張會(huì)杰 黃小鳳 唐 成 何晨光 徐 浩

大容量發(fā)電機(jī)斷路器鑄鋁外殼在高溫條件下的性能分析

張會(huì)杰1黃小鳳2唐 成1何晨光1徐 浩2

（1. 西安西電開關(guān)電氣有限公司，西安 710077；2. 南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電有限公司，廣州 510000）

大容量發(fā)電機(jī)斷路器在實(shí)際運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)期處于高溫環(huán)境，需對(duì)高溫環(huán)境下的發(fā)電機(jī)斷路器關(guān)鍵零件——鑄鋁外殼的性能進(jìn)行分析。通過(guò)采用溫度傳感器對(duì)鑄鋁外殼及殼體內(nèi)部SF6絕緣氣體溫度進(jìn)行實(shí)測(cè)可知，長(zhǎng)期通流后，殼體的溫度與殼體內(nèi)部SF6氣體的溫度趨于平衡與一致。由殼體的最高工作溫度確定殼體內(nèi)部SF6氣體的最高溫度，再依據(jù)SF6氣體溫度與氣體壓力的曲線關(guān)系，確定鑄件殼體的最高工作壓力。同時(shí)，還測(cè)定了不同溫度條件下與鑄件外殼同牌號(hào)的單鑄試棒的力學(xué)性能參數(shù)，最后根據(jù)最新判據(jù)對(duì)鑄件殼體機(jī)械強(qiáng)度進(jìn)行仿真計(jì)算。

發(fā)電機(jī)斷路器；鑄鋁外殼；高溫環(huán)境；最高工作壓力；力學(xué)性能；機(jī)械強(qiáng)度

0 引言

發(fā)電機(jī)斷路器裝設(shè)在發(fā)電機(jī)組與變壓器之間，用于保護(hù)發(fā)電機(jī)組和變壓器[1-2]。早期變壓器與發(fā)電機(jī)之間一般不設(shè)發(fā)電機(jī)斷路器[3]，但是近年來(lái)隨著國(guó)產(chǎn)發(fā)電機(jī)斷路器技術(shù)的不斷成熟，發(fā)電機(jī)斷路器成本不斷降低，各類發(fā)電廠開始裝設(shè)發(fā)電機(jī)斷路器，在水電、火電及核電廠尤為突出。

不同于變壓器高壓系統(tǒng)側(cè)的開關(guān)設(shè)備，發(fā)電機(jī)斷路器屬于低電壓、大電流斷路器[4]，如燃?xì)鈾C(jī)組所用的發(fā)電機(jī)斷路器，其額定電壓為24kV，額定電流可以達(dá)到18kA；核電機(jī)組用發(fā)電機(jī)斷路器，其額定電壓近30kV，額定電流可以達(dá)到35kA。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，發(fā)電機(jī)斷路器通常滿負(fù)荷運(yùn)行，這導(dǎo)致發(fā)電機(jī)斷路器零部件長(zhǎng)期處于溫度較高的運(yùn)行條件下。

鑄鋁外殼作為發(fā)電機(jī)斷路器的關(guān)鍵零部件，需長(zhǎng)期通流，同時(shí)其內(nèi)部還需耐受一定壓力的SF6氣體作用。在長(zhǎng)期滿負(fù)荷運(yùn)行條件下，鑄鋁外殼溫度會(huì)逐漸升高，隨著溫度的升高，鑄件殼體內(nèi)SF6氣體的壓力會(huì)逐漸變大，因此有必要確定在此條件下鑄件殼體的最高工作壓力。同時(shí)，高溫條件下，發(fā)電機(jī)斷路器鑄鋁外殼力學(xué)性能指標(biāo)如屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度等是否會(huì)產(chǎn)生變化，也是需要研究的內(nèi)容。

1 發(fā)電機(jī)斷路器鑄件殼體溫度實(shí)測(cè)

某型發(fā)電機(jī)斷路器主回路通流鑄件殼體如圖1所示，對(duì)其溫度進(jìn)行實(shí)測(cè)在鑄件外殼溫升最高區(qū)域選取四個(gè)點(diǎn)設(shè)置溫度傳感器，即圖1中的A、B、C、D，同時(shí)在鑄件殼體內(nèi)部設(shè)置兩個(gè)溫度傳感器測(cè)量SF6氣體溫度，即圖1中E和F。

圖1 發(fā)電機(jī)斷路器主回路通流鑄件殼體

在滿容量27kA通流條件下，測(cè)量鑄件殼體溫度及鑄件殼體內(nèi)部SF6氣體溫度，各點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化曲線如圖2所示。

從圖2可以看出，在通流近9h后，各點(diǎn)溫度趨于穩(wěn)定。各測(cè)量點(diǎn)的最終實(shí)測(cè)溫度見表1。

從表1可以看出，滿容量通流時(shí)，鑄件殼體表面及殼體內(nèi)部氣體溫度接近80℃。此外，還可看出，長(zhǎng)期通流后，殼體表面溫度與殼體內(nèi)SF6絕緣氣體溫度相差不大，即在長(zhǎng)期通流后，殼體溫度與殼體內(nèi)部SF6氣體溫度趨于平衡與一致。

