本文摘要：摘要：中壓開關(guān)柜發(fā)熱故障占比較高，故障條件下難以滿足溫升標(biāo)準(zhǔn)，因此研究中壓開關(guān)柜在故障狀態(tài)下的溫升特性對于電網(wǎng)的安全運(yùn)行具有重要意義。論文首先利用有限元仿真軟件ANSYSapdl和CFX建立了電磁-流體溫度場耦合的仿真模型，分析了1.1倍額定電流下的溫升分布，并通
摘要：中壓開關(guān)柜發(fā)熱故障占比較高，故障條件下難以滿足溫升標(biāo)準(zhǔn)，因此研究中壓開關(guān)柜在故障狀態(tài)下的溫升特性對于電網(wǎng)的安全運(yùn)行具有重要意義。論文首先利用有限元仿真軟件ANSYSapdl和CFX建立了電磁-流體溫度場耦合的仿真模型，分析了1.1倍額定電流下的溫升分布，并通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證;之后分別仿真分析了真空滅弧室內(nèi)和梅花觸頭處的接觸壓力對溫升的影響;最后分析了兩處接觸壓力同時變化對溫升的影響，并且基于仿真結(jié)果進(jìn)行函數(shù)擬合得到了接觸電阻與溫升之間的關(guān)系式。研究結(jié)果表明：由于接觸壓力減小導(dǎo)致的接觸電阻增大將導(dǎo)致溫升升高，通過觀察其變化趨勢可以發(fā)現(xiàn)接觸電阻對溫升的影響呈線性關(guān)系;梅花觸頭處接觸電阻與真空滅弧室內(nèi)接觸電阻對溫升的影響相互獨(dú)立。
關(guān)鍵詞：開關(guān)柜;溫升;接觸壓力;接觸電阻;有限元仿真
0引言
中壓開關(guān)柜被廣泛使用在配電網(wǎng)絡(luò)中，在居民、工廠、公共服務(wù)設(shè)施等中承擔(dān)了電能的分配、測量、控制和保護(hù)電路的作用。某供電企業(yè)對10kV開關(guān)柜進(jìn)行了故障統(tǒng)計(jì)，結(jié)果顯示發(fā)熱故障占比最高[1]。因此，研究開關(guān)柜溫升特性，尤其是故障時的溫升特性具有重要意義。近年來針對電力設(shè)備的溫升研究發(fā)展迅速。楊永通等人通過研究開關(guān)柜溫升和氣流場分布，優(yōu)化了開關(guān)柜的散熱設(shè)計(jì)[24]。汪倩等人利用AnsysEmag與CFX軟件模塊耦合，研究散熱風(fēng)扇對于開關(guān)柜溫升的影響[5]。
L.Wang等人通過仿真建立的40.5kV的SF6充氣柜(CGIS)，分析獲得了不同填充氣體下的溫升分布，在溫升方面為尋找SF6替代氣體提供了參考[67]，同時他們研究分析了MAXWELLFLUENT與ANSYSapdlCFX兩種耦合方式在仿真中壓開關(guān)柜溫升方面的優(yōu)缺點(diǎn)，并且提出了降低溫升的方法[89]。E.Fjeld等人對利用5種仿真方法對一個全新設(shè)計(jì)的開關(guān)柜進(jìn)行了溫升仿真，并且與實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了對比，他們發(fā)現(xiàn)，仿真的準(zhǔn)確性與輻射率和可靠的接觸電阻值有關(guān)，而與仿真工具無關(guān)[10]。
李晶等人利用ANSYS對某開關(guān)柜建立了梅花觸頭接觸正常和不良情況下的仿真模型，對觸指不完全有效接觸的故障情況作出仿真[11]。SachinB.Paramane等人利用CFD研究了風(fēng)向與風(fēng)機(jī)對變壓器散熱器性能的影響[12]。曾國偉通過分析開關(guān)柜故障和改善案例，利用有限元軟件仿真了開關(guān)柜的電場和溫度場，提出了一種10kV新型開關(guān)柜結(jié)構(gòu)和新型接線方式[13]。杜麗等人研究KYN9612的出線柜發(fā)現(xiàn)：環(huán)境溫度對開關(guān)柜溫升影響較小，引出排規(guī)格、斷路器觸臂材料對溫升影響較大[14]。
