50 kA/17.5 kV快速接地開(kāi)關(guān)熱穩(wěn)定性分析

李洪彬，劉穎，倪福生

（河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇常州213022）

50 kA/17.5 kV快速接地開(kāi)關(guān)熱穩(wěn)定性分析

李洪彬，劉穎，倪福生

（河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇常州213022）

快速接地開(kāi)關(guān)是一種關(guān)合短路電流的特殊接地開(kāi)關(guān)。當(dāng)短路電流流過(guò)快速接地開(kāi)關(guān)動(dòng)靜觸頭時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的熱效應(yīng)。針對(duì)檢驗(yàn)快速接地開(kāi)關(guān)在短路時(shí)能否可靠工作的目的，本文采用數(shù)值模擬的方法，運(yùn)用Inventor和Ansys軟件對(duì)50 kA/17.5 kV快速接地開(kāi)關(guān)進(jìn)行了熱穩(wěn)定性分析，得出在短路狀態(tài)下，熱效應(yīng)產(chǎn)生的最高溫度為173.68℃，未達(dá)到材料熔點(diǎn)，動(dòng)靜觸頭不會(huì)發(fā)生熔焊狀態(tài)，能正常工作，本研究成果可提高快速接地開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)的安全性。

快速接地開(kāi)關(guān)；熱效應(yīng)；熱穩(wěn)定性；Ansys

許多開(kāi)關(guān)電器在設(shè)計(jì)完成后，都需要對(duì)產(chǎn)品樣機(jī)進(jìn)行短時(shí)短路電流耐受測(cè)試，檢測(cè)電器產(chǎn)品的動(dòng)、熱穩(wěn)定性[1]，比如，含接地開(kāi)關(guān)的電器柜測(cè)試時(shí)，當(dāng)巨大的短路電流通過(guò)快速接地開(kāi)關(guān)的動(dòng)靜觸頭時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的熱量集中，導(dǎo)致觸頭接觸部分的溫度急劇上升，如果快速接地快關(guān)設(shè)計(jì)的不合理，動(dòng)熱穩(wěn)定性不合格，會(huì)出現(xiàn)導(dǎo)體變形軟化、觸頭熔焊等現(xiàn)象[2-3]，使動(dòng)靜觸頭不能安全地分閘，那么樣機(jī)的測(cè)試實(shí)驗(yàn)就非常危險(xiǎn)?？焖俳拥亻_(kāi)關(guān)是具有關(guān)合短路電流能力的一種特殊用途的接地開(kāi)關(guān)，當(dāng)線路接地故障被切除后，由相鄰運(yùn)行線路供電形成故障線路的潛供電流，利用快速接地開(kāi)關(guān)關(guān)合，可消除潛供電流，再快速開(kāi)斷接地開(kāi)關(guān)，確保線路自動(dòng)重合閘能成功[4，5]。接地開(kāi)關(guān)作為電力系統(tǒng)故障切除的重要設(shè)備，其性能的好壞直接關(guān)系到開(kāi)關(guān)設(shè)備的保護(hù)性能。熱穩(wěn)定性的定義為：當(dāng)有短路電流通過(guò)開(kāi)關(guān)設(shè)備時(shí)，會(huì)產(chǎn)生熱效應(yīng)，電器在短時(shí)間內(nèi)能夠耐受短路電流產(chǎn)生的熱效應(yīng)，而沒(méi)有產(chǎn)生變形或損壞，說(shuō)明電器具有熱穩(wěn)定性[6]。所以對(duì)快速接地開(kāi)關(guān)的研究是非常有必要的。熱穩(wěn)定分析的方法是國(guó)內(nèi)外研究的重點(diǎn)，相似的文章也較多，主要有限元法和熱網(wǎng)絡(luò)法[7]，兩者各有優(yōu)缺點(diǎn)，也都有相關(guān)論文的發(fā)表，例如，伊春賀等運(yùn)用有限元法對(duì)隔離開(kāi)關(guān)進(jìn)行了熱分析[8]，而王稚惠等則用熱網(wǎng)絡(luò)法對(duì)隔離開(kāi)關(guān)進(jìn)行了熱分析[9]，袁若浩運(yùn)用有限元法對(duì)熱分析爐的溫度模擬及優(yōu)化進(jìn)行了研究[10]，劉承將有限元法應(yīng)用在復(fù)合保溫砌塊孔型的布置上[11]，王富強(qiáng)等用有限元對(duì)太陽(yáng)能吸熱器進(jìn)行了熱分析[12]?？傮w來(lái)講，有限元法的計(jì)算精度高，廣泛應(yīng)用于力學(xué)、熱學(xué)、流體、磁場(chǎng)等方面[13]，熱穩(wěn)定分析的計(jì)算論文也較多，但是，將有限元法應(yīng)用在對(duì)快速接地開(kāi)關(guān)的熱穩(wěn)定性分析還未見(jiàn)有相關(guān)的研究論文。

