GW16型隔離開關(guān)熱穩(wěn)定性仿真分析

李付永， 姚燦江， 張 任， 時彥文， 趙維全， 李 偉

(河南平高電氣股份有限公司，河南 平頂山 467000)

0 引言

GW16是屬于單臂伸縮式隔離開關(guān)，其具有載流能力大、占地面積小、結(jié)構(gòu)緊湊和運動部分密封良好等優(yōu)點。隨著國家逐漸采用高壓、特高壓等輸電方式，GW16型隔離開關(guān)作為主要高壓產(chǎn)品之一，且長期運行在環(huán)境條件惡劣的戶外，由于接觸電阻的存在，其會產(chǎn)生一定的溫升，當(dāng)溫度升高到臨界值時，會加速設(shè)備老化，使隔離開關(guān)發(fā)生故障次數(shù)急劇升高，從而影響其可靠性。

通常情況下，高壓設(shè)備中接觸區(qū)域電阻最大，造成接觸區(qū)域溫度升高最快，嚴重時會使兩接觸面發(fā)生熔焊，這是導(dǎo)致隔離開關(guān)發(fā)生故障的主要原因。針對隔離開關(guān)接觸發(fā)熱問題，國內(nèi)外學(xué)者進行了大量相關(guān)研究，文獻[1]對GW5-110型隔離開關(guān)觸頭發(fā)熱缺陷進行分析及檢修處理；文獻[2]針對GW5-126型隔離開關(guān)觸頭燒損故障進行分析及提出相應(yīng)措施；文獻[3]針對隔離開關(guān)觸頭結(jié)構(gòu)和發(fā)熱原因進行分析，提出防止隔離開關(guān)過熱故障的措施；文獻[4]通過戶外高壓隔離開關(guān)電觸頭溫升機理研究，得出了影響電觸頭溫度的主要因素。以上研究學(xué)者僅對隔離開關(guān)接觸區(qū)域燒損和發(fā)熱故障進行相關(guān)分析，但無法確定隔離開關(guān)在運行過程接觸區(qū)域的溫度變化情況，因此，利用有限元研究隔離開關(guān)的熱穩(wěn)定性，不僅可以明確其接觸位置的溫度分布情況，而且還可以提高其使用壽命，避免高壓設(shè)備的非計劃停運，提高電網(wǎng)運行的可靠性。

1 隔離開關(guān)數(shù)學(xué)模型的建立

GW16 型隔離開關(guān)是供高壓線路在無載流情況下進行切換和對被檢修的高壓母線及其他電氣設(shè)備進行明顯隔離的三極戶外高壓電器，該型隔離開關(guān)的動靜接觸裝置是單柱垂直斷口式，其主要在上下導(dǎo)電管內(nèi)部進行傳動，受外界環(huán)境影響因素較小，在導(dǎo)電管內(nèi)部，由于平衡彈簧的作用，抵消了相關(guān)動力組件的重力矩，因而致使其分、合閘動作平穩(wěn)可靠[5]。本文以GW16型高壓隔離開關(guān)為例，其主導(dǎo)電結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 GW16型高壓隔離開關(guān)主導(dǎo)電結(jié)構(gòu)圖

通常情況下，GW16型高壓隔離開關(guān)動靜觸頭接觸示意圖如圖2所示，其接觸裝置的相關(guān)結(jié)構(gòu)滿足Hertz公式的條件，可通過相應(yīng)的數(shù)學(xué)運算得到接觸半徑r與深度h之間的關(guān)系，如下所示[6，7]。

(1)

(2)

式中：F為接觸力；E為接觸系統(tǒng)材料的楊氏模量；υ為接觸系統(tǒng)材料的泊松比；R1、R2為動靜接觸件的半徑。

圖2 GW16型高壓隔離開關(guān)動靜觸頭接觸示意圖

在自然界中，熱傳遞主要包括熱傳導(dǎo)、對流和輻射3種形式，GW16型高壓隔離開關(guān)也不例外，在其實際運行過程中，通常以兩種或3種熱傳遞形式向外散熱。對于其動靜接觸觸頭而言，由于接觸電阻的存在，動靜觸頭產(chǎn)生熱量，并主要通過金屬連接件表面利用對流的方式向外散熱，根據(jù)熱傳遞的相關(guān)理論，GW16型高壓隔離開關(guān)動靜觸頭傳熱數(shù)學(xué)模型如下所示[8，9]。

(3)

{L}TδT([D]{L}T)dV=

(4)