吳吉等人針對126kV三相共箱式GIS，仿真分析了電磁熱耦合模型與電磁熱流耦合模型[15]。蘇旭輝等人利用有限元仿真了不同觸頭接觸狀態(tài)和500A、1000A、1500A負(fù)載電流下GIS隔離開關(guān)的溫升分布，研究結(jié)果表明當(dāng)觸頭接觸不良時，GIS的溫升與溫升增速變大[16]。過去的研究內(nèi)容多數(shù)為開關(guān)柜正常情況下的溫升仿真[17]，對開關(guān)柜降低溫升提出改善結(jié)構(gòu)，風(fēng)機(jī)散熱等方式。而對接觸故障尤其是多處接觸故障同時發(fā)生的情況的溫升研究較少。
本文利用ANSYSapdlCFX耦合，建立了電磁流體溫度場的開關(guān)柜多物理場耦合模型，模型考慮了風(fēng)機(jī)強(qiáng)制對流散熱以及真空滅弧室內(nèi)和梅花觸頭的接觸電阻。首先獲得了1.1倍額定電流的溫升分布，并且與實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了對比驗(yàn)證;之后通過改變接觸電阻模型仿真分析了真空滅弧室內(nèi)觸頭壓力變化，梅花觸頭處接觸壓力變化兩種故障情況下溫升分布;最后探究了兩者同時變化時對整體溫升分布的影響，分析數(shù)據(jù)獲得了接觸電阻與各個部位溫升之間擬合關(guān)系式。
1仿真模型
仿真模型包括了全部導(dǎo)電結(jié)構(gòu)和部分非導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，如極柱、電流互感器、觸頭盒和殼體。極柱內(nèi)設(shè)置為真空，來模擬真空斷路器的觸頭處于熱導(dǎo)率極低的真空環(huán)境[18]。在斷路器室和電纜室下側(cè)分別建立兩個等效軸流風(fēng)機(jī)模型，用以模擬強(qiáng)制對流散熱。為考慮接觸電阻對于溫升的影響[19]，在真空滅弧室內(nèi)的動觸頭和靜觸頭之間、梅花觸頭和靜觸頭的搭接處，兩個位置添加了導(dǎo)電橋模型作為接觸電阻模型。
斷路器內(nèi)動靜觸頭的觸頭片材料為CuCr50，其接觸壓力為4800N，因此此處添加的接觸電阻模型材料選取為CuCr50，其布氏硬度為128N/mm2，計(jì)算得接觸電阻模型半徑為4.5mm，高度1.5mm，阻值約為1.672μΩ;梅花觸頭與靜觸頭均有鍍銀層，因此此處接觸電阻模型材料選取為Ag，接觸壓力約為180N，布氏硬度為80N/mm2，每個觸指與靜觸頭的接觸電阻阻值約為4.3μΩ，模型為弧片，截面的長方形尺寸為0.4mm×1.3mm，寬度約為0.6mm[21]。
在CFX仿真中，本文通過增加流體域來模擬開關(guān)柜內(nèi)部和外部的氣流環(huán)境。為了模擬開關(guān)柜正常工作時所處的室內(nèi)氣流情況，需要在空氣域的外部邊界上添加邊界條件。將極柱內(nèi)的空氣域刪除，即可視為極柱內(nèi)為真空條件。在仿真中，將空氣域四周邊界面類型設(shè)置為墻體(wall)，溫度為環(huán)境溫度，即305K，將其上表面設(shè)置為出口(outlet)，下表面設(shè)定為入口(inlet)，以模擬氣體自然流動。此種邊界條件的設(shè)置的目的是：1)避免了氣流場氣體流速為0時導(dǎo)致的CFX計(jì)算不收斂的問題;2)模擬了開關(guān)柜并柜運(yùn)行時兩側(cè)空氣流動幾乎為0的情況;3)極大的降低了外部空氣自然流動對開關(guān)柜溫升造成的影響。
2正常情況下的仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果
在溫升實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)在室內(nèi)進(jìn)行，環(huán)境溫度為32℃，實(shí)驗(yàn)電流有效值為3465A(1.1倍額定電流3150A)，采用熱電偶作為傳感器，開關(guān)柜內(nèi)溫升在5小時后達(dá)到穩(wěn)定，此時記錄溫升作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果。正常情況下的仿真設(shè)置如前所述，添加激勵為3465A。通過與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比，可以看出仿真結(jié)果準(zhǔn)確，仿真與實(shí)驗(yàn)的溫升分布均為真空滅弧室處溫度最高，隨著遠(yuǎn)離真空滅弧室，溫升呈現(xiàn)減小的趨勢。同時從其中數(shù)據(jù)可以看出，無論是仿真還是實(shí)驗(yàn)，溫升均符合國標(biāo)要求[22]。國標(biāo)的要求時，鍍銀處溫升<65K，其余裸露的銅處溫升<75K。
