高速鐵路隔離開關(guān)溫度隨工況變化規(guī)律研究

王 帥 上海鐵路局徐州供電段

高速鐵路隔離開關(guān)溫度隨工況變化規(guī)律研究

王 帥 上海鐵路局徐州供電段

重點進行高速鐵路隔離開關(guān)溫度的仿真研究，根據(jù)熱量平衡理論建立隔離開關(guān)溫升數(shù)學(xué)模型，以環(huán)境溫度及設(shè)備電流為變量，結(jié)合熱量對流及輻射等相關(guān)傳熱學(xué)理論，運用MATLAB仿真軟件設(shè)計了仿真程序，得出隔離開關(guān)溫度變化規(guī)律的三維仿真圖形。使用實際電流及環(huán)境溫度數(shù)據(jù)對理論仿真結(jié)果進行驗證，并與使用紅外熱成像儀實際測量的設(shè)備溫度曲線進行對比，以評估仿真結(jié)果的精確度。研究結(jié)果顯示，該模型具有較高的精確度，符合設(shè)備的實際溫度變化情況。通過環(huán)境溫度及設(shè)備電流來反映設(shè)備溫度的手段，可以避免對設(shè)備溫度進行反復(fù)現(xiàn)場測量，減少工作量，這將為鐵路運營的監(jiān)控及行車安全提供有力保障。

隔離開關(guān)；紅外測溫；溫度

1 高壓隔離開關(guān)與本體溫升值的定義

高壓隔離開關(guān)是高速鐵路供電系統(tǒng)中不可缺少的設(shè)備之一，溫升值是它的一項重要性能指標。開關(guān)的溫升值是它本身發(fā)熱與散熱兩方面因素綜合作用的結(jié)果。開關(guān)的發(fā)熱量來自于接觸電阻處的集中發(fā)熱及各導(dǎo)電部分的焦耳熱，通過開關(guān)裸露表面的自然對流與輻射將這些熱量散發(fā)到環(huán)境中去。

隔離開關(guān)導(dǎo)電部分的基本構(gòu)造由導(dǎo)電桿、觸頭與引線組成。導(dǎo)電桿的一端是觸頭,另一端與引線相聯(lián)并固定在絕緣子上。觸頭部分因接觸電阻存在而產(chǎn)生集中的熱量,作用在導(dǎo)電桿的一端。導(dǎo)電桿外表面通過熱對流與熱輻射的方式向環(huán)境散熱。導(dǎo)電桿的外表面不僅需要散去本身的發(fā)熱量,還需要散去觸頭上產(chǎn)生的熱量。導(dǎo)電桿在整個問題中起著重要作用。

2 模型建立

如圖1所示為一根無限長、等截面、截面形狀任意的細長桿。桿上通過電流,產(chǎn)生焦耳熱。這些熱量全部由表面通過自然對流與輻射散發(fā)出去。由于桿的橫截面較小，材料的導(dǎo)熱系數(shù)很大,外表面的放熱系數(shù)不大,故可認為桿橫截面上的溫度是均勻一致的。在無窮長桿的情況下,沿桿的長度方向沒有熱流流動,所以沿長度方向溫度也是均勻一致的。

圖1 導(dǎo)電桿示意圖

現(xiàn)在考慮長度為L的一段桿上的熱量平衡，可以得到：

式（1）中：A是導(dǎo)電桿橫截面面積，P是導(dǎo)電桿橫截面周長，是導(dǎo)電桿電阻率，T是導(dǎo)電桿溫度，T∞是環(huán)境溫度，ε是表面黑度系數(shù)，σ是斯蒂芬-波爾茲曼常數(shù)，h是表面對流換熱系數(shù)。

式（1）的左端為導(dǎo)電桿電阻產(chǎn)生的焦耳熱量，右端第一項是對流散去的熱量，第二項是輻射散去的熱量。為使方程簡化，將輻射項改寫為對流換熱的形式，即令：

