大電流開關柜溫度分布特性的影響因素分析

李江濤 孫 義 李擎宇 董 寧 趙 政

（西安交通大學電氣工程學院，西安 710049）

隨著經濟的發(fā)展，用電需求的快速增加，配電網的負荷越來越重。開關柜是配電網中重要的開關設備，維系著配電網的安全穩(wěn)定性。過重的負荷給開關柜帶來了嚴重的發(fā)熱問題，異常的溫升可能會導致開關柜異常狀態(tài)運行產生故障甚至發(fā)生爆炸，危及人身安全和造成大停電事故。開關柜的溫升與回路電阻的大小密不可分，而接觸電阻是回路電阻的主要組成部分，因此接觸電阻的大小是影響開關柜溫升的重要因素。開關柜中的接觸電阻主要存在于梅花觸頭與靜觸頭的搭接點、斷路器真空滅弧室內的動靜觸頭以及電流互感器與母線的連接部位。從工程經驗來看，梅花觸頭部位最易發(fā)生過熱故障，這是由于斷路器手車的頻繁操作導致梅花觸頭磨損，造成接觸電阻增大致使發(fā)熱更加嚴重，溫升的增加又加劇接觸面氧化腐蝕[1]，導致接觸電阻進一步增加，形成惡性循環(huán)。

目前針對開關柜溫升特性已開展了大量研究工作。賈文卓仿真計算了40.5kV高壓開關柜在一定負荷電流下母排的溫升情況，發(fā)現(xiàn)三相觸頭附近溫升最高，接觸部位是重要的熱源[2]。徐立群等仿真計算一定室溫下額定負荷電流運行的 KYN28A-12型開關柜溫度場，但未考慮開關柜中的接觸電阻[3]。任君鵬等和張煒等針對KYN-28型開關柜進行了一定室溫和負荷下溫度場仿真，將接觸電阻的影響體現(xiàn)在發(fā)熱功率的設置中，開關柜在4000A負荷下最大溫升約 57℃[4-5]。李晶等針對 1250A額定電流開關柜梅花觸頭進行了仿真和實驗研究，發(fā)現(xiàn)觸頭接觸不良會導致母線溫度分布梯度變大[6]。王秉政等針對XGN2型開關柜開展了額定電流運行時不同接觸電阻對開關柜溫度場分布影響的仿真研究，隔離開關旋轉觸頭、斷路器觸頭、母線壓接接頭處溫升隨該部分接觸電阻的增加呈線性增大趨勢[1]。

綜上所述，現(xiàn)階段的研究大多忽視了負荷與室溫的變化對于開關柜溫升特性的影響，而對于接觸電阻的研究普遍較為粗略，且缺少溫升實驗對開關柜整體溫度分布特性的佐證。

因此，本文針對KYN-28型4000A大電流開關柜進行建模仿真，通過理論計算獲得梅花觸頭與靜觸頭搭接點接觸電阻，研究不同負荷和環(huán)境溫度下，開關柜溫度分布規(guī)律，并通過溫升實驗驗證了仿真模型的合理性。隨后針對開關柜各部位接觸電阻的增加對于開關柜整體溫度分布特性的影響進行了研究?；诖四Ｐ涂砷_展溫升預測的研究工作，為測溫傳感器的布置方案提供理論依據(jù)，研究結果也有望為大電流開關柜運維計劃提供理論指導。

1 觸頭接觸電阻計算

實際中觸頭的接觸面上存在很多接觸斑點。電流流經接觸面時，將集中流過這些接觸斑點，在斑點附近出現(xiàn)電流線的收縮，使得電流流過的路徑增長，有效導電面積減小，出現(xiàn)局部的附加電阻，即為“收縮電阻”。觸頭表面通常覆蓋有一層表面膜，形成另一個附加電阻“膜電阻”。因此，觸頭的接觸電阻是“收縮電阻”和“膜電阻”之和[7]。由于接觸斑點數(shù)和斑點的平均半徑難以計算，所以在工程上采用經驗公式計算接觸電阻[8-9]，即

式中，R為接觸電阻；F為接觸壓力；m為與接觸形式、壓力范圍和接觸點數(shù)目有關的指數(shù)，梅花觸指與靜觸頭之間為面接觸，m值取1；kj為與接觸材料、表面狀況有關的系數(shù)。

本文根據(jù)KYN-28型4000A開關柜梅花觸頭實際參數(shù)，通過受力分析計算梅花觸頭與靜觸頭之間的接觸壓力。圖 1（a）中，1為靜觸頭；2為動觸頭；3為觸指；4為彈簧。