圖2 各點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化曲線

表1 各測(cè)量點(diǎn)實(shí)測(cè)溫度

2 確定鑄件殼體最高工作壓力

上述發(fā)電機(jī)斷路器在20℃下的氣室額定壓力為1。假設(shè)氣室密封狀態(tài)良好，不會(huì)發(fā)生漏氣，由于氣室容積固定，在20℃時(shí)充入一定壓力的氣體后，充入氣體的質(zhì)量也就確定，根據(jù)公式=/可知，即使氣體溫度升高，氣體的密度也不會(huì)隨之發(fā)生改變。通過(guò)貝蒂-布里奇曼SF6氣體狀態(tài)方程[5-6]可計(jì)算出斷路器氣室內(nèi)在20℃時(shí)充入1壓力SF6氣體的密度。

SF6氣體狀態(tài)方程為

式中：為SF6氣體的絕對(duì)壓力（MPa）；為SF6氣體密度（kg/m3）；為SF6氣體熱力學(xué)溫度（K）。

表1列出的斷路器鑄件內(nèi)部SF6氣體實(shí)測(cè)溫度為75.6℃、77.2℃，取均值76.4℃作為SF6氣體溫度。在密度已知的條件下，再次利用貝蒂-布里奇曼氣體狀態(tài)方程計(jì)算出此溫度下對(duì)應(yīng)的SF6氣體壓力見表2。

表2 鑄件殼體實(shí)測(cè)溫度下對(duì)應(yīng)壓力

實(shí)測(cè)溫度下，SF6氣體壓力為1.27倍的1，但是考慮產(chǎn)品使用環(huán)境和散熱條件的不同，溫度可能會(huì)有波動(dòng)，需要確定波動(dòng)的上限值。

文獻(xiàn)[7]對(duì)鑄鋁殼體的溫升作了限值要求，通常殼體溫度不能超過(guò)105℃。此外，從表1實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可以得出，在長(zhǎng)期通流后，殼體溫度與內(nèi)部絕緣氣體溫度相差不大。因此，可將標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的殼體溫度上限值作為絕緣氣體的溫度上限值。再次利用貝蒂-布里奇曼狀態(tài)方程計(jì)算出該溫度條件下的絕緣氣體壓力為1.41倍的1，確定此壓力為殼體的最高工作壓力。

文獻(xiàn)[8]對(duì)鑄件的破壞壓力做了規(guī)定，要求破壞壓力為5倍的設(shè)計(jì)壓力，即5×1.411。

3 材料力學(xué)性能指標(biāo)在高溫條件下的試驗(yàn)驗(yàn)證

為分析外殼材料在高溫條件下的力學(xué)性能指標(biāo)，采用與鑄件外殼同牌號(hào)的單鑄試棒，分別測(cè)量在不同溫度條件下試棒的力學(xué)性能指標(biāo)，單鑄試棒的外形如圖3所示。

圖3 單鑄試棒

鑄鋁合金材料屬于塑性材料，沒(méi)有明顯的屈服點(diǎn)，通常把材料產(chǎn)生的殘余塑性變形為0.2%時(shí)的應(yīng)力值0.2作為條件屈服強(qiáng)度[9]。

溫度測(cè)量點(diǎn)分別取25℃、60℃、80℃、90℃、105℃、115℃，測(cè)量數(shù)據(jù)包括各溫度下的條件屈服強(qiáng)度0.2、抗拉強(qiáng)度、泊松比、彈性模量，具體測(cè)量數(shù)據(jù)見表3。

分析試驗(yàn)結(jié)果可以看出，材料的條件屈服強(qiáng)度0.2和抗拉強(qiáng)度與溫度呈負(fù)相關(guān)，隨著溫度升高，材料的條件屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度逐漸下降。材料的泊松比與溫度呈正相關(guān)，彈性模量與溫度呈負(fù)相關(guān)，但相對(duì)來(lái)說(shuō)，泊松比與彈性模量隨溫度的變化值較小。

表3 不同溫度條件下單鑄試棒力學(xué)性能指標(biāo)

材料條件屈服強(qiáng)度0.2和抗拉強(qiáng)度隨溫度的變化關(guān)系曲線如圖4所示。

圖4 材料力學(xué)性能指標(biāo)隨溫度的變化曲線

表3給出了不同溫度下單鑄試棒的條件屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度，文獻(xiàn)[8]規(guī)定鑄件本體試棒的條件屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度值不得低于單鑄試棒的75%。對(duì)于泊松比與彈性模量，無(wú)論是單鑄試棒還是本體試棒，其值是一致的。因此，不同溫度條件下鑄件本體試棒力學(xué)性能指標(biāo)見表4。

表4 不同溫度條件下鑄件本體試棒力學(xué)性能指標(biāo)

4 高溫條件下鑄件外殼強(qiáng)度仿真計(jì)算

利用仿真軟件對(duì)鑄件外殼在破壞壓力條件下進(jìn)行強(qiáng)度校核，施加載荷為7.051，判斷標(biāo)準(zhǔn)為105℃溫度條件下鑄件本體試棒的力學(xué)性能指標(biāo)，同時(shí)在仿真之間對(duì)殼體材料賦予該溫度條件下的泊松比與彈性模量值。