令ΔT=T-T∞，代入式（1～3）并展開可得：

一般情況下ΔT〈〈T∞，則：

將式（5）代入式（1），整理可得：

自然對流放熱系數(shù)h可根據(jù)文[2]提供的準則關(guān)系式計算得到。

在式（7）中：C為常數(shù)，Gr為格拉曉夫數(shù)；Pr為普朗特數(shù)。

式中：a為熱擴散率，g為重力加速度，v為空氣運動黏度，l為導(dǎo)電桿長度，ΔT為導(dǎo)電桿溫升。

根據(jù)傳熱學(xué)理論，將式（8）和式（9）代入式（7），取C= 0.48，n=1/4，整理可得：

將式(10)代入式(6)，整理可得：

式(11)即為隔離開關(guān)溫升表達式，式中溫升ΔT為所求量，導(dǎo)電桿電流I、環(huán)境溫度T∞為變量，使用MATLAB環(huán)境下進行仿真，得出隔離開關(guān)溫升變化曲線。

3 仿真分析

在MATLAB環(huán)境下，對隔離開關(guān)溫度變化規(guī)律進行仿真研究。溫升是反映電氣器件性能的重要指標，此次仿真，以式(11)為基礎(chǔ)，對隔離開關(guān)溫升變化情況進行仿真。

以廣泛應(yīng)用在電氣化鐵路供電系統(tǒng)上的 GW4-27.5DGW/1250-31.5型高壓隔離開關(guān)為基礎(chǔ)，取隔離開關(guān)導(dǎo)電桿半徑r=25 mm，則導(dǎo)電桿面積A=1.9625×10-3m2，周長P= 0.157m。根據(jù)傳熱學(xué)理論，表面黑度系數(shù)ε≈1，斯蒂芬-波爾茲曼常數(shù)σ=5.67×10-8W/（m2·K4），空氣運動黏度v=1.6×10-5m2·s-1，取重力加速度g=9.8 m/s2。

（1）環(huán)境溫度恒定時，得出隔離開關(guān)溫升隨電流變化規(guī)律如圖2所示。

圖2 隔離開關(guān)溫升隨電流變化規(guī)律

從圖中可以看出，在環(huán)境溫度恒定時，隔離開關(guān)溫升隨隔離開關(guān)電流的增大而增大；恒定環(huán)境溫度越高，隔離開關(guān)溫升值與變化幅度越小。

（2）電流恒定時，得出隔離開關(guān)溫升隨環(huán)境溫度變化規(guī)律如圖3所示。

從圖中可以看出，在電流恒定時，隔離開關(guān)溫升值隨環(huán)境溫度增大而減??；恒定電流越大，隔離開關(guān)溫升值與變化幅度越高。

（3）取導(dǎo)電桿電流I、環(huán)境溫度T∞為變量時，隔離開關(guān)溫升變化呈三維曲面的規(guī)律變化。在現(xiàn)實情況下，由于電流與環(huán)境溫度會出現(xiàn)波動與反復(fù)，從而造成仿真結(jié)果的折疊、重復(fù)。

圖3 隔離開關(guān)溫升隨環(huán)境溫度變化規(guī)律

鑒于仿真圖形過于復(fù)雜，為了減少分析的困難，對仿真得到的隔離開關(guān)溫升數(shù)據(jù)繪制二維隔離開關(guān)溫升曲線，如圖4所示。

圖4 隔離開關(guān)溫升仿真曲線

4 仿真結(jié)果的驗證

圖5 隔離開關(guān)溫升實際曲線

使用FLIR P635高分辨率紅外熱像儀對隔離開關(guān)溫升進行實時測量，測量數(shù)據(jù)經(jīng)過FLIR Quick Report軟件系統(tǒng)修正后即可得到隔離開關(guān)實際溫升曲線如圖5所示。