3故障條件下的仿真結(jié)果
3.1真空滅弧室內(nèi)觸頭壓力變化對溫升的影響
當(dāng)控制真空斷路器合閘、分閘操作的機(jī)構(gòu)出現(xiàn)某些部位松動的時候，或因某些原因合閘不到位，可能會導(dǎo)致真空滅弧室內(nèi)的動靜觸頭之間壓力減小。此時接觸電阻會減小，因?yàn)榻佑|電阻的大小，受到接觸壓力、接觸形式、接觸面材料特性等因素的影響。
3.2梅花觸頭處壓力變化對溫升的影響
梅花觸頭由彈簧負(fù)責(zé)緊固，當(dāng)彈簧出現(xiàn)松動或老化時，勁度系數(shù)減小，緊固能力下降，梅花觸頭與靜觸頭之間接觸壓力減小，接觸電阻增大。在保持真空滅弧室內(nèi)接觸壓力為4800N且其他設(shè)置與正常狀態(tài)下的仿真一致，負(fù)載電流為3150A(1倍負(fù)載)的情況下，通過式(1)，選取6組梅花觸頭與靜觸頭之間接觸壓力，其中電阻均為每個觸指處的接觸電阻。部分測溫點(diǎn)的溫升與梅花觸頭與靜觸頭之間接觸電阻關(guān)系。
3.3兩處壓力同時變化對溫升的影響
以上接觸電阻對溫升的影響均是在單一接觸電阻變量情況下得到，在研究滅弧室內(nèi)接觸電阻對溫升影響時，保持了梅花觸頭處接觸壓力為180N不變;在研究梅花觸頭處接觸電阻對溫升影響時，保持了滅弧室內(nèi)接觸壓力為4800N不變。由上述結(jié)果可見，雖然隨著真空滅弧室內(nèi)接觸壓力變化，梅花觸頭處接觸電阻對溫升的影響有所變化，但其變化基本為平移變化，即其本身的斜率基本不變。
觀察擬合結(jié)果可見，真空滅弧室內(nèi)接觸電阻與梅花觸頭處接觸電阻對柜內(nèi)各測溫點(diǎn)的影響程度不同。其中，越靠近真空滅弧室的點(diǎn)位受真空滅弧室內(nèi)接觸電阻的影響越大，滅弧室內(nèi)的靜觸頭和動觸頭所受影響最明顯。而梅花觸頭處接觸電阻對梅花觸頭處溫升有明顯影響�？梢�，開關(guān)柜內(nèi)各處接觸電阻對越接近接觸點(diǎn)的部件溫升影響越大。
4結(jié)論
本文對額定電流為3150A的中壓開關(guān)柜溫升進(jìn)行了仿真分析，主要結(jié)論如下：
1)在仿真模型中考慮了接觸電阻以及風(fēng)機(jī)強(qiáng)制對流等條件對溫升的影響，并通過1.1倍額定負(fù)載的溫升實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了仿真模型與方法的準(zhǔn)確性。
2)通過計(jì)算多組不同接觸壓力下的溫升，得到了接觸電阻與溫升的函數(shù)擬合關(guān)系式。從中發(fā)現(xiàn)，梅花觸頭處接觸電阻與真空滅弧室內(nèi)接觸電阻對溫升的影響相互獨(dú)立，但對各導(dǎo)體的影響能力前者小于后者。
3)在強(qiáng)制對流條件下，接觸壓力減小造成的溫升升高影響被減弱，因此在開關(guān)柜長期處于額定電流工作條件下，風(fēng)機(jī)的長期工作可降低溫升過高風(fēng)險。
參考文獻(xiàn)References
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[4]楊永通.基于多物理場仿真技術(shù)的強(qiáng)迫風(fēng)冷條件下12kV開關(guān)柜溫升絕緣性能研究[D].廈門：廈門理工學(xué)院，2017.
作者：馬信友,王立軍，王睿，張聞?wù)?/p>
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