本文以運(yùn)用Inventor軟件對(duì)快速接地開(kāi)關(guān)進(jìn)行簡(jiǎn)化建模，將其導(dǎo)入ANSYS Workbench軟件中的瞬態(tài)電—熱耦合模塊中。所謂瞬態(tài)熱傳遞是指物體的溫度、邊界條件等隨時(shí)間的變化而變化[14]。通過(guò)該過(guò)程對(duì)動(dòng)靜觸頭部分的機(jī)構(gòu)進(jìn)行熱仿真分析，得到動(dòng)靜觸頭機(jī)構(gòu)各個(gè)點(diǎn)的溫度分布云圖，分析快速接地開(kāi)關(guān)的熱穩(wěn)定性。

1 觸頭機(jī)構(gòu)的瞬態(tài)熱分析

1.1 觸頭機(jī)構(gòu)三維實(shí)體模型

本文以某公司的50 kA/17.5 kV快速接地開(kāi)關(guān)為研究對(duì)象，見(jiàn)圖1實(shí)物圖，研究快速接地開(kāi)關(guān)的熱穩(wěn)定性，其中觸頭機(jī)構(gòu)的電接觸處是主要的分析部位，根據(jù)電接觸相關(guān)的理論，動(dòng)靜觸頭接觸處不是通過(guò)面接觸，而是通過(guò)許多個(gè)圓點(diǎn)進(jìn)行接觸，當(dāng)短路電流通過(guò)這些接觸點(diǎn)時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)電流線收縮現(xiàn)象，實(shí)際導(dǎo)電面積減少，產(chǎn)生收縮電阻。另外，接觸表面通常會(huì)形成一層可以導(dǎo)電的金屬氧化物薄膜，這層氧化膜阻礙了電流的流動(dòng)，會(huì)增加電路的電阻，我們把它稱之為氧化膜電阻。接觸電阻是因電流收縮產(chǎn)生的電阻和氧化膜的阻礙作用產(chǎn)生的電阻的總稱[15]。所以，當(dāng)巨大的短路電流通過(guò)觸頭時(shí)，此時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的熱量集中，導(dǎo)致觸頭接觸部分的溫度急劇上升，威脅設(shè)備的安全。

圖1 50 kA/17.5 kV快速接地開(kāi)關(guān)實(shí)物圖

50 kA/17.5 kV快速接地開(kāi)關(guān)的動(dòng)靜觸頭機(jī)構(gòu)如圖2所示。圖2（b）為動(dòng)靜觸頭接觸處的結(jié)構(gòu)，材料為CuAg0.1，從圖中可以看出，動(dòng)觸頭的觸指與靜觸頭接觸是通過(guò)中間的小圓柱體來(lái)接觸的，所以在進(jìn)行瞬態(tài)熱仿真分析時(shí)，需計(jì)算每片觸指與靜觸頭實(shí)際接觸面積的大小。接觸面積的大小與觸頭的預(yù)壓力有關(guān)，觸頭的預(yù)壓力越大，實(shí)際接觸面積越大。50 kA/17.5 kV正常工作時(shí)，每片觸指與靜觸頭之間的接觸壓力為100 N。則觸指與靜觸頭接觸圓半徑為：

其中：ξ—和接觸面狀況相關(guān)的系數(shù)，其范圍在0.3～1之間；

Hk—觸頭材料的布氏硬度，單位N/mm2；

從而推導(dǎo)出理論接觸面積為：

由于快速接地開(kāi)關(guān)動(dòng)觸頭上流過(guò)每片觸指的電流值是不同的，所以為了研究快速接地開(kāi)關(guān)的熱穩(wěn)定性，假設(shè)流過(guò)每片觸指的電流是相等的，在短路電流為50 kA的情況下，研究每片觸指在6 250 A/4 s的條件下的短時(shí)耐受電流能力，得出各個(gè)點(diǎn)的溫度分布情況，分析快速接地開(kāi)關(guān)的熱穩(wěn)定性。

動(dòng)靜觸頭的接觸部位直接關(guān)系到溫度的分布，所以必須按照實(shí)際結(jié)構(gòu)建模，根據(jù)快速接地開(kāi)關(guān)的原理及其結(jié)構(gòu)，將觸頭機(jī)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，得到每片觸指與靜觸頭接觸的模型，圖3為簡(jiǎn)化后的觸指與靜觸頭接觸部分的三維模型。