圖1 梅花觸頭受力分析

每一片梅花觸指的受力分析如圖1（c）所示，其中，α 為兩片觸指之間的中心角角度；D為工作狀態(tài)彈簧繞成圓的直徑；彈簧倔強系數(shù)為 k；自由長度為l0；觸指片數(shù)為n1；彈簧數(shù)量為n2；F′為工作狀態(tài)單個彈簧沿圓周方向產生的張力，根據(jù)受力平衡可列出下列方程[8-9]，即

由此則可知每一片觸指的接觸壓力F為

每個觸指因彈性變形損失的接觸力為 F0[9-10]，如圖1（d）所示，有

式中，E為彈簧材料的彈性模量；I是截面的慣性矩；ω 為每片觸指的最大撓度近似值；L是觸指長度。

根據(jù)以上受力分析和接觸電阻經驗公式，可計算出該型號開關柜單個梅花觸頭與接觸頭之間接觸電阻 R≈10μΩ。

2 仿真模型

KYN-28型大電流開關柜結構圖如圖 2所示。使用 Solidworks進行模型繪制并導入 COMSOL中仿真研究。

圖2 KYN-28型開關柜結構示意圖

在仿真計算時，為節(jié)約計算成本，提高求解收斂率，對開關柜模型進行了合理簡化，本文旨在研究開關柜內部電路主回路溫升特性，對于不影響或影響較小的絕緣部件和柜體結構進行了簡化，并等效簡化母線形狀以及梅花觸頭形狀[11]。

簡化后開關柜模型如圖3所示。根據(jù)參考文獻[1,9]，將斷路器真空滅弧室內動靜觸頭以及電流互感器連接端接觸電阻值分別設置為 5μΩ、3μΩ。梅花觸頭與靜觸頭搭接點接觸電阻根據(jù)理論計算設置為10μΩ。開關柜每相回路總接觸電阻約為28μΩ，符合該型號開關柜相關技術標準。

圖3 KYN-28型開關柜簡化模型

開關柜內傳熱方式包括熱傳導、熱對流以及熱輻射。對于開關柜內部導體換熱系數(shù)，根據(jù)此類型開關柜母線結構取值為 h=10W/（m2·℃）[9]；斷路器真空滅弧室中是真空環(huán)境，只存在熱傳導和熱輻射；導體表面輻射率設置為0.5[11]；開關柜柜體表面散熱條件設置為自然對流傳熱。在計算時耦合流體傳熱模塊，即考慮開關柜內部由于空氣自然對流帶來的熱交換。

3 開關柜內溫度分布特性

3.1 溫升仿真結果

利用 COMSOL仿真軟件計算了開關柜在不同負荷和環(huán)境溫度下的穩(wěn)態(tài)溫度分布。當電流有效值設定為3000A、環(huán)境溫度為30℃時，開關柜溫度分布如圖4所示。

上母線室內溫升明顯高于下母線室；上方梅花觸頭溫升明顯高于下方梅花觸頭溫升；中間相回路溫升明顯高于其他兩相溫升，符合自然對流下的傳熱規(guī)律。在設置接觸電阻的部位溫升明顯較高，其中斷路器真空滅弧室內動靜觸頭溫升最高，其次是梅花觸頭部位，電流互感器處溫升相對最低。斷路器真空滅弧室內動靜觸頭以及梅花觸頭外部分別包裹著斷路器絕緣外殼和觸頭盒，絕緣材料導熱系數(shù)較小，不利于熱量的散失，這也是造成動靜觸頭和梅花觸頭溫升較高的原因之一。母線是導電回路中溫升最低的部分，且沿著母線溫升呈現(xiàn)遞增或遞減分布。這是由于母線自身電阻相對較小，各電氣連接處產生的焦耳熱通過熱傳導影響母線的溫升造成的。

圖4 開關柜溫度分布圖

3.2 溫升實驗結果

采用PT100溫度傳感器以及聲表面波溫度傳感器相互校驗對KYN-28型4000A大電流開關柜進行了2000A、3000A以及4000A穩(wěn)態(tài)溫升實驗。實驗環(huán)境溫度約為30℃，分別在梅花觸頭、母線、電流互感器等處布置了23個溫度測點，全面監(jiān)測開關柜溫升情況。觸頭盒空間狹窄，在對梅花觸頭進行溫升監(jiān)測時，僅布置體積較小的PT100溫度傳感器，如圖5所示。

將溫升實驗數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)進行對比，例如3000A負荷條件下，溫升沿母線分布情況如圖6所示。實驗結果與仿真結果相吻合，溫度相差在 4%以內，主要誤差來源于兩方面：①仿真時對模型的簡化處理造成的誤差[12]；②實驗時傳感器的布置和精度造成的誤差。根據(jù)開關柜實際結構分析，C相上方母線長度較長，散熱面積較大，在仿真和實驗中測得上方C相母線溫升最低，而對于下柜中的母線，散熱條件相同，C相母線長度較長自身電阻較大，發(fā)熱功率大于A相，因此仿真中下柜C相母線溫升較A相略高；在實際實驗中，為方便安裝傳感器將C相母線側面鋼板柜體拆換為紙質擋板，實驗時下柜C相母線散熱條件較好，使得C相母線溫升略低于A相。