通過比較圖4與圖5可以看出，溫升仿真曲線與實際曲線變化規(guī)律基本一致，仿真溫度幅值要高于實際溫度幅值且變化頻率要遠遠高于實際溫度曲線，這是因為實際溫度變化有一個熱量的堆積與傳遞過程，實際熱量的傳導(dǎo)是緩慢的，在電流頻繁變化的情況下實際溫度跟不上電流產(chǎn)生焦耳熱的變化，所以使得實際溫度曲線幅值與變化頻率都遠低于仿真曲線。兩者都在早中晚三個時間段出現(xiàn)溫度高峰期，因此從變化規(guī)律的角度來看，式(11)基本可以表現(xiàn)隔離開關(guān)溫度的變化情況。

5 對結(jié)果的進一步討論

對于電氣化鐵路中的隔離開關(guān)來說，其工況的具體情況就反映在牽引變電所負荷的變化上。牽引變電所的負荷是由鐵路運量、列車速度、線路條件等因素決定的，每一條鐵路沿線線路條件千差萬別，列車在運行時速度和線路坡度隨時都在變化，因此，列車運行時受流狀態(tài)隨時都在發(fā)生變化，且列車在鐵路上按信號運行，在鐵路運輸狀態(tài)發(fā)生變化時，在供電臂內(nèi)列車數(shù)量疏密不等。所以，牽引變電所兩供電臂內(nèi)，列車的數(shù)量及每一列車的負荷狀態(tài)隨時都在變化，牽引變電所的負荷呈現(xiàn)出頻繁波動的狀態(tài)。

分析圖4與圖5都可以發(fā)現(xiàn)，隔離開關(guān)溫升變化波動頻繁且無規(guī)律可循，就是因為電氣設(shè)備所在供電臂內(nèi)負荷情況隨時都在發(fā)生變化，從而導(dǎo)致供電臂內(nèi)電流也在頻繁變化，由于隔離開關(guān)溫度變化主要受電流影響，因此，隔離開關(guān)的溫度呈現(xiàn)極不規(guī)律的變化。由于列車通過供電臂的時間只持續(xù)數(shù)分鐘，所以會導(dǎo)致負荷在瞬間徒增，又會在數(shù)分鐘后突降，這也就是上述圖中出現(xiàn)多個瞬間波峰、波谷的原因。

牽引變電所的負荷隨著兩供電臂內(nèi)列車的數(shù)量及每一列車的負荷狀態(tài)隨時波動，有時輕載，甚至空載，有時負載較重，在節(jié)假日等情況下，會出現(xiàn)列車緊密追蹤情況。此時，牽引變電所會出現(xiàn)負荷高峰值,特別是在早中晚三個時間段，此高峰值即為高峰小時的設(shè)備溫度，由于高峰小時乘客出行密度大，列車開行密度隨之增大，牽引負荷增大，致使電流增大，從而導(dǎo)致隔離開關(guān)溫度出現(xiàn)高峰。

隔離開關(guān)在電氣化鐵路中使用數(shù)量很大,因其導(dǎo)電部分的連接點和傳動部件多、動觸頭行程大,而且觸頭長期暴露在空氣中,容易發(fā)生氧化和臟污,導(dǎo)致過熱故障比較普遍且突出，嚴重影響運輸安全和供電可靠性?，F(xiàn)階段統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，隔離開關(guān)的過熱故障要占到所有故障的60%左右。因此我們有必要對隔離開關(guān)的發(fā)熱故障進行分析研究，使其安全、可靠地發(fā)揮應(yīng)有的作用。

在長期運行實踐過程中發(fā)現(xiàn)，隔離開關(guān)過熱故障主要集中在開關(guān)刀閘及靜觸頭部位，主要原因為負荷過載或變化、空氣污染腐蝕等。此外，安裝或檢修工藝不當、隔開長期處于分閘或合閘狀態(tài)，也是導(dǎo)致隔離開關(guān)過熱故障的重要原因。