圖3 觸指與靜觸頭接觸處簡(jiǎn)化模型

根據(jù)快速接地開(kāi)關(guān)各部分材料的物理屬性，包括密度、比熱、電阻率、熱導(dǎo)率等參數(shù)，進(jìn)行材料屬性的設(shè)定。在動(dòng)靜觸頭簡(jiǎn)化的模型中，主要的結(jié)構(gòu)是觸頭機(jī)構(gòu)導(dǎo)電的部分，觸頭導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的材料主要為銅，銅的材料屬性參數(shù)如下表：

表1 材料屬性參數(shù)

在求解過(guò)程中，導(dǎo)電體與周圍空氣之間的熱交換系數(shù)是20 W/（m2·K）。

1.2 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分是有限元分析中的重要一步，網(wǎng)格質(zhì)量的好壞對(duì)求解結(jié)果影響非常大，提高網(wǎng)格質(zhì)量可以顯著提高求解結(jié)果精度，只有劃分好網(wǎng)格才能進(jìn)行下一步的分析計(jì)算[16]，本文采用自由網(wǎng)格劃分的方法，對(duì)動(dòng)靜觸頭機(jī)構(gòu)進(jìn)行了網(wǎng)格的劃分，由于觸頭接觸部位是分析的關(guān)鍵部分，所以對(duì)其進(jìn)行了精密劃分，以提高計(jì)算的精度，網(wǎng)格劃分的越密，求解的時(shí)間越長(zhǎng)，所以對(duì)于觸頭的其他導(dǎo)電部分可以進(jìn)行粗略的網(wǎng)格劃分，從而達(dá)到節(jié)省求解時(shí)間的目的。這種方法既能保證求解速度，又可以滿足計(jì)算精度的要求。圖4為快速接地開(kāi)關(guān)動(dòng)靜觸頭接觸部分的網(wǎng)格劃分圖。

圖4 動(dòng)靜觸頭網(wǎng)格劃分圖

1.3 電-熱仿真結(jié)果分析

對(duì)動(dòng)靜觸頭接觸部分進(jìn)行有限元分析，本動(dòng)靜觸頭接觸時(shí)間約為4 s，取接觸面積0.199 mm2，對(duì)觸頭機(jī)構(gòu)在50 kA/4 s的條件下進(jìn)行瞬態(tài)熱仿真分析與計(jì)算。每對(duì)觸頭機(jī)構(gòu)的動(dòng)觸頭共有8片觸指，所以每片觸指通過(guò)的電流為6 250 A，分析在t=4 s時(shí)，接觸部分的溫度場(chǎng)分布。由于本文應(yīng)用的是瞬態(tài)電—熱耦合場(chǎng)分析方法，因此需要設(shè)定初始溫度作為邊界條件，考慮快速接地開(kāi)關(guān)的工作環(huán)境及其工作原理，初始溫度設(shè)為80oC。

對(duì)模型進(jìn)行求解計(jì)算，得到觸指與靜觸頭接觸處的表面溫度場(chǎng)分布圖如圖5所示:

為了方便查看接觸處的溫度場(chǎng)分布情況，得到觸指接觸處的剖面溫度場(chǎng)分布圖如圖6所示：

由圖6可以看出，溫度最高的點(diǎn)是在觸指與靜觸頭接觸處，當(dāng)有短路電流通過(guò)時(shí)會(huì)產(chǎn)生焦耳熱，熱量一部分用來(lái)加熱接觸電阻，另一部分散發(fā)到空氣中去。由于觸頭接觸處的散熱條件較差，故此處的溫升較高，越靠近中間接觸處的部位溫度越高，溫度由內(nèi)向外逐漸降低，由此說(shuō)明接觸電阻是引起快速接地開(kāi)關(guān)溫升的最主要熱源之一。因此在設(shè)計(jì)快速接地開(kāi)關(guān)時(shí)，應(yīng)盡量減小接觸電阻，以控制發(fā)熱量。

根據(jù)瞬態(tài)熱仿真的結(jié)果可以得到，在50 kA的電流下，4 s內(nèi)動(dòng)靜觸頭接觸點(diǎn)的最高溫度變化曲線如圖7所示。

圖5 觸指接觸處的表面溫度場(chǎng)分布圖

圖6 接觸部分觸指的剖面溫度場(chǎng)分布圖

圖7 觸頭機(jī)構(gòu)最高溫升點(diǎn)溫度-時(shí)間曲線

計(jì)算結(jié)果顯示了觸指接觸處溫度最大值達(dá)到173.68oC，由于動(dòng)觸頭的材料為銅，銅的熔點(diǎn)為1 080oC，接觸處溫度最大值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于銅的熔點(diǎn)，因此觸點(diǎn)不會(huì)發(fā)生熔焊現(xiàn)象。