圖5 梅花觸頭溫度傳感器布置情況

圖6 室溫30℃-3000A母線上溫度分布

從圖6中可以看出，上方母線溫升整體高于下方母線，上下方梅花觸頭有著約5%～10%的溫度差異。上方母線溫升沿著母線方向逐漸降低，溫升與距離近似線性關系。下方母線溫升沿著母線方向先降低后增加，降低段溫升與距離近似線性關系，后半段溫升有所增加是由于電流互感器與母線連接處接觸電阻發(fā)熱造成的。

下方A相母線溫升變化梯度約為-0.403℃/cm，絕對值大于上方A相母線溫升變化梯度-0.074℃/cm。這是由于開關柜內部空氣自然對流，熱氣流向上運動，造成上方溫升較高，溫升變化梯度較小，且下方母線如圖4所示，觸頭盒出口出的母線存在“L”型拐角，該部位散熱面積較大利于熱量散失，因此下方溫升梯度更大。

3.3 負荷電流和室溫的影響

進行不同負荷電流和室溫條件下的溫度場仿真計算，發(fā)現(xiàn)開關柜運行在不同負荷電流下的穩(wěn)態(tài)溫度分布規(guī)律大致相同。當開關柜在額定電流 4000A下運行時，內部穩(wěn)態(tài)溫升已超出GB/T 110022—2011規(guī)定的上限65℃[9]。當室溫為30℃時，三相共6個梅花觸頭穩(wěn)態(tài)溫升隨電流值變化曲線如圖7所示。溫升隨著電流的增大非線性增加，當電流值到達約3250A左右時，梅花觸頭溫升已到達相關標準規(guī)定上限。

圖7 梅花觸頭溫升隨電流變化關系

當環(huán)境溫度改變時，對開關柜內部溫升特性帶來很大影響，如圖8所示。梅花觸頭穩(wěn)態(tài)溫升隨室溫的增加呈直線升高趨勢。在 3000A負荷電流條件，各相梅花觸頭溫升隨室溫變化率依次為 A相（上）0.623℃/℃，B相（上）0.545℃/℃，C相（上）0.587℃/℃，A 相（下）0.73℃/℃，B 相（下）0.674℃/℃，C相（下）0.719℃/℃?？梢钥闯?，下方梅花觸頭相比于上方梅花觸頭對室溫的變化更加敏感，A、C兩相梅花觸頭相比于中間相梅花觸頭對室溫的變化更加敏感。在 1000A、2000A負荷電流下，A相上梅花觸頭溫升隨室溫變化率依次為0.651℃/℃、0.625℃/℃，隨著負荷的增大，室溫對于梅花觸頭溫升的影響程度降低。

圖8 梅花觸頭溫升隨室溫變化關系

從傳熱學的角度說明，在大負荷電流下，開關柜內部發(fā)熱大溫升高，與環(huán)境溫度差異大，熱量從溫度較高的開關柜傳遞給溫度較低的周圍空間速率相較于小負荷狀態(tài)更快。因此，較大負荷下梅花觸頭溫升的變化幅度受室溫的變化更加敏感。

4 接觸電阻對于溫升的影響

在開關柜長期運行期間，各部位接觸電阻均可能因一系列原因逐漸變大。其中梅花觸頭與靜觸頭搭接點的接觸電阻因斷路器手車頻繁操作最容易變大；斷路器真空滅弧室內動靜觸頭在分合操作時也會出現(xiàn)一定的磨損；電流互感器安裝不當會造成電流互感器與母線連接處接觸電阻增大?；谥暗姆抡婺Ｐ停謩e研究了這3個部位接觸電阻增大對于開關柜內溫度場分布的影響。

4.1 梅花觸頭處接觸電阻的影響

分別將仿真模型中上方三相以及下方三相梅花觸頭與靜觸頭搭接點接觸電阻增大為100μΩ，即正常值的10倍，開關柜在30℃環(huán)境溫度和3000A負荷電流下穩(wěn)態(tài)溫度分布情況如圖9所示。上方梅花觸頭處接觸電阻的增大對于上方觸頭和母線的溫升有著較大影響，其中B相梅花觸頭溫升較正常狀態(tài)升高了約231%，而對于下方觸頭和母線的溫升影響較小，僅使得 B相下方梅花觸頭溫升增加了約21.5%。下方梅花觸頭處接觸電阻的增大對于開關柜整體觸頭和母線溫升有著較大的影響。使得下方母線溫升整體高于上方母線，對于上下方B相梅花觸頭，其溫升分別增加了約54.3%、191%。