2015年，某設(shè)備管理單位利用紅外熱成像儀對高鐵上網(wǎng)隔離開關(guān)進行狀態(tài)檢查時，發(fā)現(xiàn)某上網(wǎng)隔離開關(guān)刀閘及靜觸頭部位由過熱現(xiàn)象并伴有拉弧放電聲，現(xiàn)場觀察多趟動車組通過前該上網(wǎng)點隔離開關(guān)動靜觸頭處有火花。

當晚申請?zhí)齑皩υ摳綦x開關(guān)進行停電檢查，檢查發(fā)現(xiàn)該隔離開關(guān)主閘刀與靜觸頭處已經(jīng)被電弧燒傷，閘刀處已經(jīng)燒溶3cm左右，靜觸頭與主閘刀存在間隙，間隙為10mm。當即更換主閘刀和靜觸頭，并在觸頭與閘刀接觸處涂抹導(dǎo)電膏處理。

分析發(fā)現(xiàn)，該隔離開關(guān)過熱故障主要原因有以下幾點：

（1）安裝工藝不當。該隔離開關(guān)為單支柱式安裝，在動車組高速運行通過時支柱的晃動使主閘刀與靜觸頭處產(chǎn)生空氣間隙，造成放電拉弧，導(dǎo)致主閘刀與靜觸頭接口處出現(xiàn)燒損。

（2）隔離開關(guān)長期合閘。該隔離開關(guān)為上網(wǎng)開關(guān)，長期處于合閘運行狀態(tài)。當隔離開關(guān)長期處于合閘運行狀態(tài)時，刀閘彈簧極易產(chǎn)生金屬疲勞，彈性指標下降，經(jīng)過分閘后再次合閘，觸頭與觸指之間的接觸壓力將減小，導(dǎo)致接觸電阻增大從而使觸頭發(fā)熱；觸頭發(fā)熱則使彈簧受熱，彈性指標進一步下降，接觸電阻進一步增大。最終觸指彈簧將失去彈性，接觸電阻將更大，導(dǎo)致溫度急劇升高燒損觸頭。

（3）空氣污染。隔離開關(guān)導(dǎo)體觸頭長期裸露于大氣中,極易受到水蒸氣、腐蝕性塵埃和化學(xué)活性氣體的侵蝕,這些物質(zhì)在連接件接觸面上形成氧化膜,使導(dǎo)電體表面電阻增加,加之檢修過程中未及時清除氧化膜，涂抹導(dǎo)電膏，造成觸頭接觸不良而過熱。

（4）負荷變化。動車組通過該隔離開關(guān)所在供電臂時，負荷急劇變化，不斷沖擊觸頭部位已形成的空氣間隙，導(dǎo)致觸頭部位處于放電、氧化、再放電、再氧化的惡性循環(huán)過程，最終導(dǎo)致接觸電阻增大，溫度升高燒損設(shè)備。

6 結(jié)論

通過上述分析可以發(fā)現(xiàn)，隔離開關(guān)長期處于不良工況下對其設(shè)備狀況影響極為嚴重，但由于隔離開關(guān)熱故障是一個熱量緩慢積累的過程，從隔離開關(guān)過熱到事故發(fā)生，其發(fā)展速度一般較為緩慢、時間較長，現(xiàn)有的手段無法對其進行有效的實時監(jiān)測。

本文建立的數(shù)學(xué)模型，可以很好地反映出隔離開關(guān)溫度隨工況變換的規(guī)律，符合實際變化情況，可用于高速鐵路隔離開關(guān)溫度的基本判斷，對現(xiàn)場實際應(yīng)用具有指導(dǎo)意義。

[1]胡桅林,李志信,朱南強．高壓隔離開關(guān)溫升的研究 [J]．高壓電器．1988，01：26-31.

[2]陶文銓．傳熱學(xué)．西北工業(yè)大學(xué)出版社．2006.

責(zé)任編輯：王 華

來稿日期：2017-02-21