2 隔離開關(guān)熱電耦合仿真

2.1 隔離開關(guān)三維模型的建立

由于ANSYS的三維建模能力存在一定的局限性，本文主要采用NX來建立GW16型高壓隔離開關(guān)動靜接觸系統(tǒng)的三維實體模型。在建模之初，為了實現(xiàn)計算的便捷性，對動靜接觸系統(tǒng)模型進行合理的簡化，去除對分析結(jié)果影響較小的結(jié)構(gòu)，簡化后的動靜接觸系統(tǒng)模型如圖3所示。

圖3 GW16型高壓隔離開關(guān)動靜接觸系統(tǒng)三維模型

2.2 隔離開關(guān)動靜接觸系統(tǒng)熱電耦合溫升仿真

耦合場分析指在一個分析過程包含有多個物理場相互耦合作用的分析類型，耦合場分析應(yīng)用范圍十分廣泛，如研究感應(yīng)加熱的磁—熱耦合分析、研究壓力容器的熱—應(yīng)力分析、研究磁體成型的磁—結(jié)構(gòu)分析、研究導(dǎo)體發(fā)熱的電—熱分析等。由于GW16型隔離開關(guān)是交流高壓電器，而ANSYS Workbench中的Electric模塊無法對交流傳導(dǎo)場進行分析，且GW16型高壓隔離開關(guān)動靜接觸系統(tǒng)溫度場分析需要保留模型的幾何特征以便于明確溫度分布情況，且施加載荷和邊界條件相對復(fù)雜。另外，為了同時保證分析的多樣性，因此選擇Maxwell與ANSYS Workbench聯(lián)合計算的間接分析模式[9，10]。

2.2.1 前處理

首先在Maxwell中對GW16型高壓隔離開關(guān)動靜接觸系統(tǒng)進行交流傳導(dǎo)場分析，確定其接觸系統(tǒng)Joule Heat，然后利用軟件間的無縫借口導(dǎo)入ANSYS Workbench中的Steady-State Thermal和Transient Thermal模塊，設(shè)置相應(yīng)的初始條件，依次進行穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)熱分析。

對于穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)熱分析而言，僅僅是加載條件和求解及相應(yīng)后處理存在一定的不同。通過穩(wěn)態(tài)熱分析可以求解得到接觸系統(tǒng)在溫度趨于穩(wěn)定情況下，其溫度分布情況；而瞬態(tài)熱分析獲知接觸系統(tǒng)在大電流和瞬時狀態(tài)下，最高溫度隨時間的變化情況。

2.2.2 網(wǎng)格劃分

由于GW16型高壓隔離開關(guān)動靜接觸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對簡單，在設(shè)置選用體掃描法加邊角控制函數(shù)法對其進行網(wǎng)格劃分。為保證仿真的精度和準確性，在動靜觸頭的接觸區(qū)域，進行了局部加密，共生成25 248個網(wǎng)格，45 429個節(jié)點。網(wǎng)格劃分如圖4所示。

圖4 GW16型高壓隔離開關(guān)動靜接觸系統(tǒng)網(wǎng)格劃分圖

2.2.3 施加載荷和邊界條件

在穩(wěn)態(tài)熱分析中，對GW16型高壓隔離開關(guān)動靜接觸系統(tǒng)加載額定電流3 150 A的1.1倍，在瞬態(tài)熱分析過程中，對其加載短路電流為60 000 A，加載時間為3 s。為了保障施加電流的流向，將高壓隔離開關(guān)動靜接觸系統(tǒng)中的動觸頭施加電壓耦合和電流邊界條件，同時將靜觸頭末端面電壓設(shè)置為0。

經(jīng)查文獻[9，10]可知，隔離開關(guān)的有限元仿真分析是在封閉常溫的環(huán)境下進行的，對流是主要的熱傳導(dǎo)方式，在此種狀態(tài)下，空氣的對流換熱系數(shù)范圍為5～10 W/(m·K)，環(huán)境溫度為15 ℃左右。

2.2.4 仿真結(jié)果分析

GW16型高壓隔離開關(guān)在通流3 465 A電流穩(wěn)態(tài)運行時，其動靜觸頭穩(wěn)態(tài)仿真的溫度場如圖5所示。

圖5 GW16型高壓隔離開關(guān)動靜觸頭溫度場分布圖

由圖5可知，GW16型高壓隔離開關(guān)動靜觸頭接觸區(qū)域的溫度最高，從該接觸區(qū)域到上導(dǎo)電管和靜觸桿末端溫度逐步降低，其主要原因是因為電流流經(jīng)接觸區(qū)時，橫截面積變小，電流密度增大，從而導(dǎo)致動靜觸頭接觸區(qū)域產(chǎn)生大量的焦耳熱，而本次穩(wěn)態(tài)仿真的最高溫度為59.606 ℃，其小于GW16型高壓隔離開關(guān)最大允許溫升。