梅花觸頭處接觸電阻的增大對于觸頭溫升隨負荷變化的影響情況如圖 10（a）所示。在仿真中設定上方A相梅花觸頭處接觸電阻發(fā)生變化，環(huán)境溫度為30℃。從圖中可以看出，負荷越大，接觸電阻的增加對于溫升的影響越大。開關柜負荷由 1000A升高至3000A時，正常狀態(tài)的梅花觸頭溫升增加了約118%，當該梅花觸頭與靜觸頭搭接處接觸電阻增加7倍是，梅花觸頭溫升增加了約353%。

在3000A負荷下，觸頭溫升隨接觸電阻增大的變化率為1.72℃/μΩ，大于1000A負荷下0.211℃/μΩ的變化率，從圖 10（b）也可發(fā)現(xiàn)，梅花觸頭溫升隨接觸電阻變化呈近似線性關系。根據(jù)前人的研究結果可知，接觸面溫升主要取決于接觸焦耳熱而非導體內熱源[13]，觸頭的溫升值主要取決于電流的平方以及接觸電阻的數(shù)值，此結論與本研究結果相符。

圖9 梅花觸頭接觸電阻對溫度分布的影響

圖10 接觸電阻對梅花觸頭溫升的影響

4.2 動靜觸頭接觸電阻的影響

將斷路器真空滅弧室內三相動靜觸頭接觸電阻增大為25μΩ，即正常值的 5倍，在 30℃環(huán)境溫度3000A負荷電流條件下開關柜導電主回路溫度分布情況如圖11所示。從圖中可以看出，動靜觸頭接觸電阻的增加對于整體溫升影響相對較小，使得上方梅花觸頭溫升較正常值增加了約30%，下方梅花觸頭溫升增加了約18%，三相動靜觸頭溫升均增加了約 75%。從圖 11（b）可以看出，母線上整體溫度分布規(guī)律沒有發(fā)生變化，上方母線溫升隨距離近似呈反比例關系，下方母線溫升隨距離先減小后增大。

圖11 動靜觸頭接觸電阻對于溫度分布的影響

4.3 電流互感器處接觸電阻的影響

根據(jù)工程經驗，電流互感器是開關柜內不可忽略的熱源，若安裝不當存在接觸問題，則會帶來較大的發(fā)熱對開關柜內部溫度分布產生很大的影響。將三相電流互感器與母線連接處的接觸電阻均增大為15μΩ，即正常值的5倍，在30℃環(huán)境溫度3000A負荷條件下開關柜溫度分布如圖12所示。開關柜下方母線溫升整體高于上方母線溫升，且下方母線溫升隨距離呈曲線上升趨勢。下方梅花觸頭溫升較大幅度升高，增加約60%，上方梅花觸頭溫升增加約20%，受影響程度相對較小。中間相母線散熱條件較差，中間相母線及觸頭溫升受影響程度更大。

圖12 電流互感器接觸電阻對于溫度分布的影響

5 結論

本文對典型的KYN-28型4000A大電流開關柜型進行了溫度場仿真研究，著重計算了負荷電流、室溫以及接觸電阻對于溫度分布特性的影響，并通過溫升實驗驗證了模型的合理性。研究結果可為開關柜溫升在線監(jiān)測以及大電流開關柜運維方案的設計提供理論參考。以下是相關結論：

1）對于 4000A大電流開關柜，大負荷運行帶來較高的溫升，當負荷增加至約3250A時，開關柜內部梅花觸頭溫升已超出相關標準規(guī)定上限，須及時采取強制散熱措施。室溫同樣大幅度影響著開關柜內部溫升，環(huán)境溫度的改變對于上方母線及觸頭影響更大，在 3000A負荷下，室溫從 10℃變化到30℃可使梅花觸頭溫升增加約10℃～15℃。

2）梅花觸頭等部件處的接觸電阻是影響溫升的重要因素。梅花觸頭與靜觸頭搭接點接觸電阻的增加較大幅度影響上下方梅花觸頭及母線溫升，在3000A負荷下，上方梅花觸頭處接觸電阻增大10倍，會導致其自身溫升增加 180℃。且負荷越大，接觸電阻對溫升的影響越大。斷路器真空滅弧室內動靜觸頭接觸電阻的增加對于整體溫升影響相對較小。

3）通過仿真及實驗發(fā)現(xiàn)電流互感器也是開關柜內部發(fā)熱較為嚴重的部位，若安裝不當使得接觸不良，則會造成較高的溫升，危及開關柜正常運行。在設計開關柜溫度監(jiān)測系統(tǒng)時，根據(jù)情況可將此部件的溫升監(jiān)測納入設計方案中。