2 結(jié) 論

本文以50 kA/17.5 kV快速接地開(kāi)關(guān)為例，建立了觸頭機(jī)構(gòu)的有限元分析模型，仿真分析了50 kA/17.5 kV快速接地開(kāi)關(guān)在50 kA/4 s下的瞬態(tài)溫升，得到了觸頭機(jī)構(gòu)瞬態(tài)溫度分布云圖，動(dòng)靜觸頭接觸處溫度最高，最高溫度為173.68oC沒(méi)有達(dá)到材料的熔點(diǎn)，不會(huì)造成觸頭的熔焊。本文的研究成果使傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)上升到了定性分析，探索了一種新的設(shè)計(jì)方法，提高了快速接地開(kāi)關(guān)的可靠性。為產(chǎn)品的設(shè)計(jì)或優(yōu)化提供了參考價(jià)值，為試驗(yàn)過(guò)程中調(diào)整參數(shù)提供了理論依據(jù)。

[1]肖至峰.隔離開(kāi)關(guān)的動(dòng)、熱穩(wěn)定校驗(yàn)分析[J].現(xiàn)代建筑電氣，2014，5（3）:21-23.

[2]游一民，歐陽(yáng)振國(guó)，馬平，等.影響真空斷路器關(guān)合時(shí)觸頭熔焊的另一重要因素[J].高壓電器，2014（8）：53-56.

[3]王珩，宋振陽(yáng)，柏小平.電觸頭材料靜熔焊研究[J].電器與能效管理技術(shù)，2015（14）:50-54.

[4]王振.高壓電器中的開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)分析[J].價(jià)值工程，2012（20）:80-51.

[5]張?zhí)熳?，張浩?淺析快速接地開(kāi)關(guān)原理及優(yōu)化方案[J].科學(xué)中國(guó)人，2015（6）:28.

[6]周建忠.供電短路電流的電動(dòng)力效應(yīng)及熱效應(yīng)[J].山東工業(yè)技術(shù)，2014（2）:116.

[7]陳德桂.低壓開(kāi)關(guān)電器熱分析方法的進(jìn)展[J].低壓電器，2008（17）:44-48.

[8]尹春賀，謝勇，由佳欣，等.基于熱-電耦合有限元法的隔離開(kāi)關(guān)熱穩(wěn)定性分析[J].機(jī)電元件，2013（4）:47-51.

[9]王稚惠，謝勇，由佳欣，等.基于熱網(wǎng)絡(luò)法的隔離開(kāi)關(guān)熱穩(wěn)定性分析[J].機(jī)電元件，2013（2）:38-43.

[10]袁若浩.基于ANSYS熱分析爐均溫場(chǎng)模擬及優(yōu)化[D].杭州：中國(guó)計(jì)量學(xué)院，2015.

[11]王富強(qiáng)，帥永，談和平.腔式太陽(yáng)能吸熱器的熱分析[J].工程熱物理學(xué)報(bào)，2011（5）:843-846.

[12]劉承.Ansys熱分析技術(shù)在復(fù)合保溫砌塊孔型布置中的應(yīng)用[J].建筑砌塊與砌塊建筑，2012（5）:14-22.

[13]李博.勵(lì)磁系統(tǒng)母線排與隔離開(kāi)關(guān)的動(dòng)熱穩(wěn)定性分析[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2011.

[14]文藝.電連接器溫度場(chǎng)數(shù)值分析研究[D].天津：河北工業(yè)大學(xué)，2012.

[15]Liang H，Wang W，Zhai G.Thermal Analysis of Sealed Electromagnetic Relays Using 3-D Finite Element Method[C]//Electrical contacts- 2007，the 53rd ieee holm conference on.IEEE，2007:262-268.

[16]郭艷伸，常喜強(qiáng)，張新燕，等.基于ANSYS的風(fēng)力機(jī)組發(fā)電機(jī)軸承熱分析[J].四川電力技術(shù)，2016（8）:6-10.

Researches on thermal stability of the 50 kA/17.5 kV high speed grounding switch

LI Hong?bin，LIU Ying，NI Fu?sheng
（College of Mechanical and Electrical Engineering，Hohai University，Changzhou213022，China）

High speed grounding switch is a special grounding switch which can make and break the short?circuit current.Great thermal performance will be produced when short?circuit current flows through moving contactor and fixed contactor.To determine if high speed grounding switch can work normally in the short?circuit conditions，this paper simulates numerically the thermal stability of the 50 kA/17.5 kV high speed grounding switch using Inventor and Ansys softwares.The highest temperature 173.68℃is lower than its material melting point，.Fusion welding does not happen at the joint of moving and fixes contactors in this situation.the switch can work normally.So the research can be used to improve the design safety of high speed grounding switch.

high speed grounding switch；thermal performance；thermal stability；Ansys

TN0

A

1674-6236（2017）22-0174-04

2016-10-20稿件編號(hào)：201610094

李洪彬（1983—），男，山東德州人，碩士研究生，實(shí)驗(yàn)師。研究方向：機(jī)械電子。