為減小計(jì)算工作量，對(duì)發(fā)電機(jī)斷路器鑄造殼體的三維模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，去除其上對(duì)計(jì)算結(jié)果影響微小的凸臺(tái)、尖銳的棱角等細(xì)微結(jié)構(gòu)；為考核殼體的法蘭，增加試驗(yàn)工裝蓋板，使殼體和蓋板均形成封閉容器。

鑄鋁合金屬于塑性材料，其雖沒(méi)有明顯的屈服點(diǎn)，但當(dāng)應(yīng)力集中部位的應(yīng)力值超出條件屈服強(qiáng)度0.2時(shí)，該部位的應(yīng)力值將不再增大，直到附近區(qū)域的應(yīng)力值也達(dá)到0.2后，應(yīng)力值才會(huì)繼續(xù)增大至材料的破壞強(qiáng)度[10-12]。

鑄造殼體在破壞試驗(yàn)壓力下的應(yīng)力云圖和形變?cè)茍D如圖5～圖8所示。

圖5 殼體內(nèi)腔應(yīng)力云圖

圖6 殼體外部應(yīng)力云圖

對(duì)鑄造殼體在破壞試驗(yàn)壓力作用下的仿真計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，允許應(yīng)力值以105℃條件下的抗拉強(qiáng)度值作為判據(jù)，計(jì)算應(yīng)力及形變值見表5。

圖7 殼體內(nèi)腔形變?cè)茍D

圖8 殼體外部形變?cè)茍D

表5 發(fā)電機(jī)斷路器鑄造殼體的計(jì)算應(yīng)力和形變值

鑄鋁殼體的內(nèi)腔應(yīng)力值在所要求范圍之內(nèi)，鑄鋁殼體外部的最大應(yīng)力值在加強(qiáng)筋的根部，此處應(yīng)力值接近或大于抗拉強(qiáng)度，但是所占區(qū)域很小，屬應(yīng)力集中部位。加強(qiáng)筋根部周圍的應(yīng)力值都未超過(guò)0.2即160.22MPa，因此，此處的應(yīng)力集中不會(huì)導(dǎo)致殼體破壞，可以剔除應(yīng)力云圖中的應(yīng)力畸變區(qū)域。

此外，從形變?cè)茍D圖7和圖8可以看出，殼體形變量很小，在允許的范圍之內(nèi)。

5 結(jié)論

通過(guò)溫度傳感器對(duì)發(fā)電機(jī)斷路器外殼及內(nèi)部絕緣氣體溫度進(jìn)行實(shí)測(cè)，得出殼體表面溫度與內(nèi)部絕緣氣體溫度相差不大這一結(jié)論。確定出殼體的最高工作溫度后，再依據(jù)SF6氣體溫度狀態(tài)方程，確定鑄件殼體的最高工作壓力。通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定不同溫度條件下單鑄試棒的抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度參數(shù)可知，隨著溫度的升高，材料的抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)。最后通過(guò)仿真軟件對(duì)發(fā)電機(jī)斷路器鑄件外殼進(jìn)行強(qiáng)度校核，判定在高溫條件下鑄件殼體滿足設(shè)計(jì)要求。

本文所述驗(yàn)證方法對(duì)其他產(chǎn)品在高溫條件下運(yùn)行的鑄鋁殼體的設(shè)計(jì)具有一定的參考意義。

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Performance analysis of large capacity generator circuit breaker with cast aluminum housing under high temperature

ZHANG Huijie1HUANG Xiaofeng2TANG Cheng1HE Chenguang1XU Hao2

(1.Xi’an XD Switchgear Electric Co., Ltd, Xi’an 710077;2.China Southern Power Grid Peak Regulation and Frequency Regulation Power Generation Co., Ltd, Guangzhou 510000)

The large-capacity generator circuit breaker is in a high temperature environment for a long time in actual operation. It is necessary to analyze the performance of the generator circuit breaker cast aluminum housing under high temperature. The temperatures of the cast aluminum housing and the SF6gas inside are measured by the temperature sensor, and it is concluded that the temperature of the housing and the temperature of the SF6gas inside the housing tend to be balanced and consistent after a long-term flow. The maximum temperature of the SF6gas inside the shell is determined by the maximum working temperature of the shell, and then the maximum working pressure of the casting shell is determined according to the curve relationship between the temperature of the SF6gas and the gas pressure. At the same time, the mechanical property parameters of the single-casting test bars which are the same grade as the casting shell are measured under different temperature conditions, and finally the mechanical strength of the casting shell is simulated according to the latest criterion.

generator circuit breaker; cast aluminum housing; high temperature environment; maximum working pressure; mechanical property; mechanical strength

2022-04-20

2022-05-16

張會(huì)杰（1988—），男，陜西省西安市人，碩士，工程師，主要從事高壓電氣產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與研發(fā)工作。

中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司重點(diǎn)科技項(xiàng)目“抽水蓄能機(jī)組成套開關(guān)設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用”（STKJXM20190198）