出的接觸電阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于導(dǎo)體內(nèi)電阻，并通過接觸系統(tǒng)穩(wěn)、瞬態(tài)熱過程數(shù)學(xué)模型，從理論上證明了導(dǎo)電回路發(fā)熱主要出現(xiàn)在接觸系統(tǒng)，而接觸處發(fā)熱又主要為接觸電阻發(fā)熱。2）當(dāng)隔離開關(guān)導(dǎo)電回路通以額定電流2000A時(shí)，結(jié)果顯示最高溫度均出現(xiàn)在接觸線處，分別為56.4℃和51.0℃，在隔離開關(guān)允許溫升范圍之內(nèi)。因此，在通入額定電流2kA時(shí)，該型號(hào)的隔離開關(guān)可以穩(wěn)定、正常工作。3）在導(dǎo)電回路承受短路電流50kA/3s時(shí)，A、B兩類接觸線最高溫升為883℃和865℃，雖然低于觸指、觸頭材料熔點(diǎn)，但也說明此時(shí)接觸系統(tǒng)已屬于過熱狀態(tài)，熱穩(wěn)定性較差。4）在忽略導(dǎo)體自身電阻對(duì)熱穩(wěn)定性影響的前提下，觸指截面型式會(huì)對(duì)接觸系統(tǒng)最大溫升產(chǎn)生影響，B類接觸系統(tǒng)最大溫升明顯小于A類。

參考文獻(xiàn)

[1]吳濤，余海濤，戴永正，等.550kV高壓隔離開關(guān)熱穩(wěn)定性分析[J].高壓電器，2013，49（9）：134?141.

[2]程禮椿.電接觸理論及應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1988.

[3]姚文華.電觸點(diǎn)材料接觸電阻分析[J].電工材料，2005（3）：22?25..

[4]劉衛(wèi)峰.高壓隔離開關(guān)自力型觸指結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)及其成形技術(shù)研究[D].洛陽：河南科技大學(xué)，2011.

[5]程禮椿.論接觸電阻模型與應(yīng)用問題[J].高壓電器，1993，29（2）：34?40..