2.2.5 接觸系統(tǒng)瞬態(tài)熱仿真分析

GW16型高壓隔離開關(guān)在運行過程中，可能會受到瞬時大電流沖擊，因此，為了確定其在沖擊下是否具備保持正常工作的能力，所以對其動靜接觸觸頭進行瞬態(tài)熱分析。

通過設(shè)置邊界條件和載荷，得到GW16型高壓隔離開關(guān)動靜接觸觸頭在通流60 000 A，時間為3 s的條件下，溫度場分布圖如圖6所示。

圖6 GW16型高壓隔離開關(guān)動靜觸頭瞬態(tài)溫度場分布圖

從圖6可知，動靜接觸系統(tǒng)溫升最大，通過對其溫升最高點溫度變化情況的監(jiān)測得到其溫度隨時間的變化曲線如圖7所示。

圖7 GW16型高壓隔離開關(guān)動靜接觸溫升最高點溫度變化曲線圖

從圖6和圖7可知，其接觸區(qū)域最高溫度為206.97 ℃，該溫度值小于動靜接觸觸頭材料熔點，不會發(fā)生熔焊。因此，GW16型高壓隔離開關(guān)在瞬時大電流沖擊下，仍可以正常工作。

3 隔離開關(guān)溫升試驗對比分析

為了驗證有限元仿真結(jié)果的真?zhèn)涡?，對GW16型高壓隔離開關(guān)進行溫升試驗，試驗設(shè)置如圖8所示，其溫升測量點如圖9所示。試驗條件如下：電流3 465 A，風(fēng)速小于0.5 m/s。環(huán)境溫度為15 ℃，試驗穩(wěn)定條件為：在4小時內(nèi)1和2測量點溫升小于80 K，3、4和5測試點溫升小于65 K[10]。通過試驗得到各測量點的溫升與仿真結(jié)果如表1所示。

圖8 GW16型高壓隔離開關(guān)現(xiàn)場溫升試驗圖

圖9 GW16型高壓隔離開關(guān)溫升測量點布置圖

測試點編號仿真結(jié)果/℃試驗值/℃131.80932.8232.2334.1342.49643.6456.10458.2559.60662.4

通過仿真結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)對比分析可知，試驗結(jié)果與仿真值存在一定的誤差，分析其主要原因如下：

(1)采用有限元分析方法進行穩(wěn)態(tài)熱分析過程中，僅考慮對流這一種熱傳遞方式，且無法確定對流換熱系數(shù)的準確值，只能以理想值來代替，從而引入了一定的誤差。

(2)由于有限元仿真前處理過程中，對模型存在一定程度的簡化，導(dǎo)致動靜觸頭接觸截面積比實際情況大，從而致使接觸區(qū)域溫升較低。

(3)在實際試驗過程中，由于外界環(huán)境因素的影響，一些灰塵或雜質(zhì)進行動靜接觸系統(tǒng)，首先使動靜觸頭不能有效接觸，在一定程度上增大了接觸電阻；其次在觸頭與外界環(huán)境之間形成熱阻層，使動靜觸頭與外界環(huán)境的熱傳遞性能下降，最終導(dǎo)致溫升較大，與仿真結(jié)果存在一定的誤差。

通過仿真分析結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)二者比較發(fā)現(xiàn)，兩者之間的誤差在5%以內(nèi)，滿足精度要求，同時也驗證了有限元仿真計算的準確性。

4 結(jié)論

(1)利用Maxwell和ANSYS Workbench兩者聯(lián)合對GW16型高壓隔離開關(guān)進行穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)熱分析，與通過試驗得到的結(jié)果基本一致，表明在實際工程中使用ANSYS Workbench有限元仿真分析的結(jié)果是可信的。

(2)有限元仿真分析方法可以更加清晰直觀地了解GW16型高壓隔離開關(guān)動靜接觸系統(tǒng)在實際工作過程中實際溫升情況，明確溫度分布區(qū)域。為優(yōu)化其接觸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、合理規(guī)劃溫度分布以及可靠性設(shè)計提供了一種重要的途徑。